谷立軒

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

近年來，我國氧化鋁工業(yè)迅猛發(fā)展，2019年氧化鋁產(chǎn)量達(dá)到7 247萬噸，約占世界氧化鋁總產(chǎn)量的57.5 %，連續(xù)13年位居世界氧化鋁產(chǎn)量首位。在氧化鋁生產(chǎn)中，氫氧化鋁焙燒是十分關(guān)鍵的工序，承擔(dān)著將氫氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸X的重要作用。氫氧化鋁焙燒過程會排出大量的焙燒煙氣，據(jù)計算每生產(chǎn)1 t氧化鋁，約排放2 200 Nm3煙氣。根據(jù)焙燒爐所用燃料的不同，煙氣中氮氧化物，二氧化硫及粉塵等物質(zhì)含量有所差別。

當(dāng)今環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，鋁工業(yè)對大氣環(huán)境的污染也逐漸開始被重視。2013年國家環(huán)保部發(fā)布《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB25465—2010)修改單，對重點(diǎn)地區(qū)的顆粒物、二氧化硫排放限值指標(biāo)大幅度下調(diào)，并增加了氮氧化物(以NO2計)特別排放限值。其中粉塵含量為10 mg/Nm3，氮氧化物為100 mg/Nm3，SO2為100 mg/Nm3。2019年10月，河南等地區(qū)發(fā)布鋁工業(yè)企業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的征求意見稿中，要求轄區(qū)內(nèi)建成的鋁工業(yè)企業(yè)的所有生產(chǎn)工序，其顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50 mg/Nm3。面對環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛的趨勢，氫氧化鋁焙燒煙氣治理已迫在眉睫，現(xiàn)各大氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)紛紛將氫氧化鋁焙燒煙氣治理工作提上日程。

1 現(xiàn)階段焙燒煙氣的排放狀況

根據(jù)《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》對重點(diǎn)區(qū)域的劃分，南方氧化鋁企業(yè)集中所在地，如廣西、貴州、云南等未出現(xiàn)在重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)。因此部分氧化鋁企業(yè)氫氧化鋁焙燒煙氣敏感組分仍按照修改之前的排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，但上述所在地的氧化鋁企業(yè)已經(jīng)陸續(xù)對氫氧化鋁煙氣排放著手治理。現(xiàn)階段某企業(yè)氫氧化鋁焙燒爐外排煙氣敏感組分含量如表1。

表1 外排煙氣主要組成

上述企業(yè)氫氧化鋁焙燒所用燃料為天然氣，因此煙氣中SO2含量未超標(biāo)，但氮氧化物未經(jīng)處理，已超過修改標(biāo)準(zhǔn)允許排放的濃度限值。因此，必須對焙燒煙氣進(jìn)行脫硝處理，使其滿足排放要求，該文主要對煙氣的脫硝技術(shù)進(jìn)行探討，尋求合適的氫氧化鋁焙燒煙氣脫硝技術(shù)。

2 脫硝技術(shù)應(yīng)用概況

氧化鋁行業(yè)當(dāng)前并沒有較成熟的脫硝技術(shù)，但電力行業(yè)氮氧化物脫除工藝已得到廣泛應(yīng)用并取得良好的效果。目前經(jīng)過實(shí)踐認(rèn)可的脫硝技術(shù)主要有選擇性非催化還原(SNCR)脫硝工藝，選擇性催化還原(SCR)脫硝工藝，臭氧氧化-濕法吸收脫硝工藝。

2.1 SNCR脫硝工藝

SNCR脫硝工藝是在900～1 150 ℃，沒有催化劑存在的條件下把還原劑如尿素溶液、氨水稀溶液等通過噴嘴噴入脫硝煙氣中，還原劑受熱迅速分解產(chǎn)生NH3，與煙氣中的氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)生成氮?dú)夂退?，其反?yīng)機(jī)理如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(1)

4NH3+5O2→4NO+6H2O

(2)

正常情況，反應(yīng)以(1)式進(jìn)行，當(dāng)溫度過高時，會發(fā)生副反應(yīng)，如(2)式，所以采用SNCR技術(shù)進(jìn)行脫硝，溫度是十分重要的一個控制指標(biāo)，溫度過低，會降低反應(yīng)的進(jìn)行程度，溫度過高，又會發(fā)生一些副反應(yīng)。

2.2 SCR脫硝工藝

SCR脫硝工藝是在有氧環(huán)境中，催化劑存在的前提下，在較低的溫度范圍內(nèi)(對比SNCR)，還原劑選擇性將煙氣中氮氧化物還原成氮?dú)夂退源藖斫档偷趸锖?。其反?yīng)機(jī)理如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

6NO+4NH3→5N2+6H2O

(3)

當(dāng)煙氣中有氧氣存在時，反應(yīng)第(1)(2)式優(yōu)先進(jìn)行。SCR脫硝技術(shù)，對氮氧化物有較高的脫除率，噴入煙氣中的氨幾乎全部參與反應(yīng)，僅有一小部分氨以氨逃逸的方式逸出。

2.3 臭氧氧化-濕法吸收工藝

在煙道中注入一定量的臭氧(O3)，可將煙氣中一氧化氮氧化為高價態(tài)的氮氧化物(如NO2、N2O5等)，然后再利用堿液洗滌方式去除煙氣中的NOx、SO2以及部分顆粒物。

本工藝中，臭氧氧化-濕法吸收煙氣脫硝相關(guān)反應(yīng)機(jī)理如下：

NO+O3→NO2+O2

NO2+O3→NO3+O2

NO2+NO3→N2O5

N2O5+H2O→2HNO3

2.4 上述脫硝工藝的優(yōu)劣

SNCR脫硝技術(shù)系統(tǒng)較簡單，投資費(fèi)用低，占地面積小，不需特殊預(yù)留空間，對其它系統(tǒng)的維護(hù)運(yùn)行，不產(chǎn)生干擾，也不會增加額外阻力，運(yùn)行費(fèi)用低。因沒有使用價格高昂的催化劑，所以反應(yīng)需要較高的溫度(900～1 150 ℃)才能進(jìn)行，由于SNCR中氨逃逸量較大，因此其脫硫效率較低，大約30 %～50 %。

SCR脫硝技術(shù)，在流程中加入了催化劑，因此反應(yīng)在中低溫300～400 ℃下即可進(jìn)行，脫硝效率能達(dá)到70 %。但因?yàn)樵黾恿舜呋瘎到y(tǒng)阻力會有所增加，按增設(shè)兩層催化劑考慮，系統(tǒng)阻力增加600～700 Pa。催化劑存在時，煙氣中的SO2被氧化成SO3，SO3與還原劑反應(yīng)形成銨鹽，銨鹽從煙氣中凝結(jié)并沉積到催化劑的表面，致使催化劑失去活性。因此SO2含量較高的煙氣，需先進(jìn)行脫硫處理。

臭氧氧化-濕法吸收脫硝技術(shù)的運(yùn)行費(fèi)用偏高，臭氧利用率較低。煙氣中高濃度的粉塵或固體顆粒物不會影響到脫硝效率。臭氧脫硝雖然在氧化階段不受工序影響，設(shè)施改造相對簡單，但后續(xù)需要增加吸收設(shè)備，并會帶來硝酸廢水的處理等問題。

3 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)

3.1 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝

對氫氧化鋁焙燒煙氣的脫硝治理，如果只采用SNCR技術(shù)脫硝，因其脫硝效率較低，煙氣仍不能滿足氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)。需與其它的脫硝技術(shù)聯(lián)合使用。結(jié)合氫氧化鋁焙燒煙氣自身特點(diǎn)，選擇使用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝的工藝。

氫氧化鋁焙燒爐的溫度運(yùn)行參數(shù)，見表2。由下表可以看出焙燒爐主爐PO4出口的煙氣溫度正位于SNCR的反應(yīng)窗口，而旋風(fēng)預(yù)熱器PO2出口煙氣溫度滿足SCR反應(yīng)所需的溫度，因此在不對氫氧化鋁焙燒爐主題結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改動前提下，選用SNCR+SCR聯(lián)合的脫硝工藝，工藝流程圖見圖1。可以滿足氮氧化物超低排放(50 mg/Nm3)的限值。

表2 氫氧化鋁焙燒爐運(yùn)行溫度表

3.2 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)優(yōu)勢

(1)SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝不是SNCR與SCR2種脫硝工藝的簡單組合，而是結(jié)合了SNCR投資費(fèi)用低和SCR脫硝效率高的特點(diǎn)；

(2)該聯(lián)合脫硝工藝在前端經(jīng)過了SNCR初步脫硝，降低了SCR工藝催化劑的用量，也減小了SCR反應(yīng)器的主體結(jié)構(gòu)；

(3)該聯(lián)合脫硝工藝是1項(xiàng)清潔技術(shù)，過程中無任何固體或液體的污染物產(chǎn)生，不會對環(huán)境造成二次污染；

(4)該聯(lián)合脫硝工藝整個系統(tǒng)較為簡單、施工周期短；

(5)該聯(lián)合脫硝工藝不需要對焙燒爐進(jìn)行大的改動，也不需要改變焙燒爐的常規(guī)運(yùn)行方式，對氫氧化鋁焙燒爐的主要運(yùn)行指標(biāo)不會產(chǎn)生顯著的影響，比較適用于已建企業(yè)的脫硝改造。

4 結(jié) 語

國內(nèi)北方某些氧化鋁企業(yè)采用SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝進(jìn)行脫硝改造后，能夠達(dá)到氮氧化物超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)投資費(fèi)用低，可靠性強(qiáng)，對氫氧化鋁焙燒爐改動小，值得氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)借鑒學(xué)習(xí)。