一种新型氧化铝高温煅烧烟气净化工艺流程及工程应用

罗存存

（中国铝业股份有限公司，北京 100082）

高品质氧化铝因其具有高熔点、高硬度、良好的耐磨性和机械强度，成为制造磨料磨具和耐火材料的理想原料[1-3]。生产氧化铝的高温煅烧工艺是以氢氧化铝为原材料，经高温煅烧脱除附着水和结晶水，通过晶型转变和再结晶反应生成氧化铝[4]，煅烧生成的氧化铝有α和γ两种晶型结构[5-8]。

氢氧化铝煅烧生成氧化铝是一个强吸热过程，因此煅烧过程必须源源不断地提供燃料[9]。为避免杂质影响煅烧过程和产品品质，往往选用天然气、煤气（脱硫后煤气）等优质气态燃料，煅烧产生烟气经除尘收集氧化铝后排出[10，11]。

高温煅烧氧化铝产生的烟气中携带大量的氧化铝粉尘，且煅烧烟气中含有大量的水汽，固体、气体和液体颗粒物排放后在大气中构成相对稳定的悬浮体系。此外，因高温煅烧环境而产生的氮氧化物（NOx），主要包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等几种。这些氮氧化物的危害主要包括：①NOX对人体及动物的致毒作用；②对植物的损害作用；③NOX是形成酸雨、酸雾的主要原因之一；④NOX与碳氢化合物形成光化学烟雾；⑤NOX也参与臭氧层的破坏。

随着我国大气污染形势不断严峻，国家制定出台了一系列的法律法规和技术政策。《铝工业污染物排放标准》对烟气排放中颗粒物及SO2浓度做出了要求，而《铝工业污染物排放标准》（GB 25465-2010）修改单中追加了对NOx浓度的要求。现对氧化铝厂烟气排放的污染物浓度限值如表1所示。

本文通过分析氧化铝高温煅烧烟气特性，结合现有成熟的烟气净化工艺设备，提出了一套可靠的烟气净化流程——金属滤袋除尘器+低温SCR脱硝联合工艺。

表1 现有和新建企业大气污染物浓度限值单位：mg/m3

1 氧化铝高温煅烧烟气特点

特种高温氧化铝煅烧选用的窑炉一般为回转窑，入窑的氢氧化铝在高温窑内随窑体转动，物料由窑尾送至窑头，煅烧后的氧化铝经窑头下料口落入冷却机，烟气经一、二次旋风收尘回收氧化铝粉末，由窑尾净化系统后排放[12，13]。

（1）粉尘含量：高温煅烧窑反应过程中固体物料与烟气直接接触换热，经旋风收尘后，每标准立方米烟气中含有粉尘几十至上百克。原有粉尘处理工艺为：旋风收尘+电除尘系统，其排放烟气颗粒物浓度降低至100mg/m3，但随着烟气排放指标的提高，电除尘已无法满足颗粒物烟气排放指标的要求。

（2）NOx含量：窑内煅烧温度一般控制在1150℃～1300℃，燃烧火焰温度高达1700℃。在燃烧过程中，空气中的N2在高温下氧化生成NOx，出口烟气NOx浓度在200～450mg/m3之间。

（3）H2O含量：煅烧氧化铝所用的氢氧化铝一般带有10%左右的附着水，高温窑煅烧烟气含水量一般可达20～50vol%。

（4）SO2含量：高温窑煅烧烟气中SO2来自燃料中的H2S，而气态燃料一般会经过脱硫后再作为燃料，因此烟气中SO2含量低于100mg/m3，无需增设脱硫设备。

2 工艺流程

2.1 除尘工艺

高温煅烧烟气中颗粒物为氧化铝细粉，需返回生产系统，需配置除尘设备回收氧化铝，常规配置两台旋风气固分离器。现常用的两种除尘工艺为电除尘和布袋除尘，这两种除尘工艺在氧化铝高温煅烧烟气净化中难以得到应用。

电除尘器无法达到颗粒物10mg/m3的排放要求，主要是由于煅烧烟气温度较高，且氧化铝颗粒物粒径较小，使氧化铝超细粉尘很难在电场作用下荷电。

布袋除尘器在除尘工艺中极为常见，具有除尘效率高、运行稳定的优点。但布袋除尘器的使用受烟气温度限制，最高运行烟气温度在160℃～170℃之间，当烟气温度过高时易发生烧袋现象，而氧化铝高温煅烧烟气温度一般在260℃～290℃之间，无法使用布袋除尘器进行煅烧烟气净化除尘。

金属滤袋[14]除尘是用金属滤袋取代纺织滤袋的一种袋式除尘技术，近年来逐渐在高温工业烟气净化领域发展起来。耐高温金属滤袋是使用金属纤维或金属粉末，经压制、烧结制成的金属间化合物多孔过滤材料，并经焊接加工制成滤袋形式。金属滤袋具耐高温性、耐强酸强碱、机械强度高等特点，且具有一定柔性，解决了高温工业烟气中粉尘颗粒高精度拦截的难题，是理想的高温烟气除尘材料。

金属滤袋除尘器与布袋除尘器的壳体钢结构、辅助系统相同，仅将纺织滤料更换为金属滤料，技术工艺、设计建设基本成熟，其应用于高温煅烧烟气净化系统中主要有以下优点：

（1）耐高温、耐腐蚀、耐磨性好。金属滤袋适用于温度较高环境运行，在工业窑炉启停过程中，有过高温度烟气通过滤袋时，不必担心滤袋高温烧损；同时金属滤袋具有较高的耐腐蚀性和耐磨性，可有效延长滤袋在高硬度氧化铝粉末磨损下的使用寿命，降低滤袋更换频率。

（2）颗粒物拦截效率高。金属滤袋可有效拦截粒径为0.5μm以上的粉尘颗粒，除尘效果良好，可以保证烟气出口颗粒物浓度稳定在10mg/m3以下，达到环保标准要求。

（3）工艺设备技术成熟，运行稳定。金属滤袋除尘器的结构、壳体设计和辅助系统与布袋除尘器相同，在系统建设和运行方面均可参考袋式除尘器，使得生产系统更加稳定可靠。

2.2 脱硝工艺

氧化铝高温煅烧烟气中含有大量的氧化铝颗粒，氧化铝颗粒具有硬度高和粒径小的特点，若氧化铝煅烧烟气未经除尘直接进入脱硝装置，会对脱硝催化剂造成堵塞和磨损，使得催化剂维护频繁、损耗严重[15]。同时，氧化铝粉末需返回生产系统，烟气在脱硝过程中接触催化剂，使得氧化铝受到污染，对后续生产过程造成影响。因此，氧化铝高温煅烧烟气的脱硝装置一般设置在除尘装置之后。

中温选择性催化还原法（SCR）脱硝是目前锅炉烟气脱硝使用比较普遍的烟气治理工艺技术，该技术运行温度一般要求在300℃～420℃[16]，若烟气温度过高容易发生催化剂烧结；而烟气温度过低则无法保证催化剂活性，从而降低脱硝效率，在实际应用中具有一定的局限性。高温煅烧窑烟气温度较低，一般在260℃～290℃左右，因此无法使用中温SCR脱硝工艺。

为了降低温度对SCR脱硝工艺的影响，逐渐研发出低温SCR脱硝催化剂。低温SCR脱硝技术是催化剂在220℃～300℃之间[15]保持良好的催化活性，还原剂选用液氨、氨水或尿素分解产生的氨气，烟气进入脱硝反应器，在催化条件下，烟气中的NOx被还原，其化学反应式如下：

将低温SCR脱硝反应器布置在烟气除尘后，烟气含尘量大大降低，从而不会对催化剂造成磨损，同时降低催化剂高温烧结的风险，适用于氧化铝高温煅烧窑的烟气净化。

2.3 金属滤袋除尘+低温SCR脱硝联合净化工艺

（1）烟气温度较高，且启停炉烟气瞬时温度偏高，烟气温度波动大；

（2）烟气颗粒物主要为氧化铝，具有一定经济价值且硬度较高。因此根据烟气的特点提出了金属滤袋除尘+低温SCR脱硝联合净化工艺，其工艺流程如图1所示。

图1 金属滤网+低温SCR工艺在高温煅烧烟气净化中流程示意图

烟气首先经过金属滤袋除尘器，大部分氧化铝在此被拦截，一方面避免了氧化铝颗粒磨损SCR脱硝催化剂，另一方面避免催化剂污染氧化铝产品。除尘后烟气颗粒物含量≤10mg/m3，进入低温SCR脱硝工艺，避免催化剂烧结和磨损，降低催化剂更换频率。整套工艺设备经工业化运行验证，是稳定的、可靠的，为氧化铝高温煅烧烟气除尘脱硝提供了成熟的净化工艺系统。

3 实际案例

3.1 烟气参数

山东某材料公司于2017年对厂内两台高温煅烧窑进行大气污染物综合防治改造，高温煅烧系统烟气经旋风气固分离器后，出口烟气参数如表2所示（单台窑炉）。

3.2 除尘改造

山东某材料公司环保设计改造要求烟气出口颗粒物排放浓度≤10mg/m3，由于烟气温度过高，且氧化铝颗粒比电阻较低，颗粒物不易在电场中荷电，将原有电除尘器更换为金属滤袋除尘器。

本次除尘改造设计除尘效率不低于99.9%，除尘效率定义见公式4-1：

式中：

θ—除尘效率（%）；

表2 单台氧化铝煅烧回转窑烟气参数

表3 金属滤袋除尘器设备参数

C2—金属滤袋除尘器的出口烟气中颗粒物浓度（mg/m3）；

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C1—金属滤袋除尘器的入口烟气中颗粒物浓度（mg/m3）。

除尘改造将原电除尘器改为金属滤袋除尘器，改造金属滤袋除尘器设备参数如表3所示。

金属滤袋除尘工艺共包括以下部分：

（1）除尘器壳体及烟气系统：除尘器露天布置，内部设导流板使烟气均匀进入滤袋，袋区过滤风速小于1m/min，保障烟气除尘效率。

（2）反吹系统：利用压缩空气及脉冲阀进行滤袋反吹，将金属滤料拦截的氧化铝粉末吹落至底部灰斗。

（3）输灰系统：灰斗的容积满足连续运行8h的集尘量，将氧化铝粉末收集在除尘器底部，经气力输灰系统打回氧化铝粉仓。

3.3 脱硝设计

本次环保设计改造要求出口NOx排放浓度≤100mg/m3，低温SCR脱硝系统设置在烟气除尘后，设计在每台金属滤袋除尘器后再新建1套低温SCR脱硝装置（整体工程新建2套），脱硝反应器与还原供应系统按照烟气脱硝效率不低于75%设计，脱硝效率定义见公式4-2：

式中：

η——脱硝效率（%）；

C4—低温SCR反应器的出口烟气中NOx浓度（mg/m3）；

C3—低温SCR反应器的入口烟气中NOx浓度（mg/m3）。

脱硝还原剂选用尿素溶液。脱硝工艺共包括以下部分：

（1）SCR反应装置：低温SCR反应器安装在独立的钢结构平台上，烟气在反应器入口烟道内与喷射的还原剂充分混合进入反应器，与催化剂接触进行选择性脱硝反应，达到烟气净化的目的。

催化剂按照2+1（两用一备）设置，由下至上第一层为预留层，催化剂选用低温SCR催化剂，催化剂模块的吊装及设备的吊装由吊机完成。

（2）还原剂系统：选用尿素作为脱硝还原剂，尿素在溶解罐内用除盐水制成40%～60%的尿素溶液后送至尿素储存罐，经分配系统、稀释系统后定量喷射入反应器烟道内与烟气进行混合。

（3）吹灰系统：脱硝吹灰器选用声波吹灰器方式，每台反应器每一层催化剂布置1台声波吹灰器，定时吹扫以确保运行中烟气和催化剂的充分接触反应。

山东某材料公司高温煅烧窑大气污染物综合防治改造工程于2018年1月竣工投运，至今烟气净化系统运行稳定，无烟气污染物超标现象，验证了金属滤袋除尘+低温SCR联合工艺的稳定性和可靠性。

4 结论

在空气污染形势日益严峻的今天，本文提出了一种工业化应用成熟的金属滤袋除尘+低温SCR脱硝联合烟气净化系统，该工艺系统在氧化铝高温煅烧窑炉后对烟气进行净化，使烟气颗粒物及NOx均可达标排放。基于山东某材料厂氧化铝煅烧烟气净化案例，对本工艺设备实践运行表明：金属滤袋除尘器具有良好的除尘效果，且不易受到烟气温度影响；低温SCR脱硝系统对NOx具有良好的脱除效果，且脱硝系统设置在除尘系统后可有效防止催化剂的磨损，有效降低运行成本。本文所提出的金属滤袋除尘+低温SCR脱硝联合工艺，经实践运行证明具有良好的烟气净化效果，可为氧化铝高温煅烧窑烟气治理减排提供借鉴。