氢氧化铝焙烧烟气脱硝工艺的探讨

2020-10-23谷立轩

有色金属设计 2020年3期

谷立轩

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

0 引言

近年来，我国氧化铝工业迅猛发展，2019年氧化铝产量达到7 247万吨，约占世界氧化铝总产量的57.5 %，连续13年位居世界氧化铝产量首位。在氧化铝生产中，氢氧化铝焙烧是十分关键的工序，承担着将氢氧化铝转变为氧化铝的重要作用。氢氧化铝焙烧过程会排出大量的焙烧烟气，据计算每生产1 t氧化铝，约排放2 200 Nm3烟气。根据焙烧炉所用燃料的不同，烟气中氮氧化物，二氧化硫及粉尘等物质含量有所差别。

当今环保政策日趋严格，铝工业对大气环境的污染也逐渐开始被重视。2013年国家环保部发布《铝工业污染物排放标准》(GB25465—2010)修改单，对重点地区的颗粒物、二氧化硫排放限值指标大幅度下调，并增加了氮氧化物(以NO2计)特别排放限值。其中粉尘含量为10 mg/Nm3，氮氧化物为100 mg/Nm3，SO2为100 mg/Nm3。2019年10月，河南等地区发布铝工业企业污染物排放标准的征求意见稿中，要求辖区内建成的铝工业企业的所有生产工序，其颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50 mg/Nm3。面对环保标准日益严苛的趋势，氢氧化铝焙烧烟气治理已迫在眉睫，现各大氧化铝生产企业已经纷纷将氢氧化铝焙烧烟气治理工作提上日程。

1 现阶段焙烧烟气的排放状况

根据《重点区域大气污染防治“十二五”规划》对重点区域的划分，南方氧化铝企业集中所在地，如广西、贵州、云南等未出现在重点区域内。因此部分氧化铝企业氢氧化铝焙烧烟气敏感组分仍按照修改之前的排放标准执行，但上述所在地的氧化铝企业已经陆续对氢氧化铝烟气排放着手治理。现阶段某企业氢氧化铝焙烧炉外排烟气敏感组分含量如表1。

表1 外排烟气主要组成

上述企业氢氧化铝焙烧所用燃料为天然气，因此烟气中SO2含量未超标，但氮氧化物未经处理，已超过修改标准允许排放的浓度限值。因此，必须对焙烧烟气进行脱硝处理，使其满足排放要求，该文主要对烟气的脱硝技术进行探讨，寻求合适的氢氧化铝焙烧烟气脱硝技术。

2 脱硝技术应用概况

氧化铝行业当前并没有较成熟的脱硝技术，但电力行业氮氧化物脱除工艺已得到广泛应用并取得良好的效果。目前经过实践认可的脱硝技术主要有选择性非催化还原(SNCR)脱硝工艺，选择性催化还原(SCR)脱硝工艺，臭氧氧化-湿法吸收脱硝工艺。

2.1 SNCR脱硝工艺

SNCR脱硝工艺是在900～1 150 ℃，没有催化剂存在的条件下把还原剂如尿素溶液、氨水稀溶液等通过喷嘴喷入脱硝烟气中，还原剂受热迅速分解产生NH3，与烟气中的氮氧化物进行反应生成氮气和水，其反应机理如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(1)

4NH3+5O2→4NO+6H2O

(2)

正常情况，反应以(1)式进行，当温度过高时，会发生副反应，如(2)式，所以采用SNCR技术进行脱硝，温度是十分重要的一个控制指标，温度过低，会降低反应的进行程度，温度过高，又会发生一些副反应。

2.2 SCR脱硝工艺

SCR脱硝工艺是在有氧环境中，催化剂存在的前提下，在较低的温度范围内(对比SNCR)，还原剂选择性将烟气中氮氧化物还原成氮气和水，以此来降低氮氧化物含量。其反应机理如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

6NO+4NH3→5N2+6H2O

(3)

当烟气中有氧气存在时，反应第(1)(2)式优先进行。SCR脱硝技术，对氮氧化物有较高的脱除率，喷入烟气中的氨几乎全部参与反应，仅有一小部分氨以氨逃逸的方式逸出。

2.3 臭氧氧化-湿法吸收工艺

在烟道中注入一定量的臭氧(O3)，可将烟气中一氧化氮氧化为高价态的氮氧化物(如NO2、N2O5等)，然后再利用碱液洗涤方式去除烟气中的NOx、SO2以及部分颗粒物。

本工艺中，臭氧氧化-湿法吸收烟气脱硝相关反应机理如下：

NO+O3→NO2+O2

NO2+O3→NO3+O2

NO2+NO3→N2O5

N2O5+H2O→2HNO3

2.4 上述脱硝工艺的优劣

SNCR脱硝技术系统较简单，投资费用低，占地面积小，不需特殊预留空间，对其它系统的维护运行，不产生干扰，也不会增加额外阻力，运行费用低。因没有使用价格高昂的催化剂，所以反应需要较高的温度(900～1 150 ℃)才能进行，由于SNCR中氨逃逸量较大，因此其脱硫效率较低，大约30 %～50 %。

SCR脱硝技术，在流程中加入了催化剂，因此反应在中低温300～400 ℃下即可进行，脱硝效率能达到70 %。但因为增加了催化剂，系统阻力会有所增加，按增设两层催化剂考虑，系统阻力增加600～700 Pa。催化剂存在时，烟气中的SO2被氧化成SO3，SO3与还原剂反应形成铵盐，铵盐从烟气中凝结并沉积到催化剂的表面，致使催化剂失去活性。因此SO2含量较高的烟气，需先进行脱硫处理。

臭氧氧化-湿法吸收脱硝技术的运行费用偏高，臭氧利用率较低。烟气中高浓度的粉尘或固体颗粒物不会影响到脱硝效率。臭氧脱硝虽然在氧化阶段不受工序影响，设施改造相对简单，但后续需要增加吸收设备，并会带来硝酸废水的处理等问题。

3 SNCR+SCR联合脱硝技术

3.1 SNCR+SCR联合脱硝工艺

对氢氧化铝焙烧烟气的脱硝治理，如果只采用SNCR技术脱硝，因其脱硝效率较低，烟气仍不能满足氮氧化物的排放标准。需与其它的脱硝技术联合使用。结合氢氧化铝焙烧烟气自身特点，选择使用SNCR+SCR联合脱硝的工艺。

氢氧化铝焙烧炉的温度运行参数，见表2。由下表可以看出焙烧炉主炉PO4出口的烟气温度正位于SNCR的反应窗口，而旋风预热器PO2出口烟气温度满足SCR反应所需的温度，因此在不对氢氧化铝焙烧炉主题结构进行较大改动前提下，选用SNCR+SCR联合的脱硝工艺，工艺流程图见图1。可以满足氮氧化物超低排放(50 mg/Nm3)的限值。