氫氧化鋁焙燒煙氣脫硝工藝的探討

谷立軒

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

近年來，我國氧化鋁工業迅猛發展，2019年氧化鋁產量達到7 247萬噸，約占世界氧化鋁總產量的57.5 %，連續13年位居世界氧化鋁產量首位。在氧化鋁生產中，氫氧化鋁焙燒是十分關鍵的工序，承擔著將氫氧化鋁轉變為氧化鋁的重要作用。氫氧化鋁焙燒過程會排出大量的焙燒煙氣，據計算每生產1 t氧化鋁，約排放2 200 Nm3煙氣。根據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含量有所差別。

當今環保政策日趨嚴格，鋁工業對大氣環境的污染也逐漸開始被重視。2013年國家環保部發布《鋁工業污染物排放標準》(GB25465—2010)修改單，對重點地區的顆粒物、二氧化硫排放限值指標大幅度下調，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，河南等地區發布鋁工業企業污染物排放標準的征求意見稿中，要求轄區內建成的鋁工業企業的所有生產工序，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。面對環保標準日益嚴苛的趨勢，氫氧化鋁焙燒煙氣治理已迫在眉睫，現各大氧化鋁生產企業已經紛紛將氫氧化鋁焙燒煙氣治理工作提上日程。

1 現階段焙燒煙氣的排放狀況

根據《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》對重點區域的劃分，南方氧化鋁企業集中所在地，如廣西、貴州、云南等未出現在重點區域內。因此部分氧化鋁企業氫氧化鋁焙燒煙氣敏感組分仍按照修改之前的排放標準執行，但上述所在地的氧化鋁企業已經陸續對氫氧化鋁煙氣排放著手治理。現階段某企業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，但氮氧化物未經處理，已超過修改標準允許排放的濃度限值。因此，必須對焙燒煙氣進行脫硝處理，使其滿足排放要求，該文主要對煙氣的脫硝技術進行探討，尋求合適的氫氧化鋁焙燒煙氣脫硝技術。

2 脫硝技術應用概況

氧化鋁行業當前并沒有較成熟的脫硝技術，但電力行業氮氧化物脫除工藝已得到廣泛應用并取得良好的效果。目前經過實踐認可的脫硝技術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生NH3，與煙氣中的氮氧化物進行反應生成氮氣和水，其反應機理如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(1)

4NH3+5O2→4NO+6H2O

(2)

正常情況，反應以(1)式進行，當溫度過高時，會發生副反應，如(2)式，所以采用SNCR技術進行脫硝，溫度是十分重要的一個控制指標，溫度過低，會降低反應的進行程度，溫度過高，又會發生一些副反應。

2.2 SCR脫硝工藝

SCR脫硝工藝是在有氧環境中，催化劑存在的前提下，在較低的溫度范圍內(對比SNCR)，還原劑選擇性將煙氣中氮氧化物還原成氮氣和水，以此來降低氮氧化物含量。其反應機理如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

(2)

6NO+4NH3→5N2+6H2O

(3)

當煙氣中有氧氣存在時，反應第(1)(2)式優先進行。SCR脫硝技術，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，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反應機理如下：

NO+O3→NO2+O2

NO2+O3→NO3+O2

NO2+NO3→N2O5

N2O5+H2O→2HNO3

2.4 上述脫硝工藝的優劣

SNCR脫硝技術系統較簡單，投資費用低，占地面積小，不需特殊預留空間，對其它系統的維護運行，不產生干擾，也不會增加額外阻力，運行費用低。因沒有使用價格高昂的催化劑，所以反應需要較高的溫度(900～1 150 ℃)才能進行，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，在流程中加入了催化劑，因此反應在中低溫300～400 ℃下即可進行，脫硝效率能達到70 %。但因為增加了催化劑，系統阻力會有所增加，按增設兩層催化劑考慮，系統阻力增加600～700 Pa。催化劑存在時，煙氣中的SO2被氧化成SO3，SO3與還原劑反應形成銨鹽，銨鹽從煙氣中凝結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，需先進行脫硫處理。

臭氧氧化-濕法吸收脫硝技術的運行費用偏高，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，設施改造相對簡單，但后續需要增加吸收設備，并會帶來硝酸廢水的處理等問題。

3 SNCR+SCR聯合脫硝技術

3.1 SNCR+SCR聯合脫硝工藝

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準。需與其它的脫硝技術聯合使用。結合氫氧化鋁焙燒煙氣自身特點，選擇使用SNCR+SCR聯合脫硝的工藝。

氫氧化鋁焙燒爐的溫度運行參數，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的反應窗口，而旋風預熱器PO2出口煙氣溫度滿足SCR反應所需的溫度，因此在不對氫氧化鋁焙燒爐主題結構進行較大改動前提下，選用SNCR+SCR聯合的脫硝工藝，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 氫氧化鋁焙燒爐運行溫度表

3.2 SNCR+SCR聯合脫硝技術優勢

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

(2)該聯合脫硝工藝在前端經過了SNCR初步脫硝，降低了SCR工藝催化劑的用量，也減小了SCR反應器的主體結構；

(3)該聯合脫硝工藝是1項清潔技術，過程中無任何固體或液體的污染物產生，不會對環境造成二次污染；

(4)該聯合脫硝工藝整個系統較為簡單、施工周期短；

(5)該聯合脫硝工藝不需要對焙燒爐進行大的改動，也不需要改變焙燒爐的常規運行方式，對氫氧化鋁焙燒爐的主要運行指標不會產生顯著的影響，比較適用于已建企業的脫硝改造。

4 結 語

國內北方某些氧化鋁企業采用SNCR-SCR聯合脫硝工藝進行脫硝改造后，能夠達到氮氧化物超低排放的標準，該技術投資費用低，可靠性強，對氫氧化鋁焙燒爐改動小，值得氧化鋁生產企業借鑒學習。