高溫氧化鋁回轉窯脫硝改造

鄔 春

（中鋁山東有限公司，山東 淄博 255052）

1 前言

根據國家環境保護總局發布的環境質量公告，排入大氣中的酸基物質SO2和NOx 是導致酸雨形成的主要原因。減少NOx排放是控制酸雨的主要措施。

1.1 全國氮氧化物排放區域及工業行業NOx排放情況

去年全國氮氧化物排放量約為1624萬噸，其中，工業氮氧化物排放量為1250萬噸，占全國氮氧化物排放量的77%。氮氧化物排放量超過100萬噸的省份依次為廣東、山東、江蘇、河南、內蒙古和山西。這6個省份氮氧化物排放量占全國氮氧化物排放量的43.9%。山東省為我國氮氧化物排放量主要排放地區之一。氮氧化物排放量位于排名前3位的行業依次為電力及熱力的生產和供應業、非金屬礦物制品業、黑色金屬冶煉及壓延加工業。這三類行業占統計行業氮氧化物排放量的81.4%。

由以上數據及國家對大氣治理的力度可見，工業窯爐已經成為我國NOx污染的主要來源，同時也必將迎來最嚴格的排放標準。為適應大氣污染物控制的發展需要，工業窯爐必須采取措施進行NOx污染治理。

1.2 改造前高溫氧化鋁回轉窯煙氣成分

中鋁山東新材料有限公司有兩臺高溫氧化鋁回轉窯，使用天然氣、煤氣作為燃料，將氫氧化鋁燒制成a氧化鋁。高溫氧化鋁窯由于其窯內高溫區溫度達1250℃，具備產生氮氧化物的條件，實測窯尾排氣中氮氧化物濃度在300-400 mg/Nm3，超過100mg/Nm3的標準，因此，高溫氧化鋁窯煙氣需進行脫硝處理。煙氣成分見表1。

2 脫硝技術的選擇

煙氣中氮氧化物的處理階段一般分為燃料前期處理、燃燒過程控制和后期煙氣脫硝。燃料前期處理即是對燃料進行脫氮處理，暫無工業應用；燃燒過程控制主要是改善燃燒狀態，控制過量空氣、降低燃燒溫度等；而后期煙氣脫硝技術主要是選擇性非催化還原反應技術、選擇性催化還原反應技術和聯合脫硝技術以及正在發展的一體化脫硝技術。另外還有微生物法、電子束法、活性炭吸附法等技術，但均因運行成本、操作難度等原因未得到工程應用與推廣。表2為四種不同脫硝技術的對比。

表1 高溫窯煙氣成分

通過以上對比可見，工業應用上較成熟的煙氣氮氧化物控制技術主要是低氮燃燒、SNCR技術和SCR技術。而對于中鋁山東新材料有限公司1#、2#兩臺高溫窯脫硝的最佳技術路線推薦采用目前技術最成熟、應用最廣的SCR脫硝技術。

3 高溫窯煙氣脫硝改造方案

3.1 脫硝工藝技術說明

3.1.1 過低溫度下噴氨對脫硝裝置的影響、應對措施和運行建議

低溫下噴氨對SCR 脫硝系統的運行主要有如下不利影響：SCR 脫硝中的逸出氨（NH3）與煙氣中的SO3和水蒸汽生成硫酸氫銨凝結物。硫酸氫銨凝結物呈中度酸性且具有很大的粘性，在低溫條件下，硫酸氫銨的沉積將首先發生在催化劑的空隙里。沉積的過程是可逆的，當運行溫度提升到露點以上時硫酸氫銨將蒸發，催化劑活性將恢復，但運行溫度長期低于其露點，催化劑活性會永久改變。當出現由于硫酸氫銨的沉積導致積灰時，建議增加吹灰頻率。

低溫下噴氨應對措施：控制NH3的逃逸量≤3ppm以下。在保證脫硝效率前提下，降低氨水噴入量，檢查氨逃逸量，確保控制NH3的逃逸量≤3ppm以下；增加吹灰頻率，吹掃催化劑表面積灰，減少催化劑積灰及ABS粘結堵塞；通過前端生產工藝，提高煙氣溫度，若發現催化劑已經出現堵塞及中毒現象，通過前端生產工藝調整，將煙氣溫度提高到315℃以下運行一段時間，直至將硫酸氫氨蒸發脫除，實現催化劑在線再生。

表2 煙氣脫硝技術設計參數比較

3.1.2 最低噴氨溫度說明

由于在燃燒過程和SCR催化反應中都會產生SO3，當SCR溫度較低時，SO3，NH3，H2O就會發生反應生成[（NH4）2SO4]或[NH4HSO4]；這個反應過程與煙氣中SO3的濃度及煙溫有關。

催化劑最低的停止噴氨的溫度與煙氣中SO2濃度、NH3逃逸，堿性、砷氧化物，煙溫及催化劑的活性等參數有關，一般SO2濃度、堿性、砷氧化物含量越高，最低的停止噴氨的溫度越高，如果在低于最低停止噴氨的溫度下運行，會在催化劑內孔內形成氨鹽，堵塞催化劑微孔，降低催化劑活性，甚至催化劑中毒。在控制保護程序中將對此值進行限定，當煙氣溫度低于此值時，自動切斷噴氨系統。在確定系統的停止噴氨最低溫度時，同時需要考慮催化劑內部的情況，根據實際測量表明，在催化劑孔隙內的露點溫度要遠遠高于煙道中的露點溫度，這是因為孔隙中SO3，NH3的分壓力較高，考慮本項目SO2含量較低，但H2O含量很高，綜合考慮最低噴氨溫度按暫定300℃。

3.1.3 提高脫硝反應器安全穩定性的措施

為提高脫硝反應器安全穩定運行，設計時我方重點考慮以下幾個因素：反應器、煙道設計壓力為±6500Pa，瞬間抗暴壓力為±9800 Pa；煙道積灰厚度計算應基于最低允許煙氣流速為8 m/s時所剩余的截面作為積灰截面計算；考慮自重、風荷載、積灰、雪載、地震、腐蝕、內襯及保溫等；設置滾動或滑動支架，支架的設計荷載應考慮摩擦阻力，材料和潤滑劑應與滑動觸點的金屬底座相適應。支吊架的部件應進行強度計算，以保證其設計安全可靠；熱膨脹應力通過非金屬膨脹節消除，并按相關標準和規范采取保溫和防腐措施。要求膨脹節在各種工況條件下均應能吸收設備和管道的軸向和側向位移，以保護設備和管道免受損害和變形；煙道內煙氣流速不超過15m/s。催化劑區域內流速應小于5 m/s，孔道內流速應小于7m/s；通過方案優化使煙氣流經反應器阻力盡可能小；反應器入口應設氣流均布裝置，反應器入口及出口段應設導流板，對于反應器內部易磨損的部位應采取必要的防磨措施；反應器內部各類加強板、支架應設計成不易積灰的型式。

3.1.4 脫硝裝置設置在除塵器前后的對比方案以及可能會對生產造成的影響

脫硝裝置在除塵器前：溫度300℃-320℃有利于脫銷的催化反應提高脫銷效率和延長催化劑使用壽命。但煙氣濃度在10-16g/Nm3，會加劇對催化劑的磨損，降低催化劑使用壽命，另外尿素溶液噴入后反應過程中會形成硫酸銨等雜質，污染收塵料。

脫硝裝置在除塵器后：優點是煙氣凈化后對催化劑的磨損較小，硫酸銨等副產物不會污染收塵料。不足是煙氣溫降至260℃-280℃后，不利于脫銷催化效率。

對比以上方案，優選脫硝裝置在除塵器后。

3.2 主要建設內容

脫硝工藝采用SCR法，每臺高溫窯布置1臺 SCR反應器，反應器布置在除塵器后；脫硝系統不應設置煙氣旁路；催化劑采用蜂窩式催化劑，按“2+1”模式布置，催化劑支撐梁的層間高度不小于3米，最下層為預留層；采用氨水作為脫硝還原劑；脫硝系統范圍內的設備必須在無振動條件下運行，噪聲控制滿足GBZ1-2002《工業企業設計衛生標準》，設備運轉噪聲小于85dB；脫硝裝置的設計必須進行CFD數值模擬和物理模型冷態試驗，以此來優化煙氣參數的分布、最大化降低煙氣阻力和避免積灰；所有防腐材料保證期不少于15年；膨脹節使用壽命不少于10年；SCR有可靠的措施以防止SCR堵灰以及防止催化劑中毒的措施。

4 項目實施后減排量

通過表3可知每年減少外排氮氧化物128噸，對環境改善有較大的貢獻。

表3 改造前后氮氧化物排放對比

5 結論

選擇性催化劑還原法簡稱SCR，在一定的溫度和催化劑的作用下，以氨水作為還原劑，有選擇性地與煙氣中的氮氧化物反應并生成無毒無污染的氮氣和水。投產后，經過SCR脫硝裝置處理的煙氣，脫硝率可達92%。