一種新型氧化鋁高溫煅燒煙氣凈化工藝流程及工程應用

羅存存

（中國鋁業股份有限公司，北京 100082）

高品質氧化鋁因其具有高熔點、高硬度、良好的耐磨性和機械強度，成為制造磨料磨具和耐火材料的理想原料[1-3]。生產氧化鋁的高溫煅燒工藝是以氫氧化鋁為原材料，經高溫煅燒脫除附著水和結晶水，通過晶型轉變和再結晶反應生成氧化鋁[4]，煅燒生成的氧化鋁有α和γ兩種晶型結構[5-8]。

氫氧化鋁煅燒生成氧化鋁是一個強吸熱過程，因此煅燒過程必須源源不斷地提供燃料[9]。為避免雜質影響煅燒過程和產品品質，往往選用天然氣、煤氣（脫硫后煤氣）等優質氣態燃料，煅燒產生煙氣經除塵收集氧化鋁后排出[10，11]。

高溫煅燒氧化鋁產生的煙氣中攜帶大量的氧化鋁粉塵，且煅燒煙氣中含有大量的水汽，固體、氣體和液體顆粒物排放后在大氣中構成相對穩定的懸浮體系。此外，因高溫煅燒環境而產生的氮氧化物（NOx），主要包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等幾種。這些氮氧化物的危害主要包括：①NOX對人體及動物的致毒作用；②對植物的損害作用；③NOX是形成酸雨、酸霧的主要原因之一；④NOX與碳氫化合物形成光化學煙霧；⑤NOX也參與臭氧層的破壞。

隨著我國大氣污染形勢不斷嚴峻，國家制定出臺了一系列的法律法規和技術政策。《鋁工業污染物排放標準》對煙氣排放中顆粒物及SO2濃度做出了要求，而《鋁工業污染物排放標準》（GB 25465-2010）修改單中追加了對NOx濃度的要求。現對氧化鋁廠煙氣排放的污染物濃度限值如表1所示。

本文通過分析氧化鋁高溫煅燒煙氣特性，結合現有成熟的煙氣凈化工藝設備，提出了一套可靠的煙氣凈化流程——金屬濾袋除塵器+低溫SCR脫硝聯合工藝。

表1 現有和新建企業大氣污染物濃度限值單位：mg/m3

1 氧化鋁高溫煅燒煙氣特點

特種高溫氧化鋁煅燒選用的窯爐一般為回轉窯，入窯的氫氧化鋁在高溫窯內隨窯體轉動，物料由窯尾送至窯頭，煅燒后的氧化鋁經窯頭下料口落入冷卻機，煙氣經一、二次旋風收塵回收氧化鋁粉末，由窯尾凈化系統后排放[12，13]。

（1）粉塵含量：高溫煅燒窯反應過程中固體物料與煙氣直接接觸換熱，經旋風收塵后，每標準立方米煙氣中含有粉塵幾十至上百克。原有粉塵處理工藝為：旋風收塵+電除塵系統，其排放煙氣顆粒物濃度降低至100mg/m3，但隨著煙氣排放指標的提高，電除塵已無法滿足顆粒物煙氣排放指標的要求。

（2）NOx含量：窯內煅燒溫度一般控制在1150℃～1300℃，燃燒火焰溫度高達1700℃。在燃燒過程中，空氣中的N2在高溫下氧化生成NOx，出口煙氣NOx濃度在200～450mg/m3之間。

（3）H2O含量：煅燒氧化鋁所用的氫氧化鋁一般帶有10%左右的附著水，高溫窯煅燒煙氣含水量一般可達20～50vol%。

（4）SO2含量：高溫窯煅燒煙氣中SO2來自燃料中的H2S，而氣態燃料一般會經過脫硫后再作為燃料，因此煙氣中SO2含量低于100mg/m3，無需增設脫硫設備。

2 工藝流程

2.1 除塵工藝

高溫煅燒煙氣中顆粒物為氧化鋁細粉，需返回生產系統，需配置除塵設備回收氧化鋁，常規配置兩臺旋風氣固分離器。現常用的兩種除塵工藝為電除塵和布袋除塵，這兩種除塵工藝在氧化鋁高溫煅燒煙氣凈化中難以得到應用。

電除塵器無法達到顆粒物10mg/m3的排放要求，主要是由于煅燒煙氣溫度較高，且氧化鋁顆粒物粒徑較小，使氧化鋁超細粉塵很難在電場作用下荷電。

布袋除塵器在除塵工藝中極為常見，具有除塵效率高、運行穩定的優點。但布袋除塵器的使用受煙氣溫度限制，最高運行煙氣溫度在160℃～170℃之間，當煙氣溫度過高時易發生燒袋現象，而氧化鋁高溫煅燒煙氣溫度一般在260℃～290℃之間，無法使用布袋除塵器進行煅燒煙氣凈化除塵。

金屬濾袋[14]除塵是用金屬濾袋取代紡織濾袋的一種袋式除塵技術，近年來逐漸在高溫工業煙氣凈化領域發展起來。耐高溫金屬濾袋是使用金屬纖維或金屬粉末，經壓制、燒結制成的金屬間化合物多孔過濾材料，并經焊接加工制成濾袋形式。金屬濾袋具耐高溫性、耐強酸強堿、機械強度高等特點，且具有一定柔性，解決了高溫工業煙氣中粉塵顆粒高精度攔截的難題，是理想的高溫煙氣除塵材料。

金屬濾袋除塵器與布袋除塵器的殼體鋼結構、輔助系統相同，僅將紡織濾料更換為金屬濾料，技術工藝、設計建設基本成熟，其應用于高溫煅燒煙氣凈化系統中主要有以下優點：

（1）耐高溫、耐腐蝕、耐磨性好。金屬濾袋適用于溫度較高環境運行，在工業窯爐啟停過程中，有過高溫度煙氣通過濾袋時，不必擔心濾袋高溫燒損；同時金屬濾袋具有較高的耐腐蝕性和耐磨性，可有效延長濾袋在高硬度氧化鋁粉末磨損下的使用壽命，降低濾袋更換頻率。

（2）顆粒物攔截效率高。金屬濾袋可有效攔截粒徑為0.5μm以上的粉塵顆粒，除塵效果良好，可以保證煙氣出口顆粒物濃度穩定在10mg/m3以下，達到環保標準要求。

（3）工藝設備技術成熟，運行穩定。金屬濾袋除塵器的結構、殼體設計和輔助系統與布袋除塵器相同，在系統建設和運行方面均可參考袋式除塵器，使得生產系統更加穩定可靠。

2.2 脫硝工藝

氧化鋁高溫煅燒煙氣中含有大量的氧化鋁顆粒，氧化鋁顆粒具有硬度高和粒徑小的特點，若氧化鋁煅燒煙氣未經除塵直接進入脫硝裝置，會對脫硝催化劑造成堵塞和磨損，使得催化劑維護頻繁、損耗嚴重[15]。同時，氧化鋁粉末需返回生產系統，煙氣在脫硝過程中接觸催化劑，使得氧化鋁受到污染，對后續生產過程造成影響。因此，氧化鋁高溫煅燒煙氣的脫硝裝置一般設置在除塵裝置之后。

中溫選擇性催化還原法（SCR）脫硝是目前鍋爐煙氣脫硝使用比較普遍的煙氣治理工藝技術，該技術運行溫度一般要求在300℃～420℃[16]，若煙氣溫度過高容易發生催化劑燒結；而煙氣溫度過低則無法保證催化劑活性，從而降低脫硝效率，在實際應用中具有一定的局限性。高溫煅燒窯煙氣溫度較低，一般在260℃～290℃左右，因此無法使用中溫SCR脫硝工藝。

為了降低溫度對SCR脫硝工藝的影響，逐漸研發出低溫SCR脫硝催化劑。低溫SCR脫硝技術是催化劑在220℃～300℃之間[15]保持良好的催化活性，還原劑選用液氨、氨水或尿素分解產生的氨氣，煙氣進入脫硝反應器，在催化條件下，煙氣中的NOx被還原，其化學反應式如下：

將低溫SCR脫硝反應器布置在煙氣除塵后，煙氣含塵量大大降低，從而不會對催化劑造成磨損，同時降低催化劑高溫燒結的風險，適用于氧化鋁高溫煅燒窯的煙氣凈化。

2.3 金屬濾袋除塵+低溫SCR脫硝聯合凈化工藝

（1）煙氣溫度較高，且啟停爐煙氣瞬時溫度偏高，煙氣溫度波動大；

（2）煙氣顆粒物主要為氧化鋁，具有一定經濟價值且硬度較高。因此根據煙氣的特點提出了金屬濾袋除塵+低溫SCR脫硝聯合凈化工藝，其工藝流程如圖1所示。

圖1 金屬濾網+低溫SCR工藝在高溫煅燒煙氣凈化中流程示意圖

煙氣首先經過金屬濾袋除塵器，大部分氧化鋁在此被攔截，一方面避免了氧化鋁顆粒磨損SCR脫硝催化劑，另一方面避免催化劑污染氧化鋁產品。除塵后煙氣顆粒物含量≤10mg/m3，進入低溫SCR脫硝工藝，避免催化劑燒結和磨損，降低催化劑更換頻率。整套工藝設備經工業化運行驗證，是穩定的、可靠的，為氧化鋁高溫煅燒煙氣除塵脫硝提供了成熟的凈化工藝系統。

3 實際案例

3.1 煙氣參數

山東某材料公司于2017年對廠內兩臺高溫煅燒窯進行大氣污染物綜合防治改造，高溫煅燒系統煙氣經旋風氣固分離器后，出口煙氣參數如表2所示（單臺窯爐）。

3.2 除塵改造

山東某材料公司環保設計改造要求煙氣出口顆粒物排放濃度≤10mg/m3，由于煙氣溫度過高，且氧化鋁顆粒比電阻較低，顆粒物不易在電場中荷電，將原有電除塵器更換為金屬濾袋除塵器。

本次除塵改造設計除塵效率不低于99.9%，除塵效率定義見公式4-1：

式中：

θ—除塵效率（%）；

表2 單臺氧化鋁煅燒回轉窯煙氣參數

表3 金屬濾袋除塵器設備參數

C2—金屬濾袋除塵器的出口煙氣中顆粒物濃度（mg/m3）；

有了輪椅，父親想聽書聲瑯瑯，想去蹲蹲村小廁所了。這都是李打油惹的，他說廁所當初蠻超前，男生這邊屁股對屁股四十個蹲位，可他最近一次進去居然客滿，不過，齊刷刷兩排小屁股，真叫人看得心花怒放。我父親堅決要去，不由他，又癱在床上不能動怎么辦？去了自然也要看教學大樓。哪曉得，他參觀學校回來，情緒并不好，悶悶的，不知是否為不能自主如廁而懊惱。

C1—金屬濾袋除塵器的入口煙氣中顆粒物濃度（mg/m3）。

除塵改造將原電除塵器改為金屬濾袋除塵器，改造金屬濾袋除塵器設備參數如表3所示。

金屬濾袋除塵工藝共包括以下部分：

（1）除塵器殼體及煙氣系統：除塵器露天布置，內部設導流板使煙氣均勻進入濾袋，袋區過濾風速小于1m/min，保障煙氣除塵效率。

（2）反吹系統：利用壓縮空氣及脈沖閥進行濾袋反吹，將金屬濾料攔截的氧化鋁粉末吹落至底部灰斗。

（3）輸灰系統：灰斗的容積滿足連續運行8h的集塵量，將氧化鋁粉末收集在除塵器底部，經氣力輸灰系統打回氧化鋁粉倉。

3.3 脫硝設計

本次環保設計改造要求出口NOx排放濃度≤100mg/m3，低溫SCR脫硝系統設置在煙氣除塵后，設計在每臺金屬濾袋除塵器后再新建1套低溫SCR脫硝裝置（整體工程新建2套），脫硝反應器與還原供應系統按照煙氣脫硝效率不低于75%設計，脫硝效率定義見公式4-2：

式中：

η——脫硝效率（%）；

C4—低溫SCR反應器的出口煙氣中NOx濃度（mg/m3）；

C3—低溫SCR反應器的入口煙氣中NOx濃度（mg/m3）。

脫硝還原劑選用尿素溶液。脫硝工藝共包括以下部分：

（1）SCR反應裝置：低溫SCR反應器安裝在獨立的鋼結構平臺上，煙氣在反應器入口煙道內與噴射的還原劑充分混合進入反應器，與催化劑接觸進行選擇性脫硝反應，達到煙氣凈化的目的。

催化劑按照2+1（兩用一備）設置，由下至上第一層為預留層，催化劑選用低溫SCR催化劑，催化劑模塊的吊裝及設備的吊裝由吊機完成。

（2）還原劑系統：選用尿素作為脫硝還原劑，尿素在溶解罐內用除鹽水制成40%～60%的尿素溶液后送至尿素儲存罐，經分配系統、稀釋系統后定量噴射入反應器煙道內與煙氣進行混合。

（3）吹灰系統：脫硝吹灰器選用聲波吹灰器方式，每臺反應器每一層催化劑布置1臺聲波吹灰器，定時吹掃以確保運行中煙氣和催化劑的充分接觸反應。

山東某材料公司高溫煅燒窯大氣污染物綜合防治改造工程于2018年1月竣工投運，至今煙氣凈化系統運行穩定，無煙氣污染物超標現象，驗證了金屬濾袋除塵+低溫SCR聯合工藝的穩定性和可靠性。

4 結論

在空氣污染形勢日益嚴峻的今天，本文提出了一種工業化應用成熟的金屬濾袋除塵+低溫SCR脫硝聯合煙氣凈化系統，該工藝系統在氧化鋁高溫煅燒窯爐后對煙氣進行凈化，使煙氣顆粒物及NOx均可達標排放。基于山東某材料廠氧化鋁煅燒煙氣凈化案例，對本工藝設備實踐運行表明：金屬濾袋除塵器具有良好的除塵效果，且不易受到煙氣溫度影響；低溫SCR脫硝系統對NOx具有良好的脫除效果，且脫硝系統設置在除塵系統后可有效防止催化劑的磨損，有效降低運行成本。本文所提出的金屬濾袋除塵+低溫SCR脫硝聯合工藝，經實踐運行證明具有良好的煙氣凈化效果，可為氧化鋁高溫煅燒窯煙氣治理減排提供借鑒。