氫氧化鋁焙燒爐煙氣脫硝技術探析

桑海波

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

鋁行業因地域分布與“2+26”涉及范圍有很大重疊，因此成為受影響較大的行業之一。其中鋁行業特別排放限值參照《鋁工業污染物排放標準及修改單》(GB 25465-2010)的要求。該修改單對大氣污染物特別排放限值做了調整，顆粒物、二氧化硫指標大幅下調收緊，并新增了氮氧化物（以NO2計）特別排放限值。

面對各行業環保治理標準日趨嚴苛的趨勢，各大氧化鋁企業陸續將氫氧化鋁焙燒爐煙氣治理項目提上日程[1]。環境治理改造投資較大，為確保國家繼續提高排放標準時無須再次進行改造升級，各大氧化鋁企業紛紛將排放標準提高到超低排放的水平，即粉塵排放小于5mg/Nm3、氮氧化物排放小于50mg/Nm3。在此背景下，氫氧化鋁焙燒爐“低氮燃燒+選擇性非催化還原（SNCR）+選擇性催化還原（SCR）”復合脫硝技術應運而生，并得到了快速的推廣和應用。

1 脫硝技術概述

根據氫氧化鋁焙燒爐的生產工藝過程和特點，為達到氮氧化物超凈排放的目標，同時考慮到脫硝技術方案的低成本、安全、節能、穩定等因素，我院率先提出了在生產過程中對氮氧化物進行治理的技術路線，同時分兩段對已生成的氮氧化物進行還原，一段是選擇性非催化還原技術（SNCR），二段是選擇性催化還原技術（SCR），還原劑采用尿素。

2 低氮燃燒技術

氮氧化物的形成機理分為熱力型、燃料型和快速型三種。我院對焙燒爐生產過程進行了Fluent流體仿真模擬。結果表明，氫氧化鋁焙燒爐在燃料燃燒過程中生成的氮氧化物為熱力型和燃料型，其中又以熱力型占主導影響。研究表明，只有溫度高于1500℃時，熱力型氮氧化物的生成反應才明顯起來，且生成速度與氧分子濃度的0.5次方成正比，并隨溫度的上升總得反應速度增大。低氮燃燒技術主要包括燃燒優化、空氣分級、氫氧化鋁均勻布料等技術。

2.1 燃燒優化

采用分散燃燒技術降低火焰燃燒溫度。更換原有直噴式噴嘴，采用分散火焰燒嘴。改造前火焰主要集中于窯爐中部，致使燃燒區局部溫度高，氮氧化物生成量大。

圖1 火焰形狀變化

2.2 空氣分級

主要是在C01至P04連接管引出部分高溫空氣接至P04，減小進入P04燃燒室部分的空氣量，降低該區域的空氣過量系數，從而降低高溫區的氧含量，使燃燒室處在貧氧還原氣氛下，抑制氮氧化物的生成。

2.3 氫氧化鋁均勻布料

主要為P02下料優化，P02下料管由原來的單點下料，改為兩點下料。改造后濕氫氧化鋁與熱煙氣能夠快速充分接觸，加快反應速率，以達到降低焙燒溫度和減少局部過熱現象，可以有效抑制一部分氮氧化物的生成。

2.4 存在的問題

低氮燃燒改造雖取得了良好的效果，但是也存在一定的問題：

（1）改造局限性：P02下料管進出口兩端高差有限，又要確保一定的坡度才能保證下料順暢，因此在改造過程中無法實現多點下料，甚至有些爐型連兩點下料都無法進行，限制了該項技術的實際應用。

（2）空氣分級控制問題：空氣分級技術需要準確控制空氣的分配比例，才能保證燃料燃燒的穩定性和充分性。因此后續生產中對流量的控制要求較高，需要在生產過程中逐步摸索。

3 選擇性非催化還原技術（SNCR）

3.1 SNCR技術原理

SNCR技術是一種成熟的商業性氮氧化物處理技術，在火電廠和鍋爐行業已經廣泛應用。SNCR方法主要在850～1100℃下，將含氨的化學劑噴入貧燃煙氣中，將NO還原，生成N2和水，以有效的避免還原劑與貧燃煙氣中氧氣的大量反。

SNCR技術是在無催化劑存在條件下向爐內噴入還原劑（液氨或尿素），將NOx還原為N2和H2O。在950℃左右溫度范圍內，反應式為：

當溫度過高時，會發生如下的副反應，又會生成NO：

當溫度過低時，又會減慢反應速度，所以溫度的控制是至關重要的。氫氧化鋁焙燒爐P04上段及出口部分的溫度恰好在900～1000℃，恰好處于SNCR的最佳反應溫度。

3.2 SNCR技術工藝流程

SNCR技術由還原劑制備儲存系統、循環輸送模塊（HFD模塊）、稀釋計量模塊、分配模塊、背壓模塊（PCV模塊）、多層還原劑噴射裝置和與之相匹配的控制儀表等組成。

SNCR系統脫硝過程是由下面四個基本過程完成：接收和儲存還原劑、還原劑的計量輸出、與水混合稀釋、在窯爐合適位置注入稀釋后的還原劑、還原劑與煙氣混合進行脫硝反應。

3.3 SNCR技術關鍵

（1）噴槍位置的選擇：噴槍位置的選擇不僅要選擇最佳的溫度區間，還要考慮NOx/NH3分布均勻。氫氧化鋁焙燒爐旋風分離器出口溫度在950℃左右，恰好處于SNCR的最佳反應溫度。

（2）噴槍的選擇：本技術所選擇的噴槍，具有霧化效率高、耐高溫、耐腐蝕、噴射角可調、防堵塞等特點，能夠達到最佳的反應效果。

（3）尿素溶液濃度調整：本技術設計了尿素溶液濃度自動調節功能，增強了系統對煙氣中NOx濃度的適應性。

3.4 SNCR技術存在的問題

本技術選擇尿素溶液作為還原劑，導致在流程中帶入了一定量的水。這部分水需要在生產過程中蒸發掉，因此會造成煤氣消耗量的增加。

4 選擇性催化還原技術（SCR）

4.1 SCR技術原理

選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術原理：煙氣中的NOx與噴入的NH3在脫硝催化劑的催化作用下反應生成H2O和N2，其主要反應過程如下反應式所示。

圖2 SCR反應原理示意圖

中溫SCR反應溫度正常在280～400℃，中低溫SCR反應溫度在180～280℃，其穩定運行溫度主要因為催化劑受制于煙氣中SO2等物質的影響。

4.2 SNCR技術工藝流程

系統主要由SCR反應器、催化劑、煙道系統、還原劑制備系統、輸送、計量、熱解系統、噴射系統等組成。項目中需對P02至A02間煙道進行改造，以便滿足脫硝需要。改造后符合脫硝溫度的煙氣引出，經過脫硝反應器后，送回煙道，不設置旁路閥門。

4.3 SCR技術關鍵

（1）SCR反應器位置的選擇：SCR反應需要合適的溫度，再加上SCR反應器本體外形尺寸較大，又要考慮到對原系統的影響，因此反應器位置的選擇尤為關鍵。本技術將反應器安裝在P02下降管上部，此處煙氣溫度280～400℃，恰好處于最佳反應溫度區間。

（2）催化劑的選擇和保護：焙燒爐生產過程中有可能出現異常高溫，尤其是在烘爐過程中，因此選擇催化劑時要考慮一定的耐高溫性能，以免催化劑因為異常高溫而失效。

4.4 SCR技術存在的問題

本技術在焙燒爐原生產流程中加入了催化劑，達到了很好的凈化效果。但是，會造成系統阻力的增大。經測算，按照增加兩層催化劑考慮，系統阻力會增加500～600Pa。因此需要對原引風機能力進行核算，若出力不夠，需對引風機進行改造。

5 焙燒爐煙氣“低氮燃燒+SNCR+SCR”復合脫硝技術的應用情況

2017年，山東魏橋集團率先啟動焙燒爐煙氣脫硝治理項目，經過多方案比選及工業試驗，最終選擇“低氮燃燒+SNCR+SCR”復合脫硝技術進行大范圍應用。2019年初，該公司已先后完成近30臺焙燒爐的脫銷改造，取得了良好的減排效果。

6 結語

國內多個氧化鋁企業的成功應用表明，氫氧化鋁焙燒爐經過“低氮燃燒+SNCR+SCR”復合脫硝技術改造后，氮氧化物排放達到了“超低排放”的標準，該技術值得氫氧化鋁焙燒爐煙氣脫硝治理提供借鑒。