鋁業(yè)典型煙氣硫硝排放特征研究

胡紅勝, 張正勇, 周善紅

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

鋁工業(yè)主要生產工藝過程包括鋁土礦開采、氧化鋁生產、電解鋁生產、鋁用炭素陽極及陰極生產等,各個不同生產過程中散發(fā)的主要污染物種類各不相同,鋁工業(yè)主要污染源及主要污染物如圖1所示[1]。

本文針對不同工序的鋁冶煉煙氣(氧化鋁焙燒煙氣、炭素陽極煅燒煙氣、電解鋁煙氣)進行現場采樣及監(jiān)測分析;考察鋁冶煉典型煙氣中的硫硝排放因子、細顆粒物濃度組分、氣氛組成等排放特征參數。研究硫/硝元素的賦存形態(tài)、遷移轉化及釋放規(guī)律。

1 炭素煅燒煙氣排放特征

1.1 陽極炭素生產工藝流程及產污節(jié)點

鋁用炭素煅燒煙氣中含有顆粒物、SO2和NOX等大氣污染物,焙燒爐煙氣中含有瀝青煙、粉塵(也可能為耐火料)、氟化物、SO2和NOX等大氣污染物。鋁用陽極炭素生產工藝流程及產污節(jié)點如圖2所示。

1.2 煅燒煙氣SO2和NOX濃度測試結果

炭素煅燒工序煙氣主要特點:煅燒煙氣量小、SO2濃度高,伴隨有NOX和粉塵。通過對不同企業(yè)煅燒煙氣進行測試,將折算到氧含量為15%時,煅燒煙氣SO2和NOX濃度測試結果分別見表1。由表1可以看出,煅燒煙氣SO2濃度與氧含量濃度有關;罐式爐比回轉窯煅燒煙氣中NOX濃度高;不同的煅燒工藝及操作管理,凈化系統(tǒng)漏風率不一樣,導致煙氣中氧含量變化比較大。

表1 炭素廠煙氣成分測試數據(氧含量換算到15%)

1.3 石油焦S含量與煅燒煙氣SO2濃度的關系

當煅燒煙氣氧含量折算到15%時,石油焦硫含量與煅燒煙氣SO2濃度關系如圖3所示。由圖3可以看出,鋁用陽極石油焦硫含量越高,煅燒煙氣中SO2濃度越高。

圖1 鋁工業(yè)主要污染源及主要污染物示意圖

圖2 陽極炭素生產工藝流程及產污節(jié)點圖

圖3 石油焦S含量與煅燒煙氣SO2濃度

1.4 煅燒煙氣NOX產生類型

由于罐式爐各層火道和料罐在正常生產時都處于密閉狀態(tài),火道內揮發(fā)分逸出和流動、火焰燃燒、火道負壓分布、高溫煙氣與物料的雙向傳熱等熱工過程極其復雜[2]。分別通過數值模擬與現場測試的手段對罐式爐火道、料罐端部的溫度進行模擬與測試(火道溫度測試序號1～7對應的測試位置分別是罐式爐首層、第二、三、四、六、七、八火道入口),如圖4與圖5所示。其結果表明罐式爐火道、料罐端部最高溫度均超過1200 ℃。通過化驗分析對比,石油焦煅燒后氮含量降低,煅燒煙氣NOX產生類型不是熱力型,為燃料型(原料型)。

圖4 火道溫度計算值與測試值對比

圖5 料罐端部溫度計算值與測試值對比

2 電解鋁煙氣排放特征

2.1 電解鋁生產工藝流程及產污節(jié)點

電解鋁廠排放大氣污染物主要為氟化物、顆粒物、SO2等。電解鋁廠主要大氣污染源為電解槽煙氣及其通風除塵系統(tǒng)。電解槽煙氣主要污染物是SO2、顆粒物和氟化物。電解鋁廠的氧化鋁一般采用濃相輸送,顆粒物產生主要來自氧化鋁及氟化鹽貯運,電解質破碎、殘極壓脫等工序。電解鋁生產工藝流程及產污節(jié)點如圖6所示。

圖6 電解鋁生產工藝流程及產污節(jié)點圖

2.2 電解鋁煙氣SO2濃度測試結果

電解鋁煙氣主要特點:煙氣流量大,SO2含量低,含有粉塵與氟化物,氧含量高,NOX含量極低。每噸鋁陽極凈耗約為410 kg,每噸電解鋁產生的煙氣量約為75,000～100,000 Nm3/t-Al。根據鋁用陽極中硫含量不同和不同電解槽容量煙氣量的差異,電解煙氣中SO2的濃度也會產生一定的差異。

表2 電解煙氣SO2排放濃度

電解煙氣干法煙氣凈化中氧化鋁對SO2的脫除效率很低。凈化系統(tǒng)排放口SO2排放濃度如表2所示,進入干法脫氟系統(tǒng)前的匯總管道SO2與NOX排放濃度如表3所示。電解煙氣中SO2的濃度與陽極中硫含量密切相關,電解煙氣中SO2濃度一般在50～200 mg/Nm3范圍內。當煅燒用石油焦采用低硫焦時,即在電解槽生產用陽極中硫含量小于1.1%時,不用脫硫設施,電解煙氣中SO2濃度就能滿足《鋁工業(yè)污染物排放》修改單要求。

表3 電解煙氣SO2排放濃度

3 氧化鋁煙氣排放特征

3.1 氧化鋁生產工藝流程及產污節(jié)點

從礦石提取氧化鋁的生產方法多種多樣,目前在工業(yè)上采用的是堿法,主要原料是鋁土礦、堿和石灰(石灰石)。國內工業(yè)生產氧化鋁的技術主要有燒結法、拜耳法(包括選礦拜耳法)、聯合法三種。其中,燒結法、聯合法由于生產能耗較高,除少部分特種氧化鋁生產仍采用燒結法外,其他均為拜耳法工藝[3]。氧化鋁生產工藝流程及產污節(jié)點如圖7所示。

圖7 氧化鋁生產工藝流程及產污節(jié)點圖

3.2 氧化鋁焙燒煙氣SO2和NOX濃度測試結果

氧化鋁廠焙燒爐SO2排放濃度取決于燃料硫含量,焙燒氣源有天然氣和自制煤氣。由表4可見,使用天然氣的焙燒煙氣SO2排放濃度一般在10 mg/Nm3以下。天然氣成本較高,使用自制煤氣發(fā)生爐煤氣的占較大比重。氧化鋁廠焙燒爐煙氣SO2平均濃度范圍為35～180 mg/Nm3。

表4 氧化鋁廠焙燒爐煙氣SO2排放濃度統(tǒng)計

表5 氧化鋁廠焙燒爐煙氣NOx排放濃度統(tǒng)計

由表5可見,氧化鋁工序的氫氧化鋁焙燒爐采用天然氣和企業(yè)自制煤氣時,其NOx排放量存在較大的差異。監(jiān)測數據顯示如采用天然氣作為燃料,其NOx<100 mg/Nm3,使用企業(yè)自制煤氣,NOx在200～300 mg/Nm3,使用天然氣與煤氣摻燒,NOx可以達到200 mg/Nm3以下。

由現場測試結果可以得出表6。

(1)氧化鋁廠焙燒爐煙氣出口溫度150～200 ℃;

(2)SO2濃度范圍為5.7～77.1 mg/Nm3,與不同企業(yè)煤氣潔凈度,焙燒爐控制水平有關;

(3)NOx濃度范圍127～429 mg/Nm3,燒煤氣普遍比摻燒濃度高;

(4)單獨電收塵后的粉塵濃度50 mg/Nm3左右。

由表6可見,不同燃料類型對焙燒煙氣NOx濃度影響如圖8所示。

表6 氧化鋁焙燒煙氣SO2和NOx濃度(實測數據)

圖8 氧化鋁焙燒煙氣NOx濃度

混燒NOx濃度一般在150 mg/Nm3左右,單燒煤氣NOx濃度一般在250～430 mg/Nm3。因氧化鋁焙燒爐火焰溫度為1400～1500 ℃以上,NOx生成機理為熱力型。

4 結 論

通過對鋁業(yè)典型煙氣排放特征進行研究,得出以下主要結論:

(1)炭素煅燒煙氣量小、SO2濃度高,伴隨有NOx和粉塵。鋁用陽極石油焦硫含量越高,煅燒煙氣中SO2濃度越高;煅燒煙氣SO2濃度與氧含量濃度有關,不同的煅燒工藝及操作管理,凈化系統(tǒng)漏風率不一樣,導致煙氣中氧含量變化比較大。罐式爐比回轉窯煅燒煙氣中NOx濃度高;煅燒煙氣中NOx產生類型為原料型。

(2)氧化鋁廠焙燒爐煙氣SO2平均濃度范圍為35～180 mg/Nm3;混燒NOx濃度一般在150 mg/Nm3左右,單燒煤氣NOx濃度一般在250～430 mg/Nm3;氧化鋁焙燒煙氣中NOx產生類型為熱力型。

(3)電解煙氣量大,SO2濃度低,氧含量高,大約97%為空氣。電解煙氣中SO2濃度一般在50～200 mg/Nm3范圍內。

(4)為炭素陽極煅燒煙氣、電解鋁煙氣、氧化鋁焙燒煙氣的凈化處理方案確定提供參考依據。