鋁電解煙氣脫硫技術(shù)方案的選擇

勞善恕,趙志杰

(廣西華磊新材料有限公司,廣西 平果 531499)

當(dāng)前,我國環(huán)境狀況總體惡化的趨勢尚未得到根本遏制,環(huán)境矛盾凸顯,壓力繼續(xù)加大。隨著經(jīng)濟(jì)、企業(yè)的發(fā)展,環(huán)境問題已成為威脅人體健康、公共安全和社會穩(wěn)定的重要因素之一。而且隨著國家對非電工業(yè)大氣污染排放重視度的提升,非電領(lǐng)域工業(yè)的煙氣治理已成為國家重中之重的任務(wù)。目前國內(nèi)在2015年前建設(shè)的鋁電解系列的電解煙氣凈化系統(tǒng)設(shè)計,采用的標(biāo)準(zhǔn)大部份是2010年版國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB25465-2010),其中氟化物≤3 mg/Nm3、粉塵≤20 mg/Nm3、SO2≤200 mg/Nm3,基本沒有設(shè)置煙氣脫硫系統(tǒng)。凈化系統(tǒng)建成投產(chǎn)后,煙氣凈化氟化物、粉塵和SO2指標(biāo)分別達(dá)到<0.8 mg/Nm3、≤10 mg/Nm3和≤200 mg/Nm3,實際排放雖未超現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),但SO2能達(dá)標(biāo)排放主要靠采用成本極高的中、低硫陽極以及其它非正常手段。因此,鋁電解煙氣脫硫迫在眉睫。

1 鋁電解煙氣脫硫的必要性

1.1 環(huán)保政策的要求

近幾年來,為進(jìn)一步加強大氣污染防治工作,國家和地方政府對企業(yè)提出了比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求更高的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)電解鋁行業(yè)電解系列煙氣排放基本上要求按照2013年頒布的《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB25465-2010)修改單的指標(biāo)要求(氟化物≤3 mg/Nm3、粉塵≤10 mg/Nm3、SO2≤100 mg/Nm3)執(zhí)行,污染物排放特別是SO2的排放限值更加嚴(yán)格。以現(xiàn)有電解煙氣凈化系統(tǒng)的能力來看,SO2很難達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)排放限值的要求,更不能達(dá)到國家現(xiàn)行最嚴(yán)苛的超低排放環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求,為此亟需對煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行脫硫升級改造,以滿足更嚴(yán)苛的環(huán)保要求。

2020年6月29日,國家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《重污染天氣重點行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南》(2020年修訂版),電解鋁行業(yè)按照其裝備的技術(shù)水平劃分為A、B、C三級企業(yè),實行差異化減排管理,明確電解煙氣凈化將是否裝備脫硫裝置作為A級企業(yè)評判標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)沒有環(huán)保設(shè)施、環(huán)保設(shè)施不全或指標(biāo)不達(dá)標(biāo)等問題存在時,企業(yè)將面臨停產(chǎn)的風(fēng)險,因此爭創(chuàng)電解鋁行業(yè)A級企業(yè)已成為各企業(yè)是否做好環(huán)保工作的重要目標(biāo)。

1.2 企業(yè)經(jīng)營的要求

電解煙氣中的SO2主要來自于電解生產(chǎn)用的陽極。陽極的主要原料為石油焦,石油焦根據(jù)硫含量分為低硫焦(硫含量低于1%)、中硫焦(硫含量低于2.5%)和高硫焦(硫含量在2.5%以上),石油焦價格因含硫量不同而差別較大。低硫焦不僅價格較高,且產(chǎn)量有限,一般用于加工附加值更高的石墨化、電極制品。而電解生產(chǎn)為了降低成本,所有的陽極一般采用中高硫焦,含硫量在1.5%～3%之間,對應(yīng)電解煙氣中的SO2含量約為150～280 mg/Nm3。電解煙氣凈化系統(tǒng)中氧化鋁吸附干法凈化回收系統(tǒng)對SO2的吸收效果不明顯,不能降低電解煙氣中的SO2濃度[1],故需要增加電解煙氣脫硫系統(tǒng)來保證電解煙氣中SO2達(dá)標(biāo)排放。

通過凈化系統(tǒng)的脫硫凈化改造,可提高高硫焦摻配比例,降低陽極成本,同時通過凈化系統(tǒng)的改造可以減少大量的污染物排放[2],大幅減少企業(yè)上繳的環(huán)保稅額。根據(jù)《環(huán)境保護(hù)稅法》第十三條的規(guī)定,企業(yè)實際排放值低于排放標(biāo)準(zhǔn)30%的,按75%征收環(huán)境保護(hù)稅;低于排放標(biāo)準(zhǔn)50%的,按50%征收環(huán)境保護(hù)稅。因此,排放指標(biāo)越好,經(jīng)濟(jì)和社會效益就越好。同時,通過各種有效的凈化措施,可使企業(yè)在評定環(huán)保等級時占據(jù)優(yōu)勢,不會面臨停產(chǎn)的風(fēng)險,保證企業(yè)生產(chǎn)的正常效益。

1.3 企業(yè)社會責(zé)任的要求

企業(yè)都要肩負(fù)起應(yīng)有的社會責(zé)任、樹立良好的社會形象和示范作用,為了既達(dá)到現(xiàn)有環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的排放要求,又能適應(yīng)越來越嚴(yán)苛的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),一些電解鋁企業(yè)的脫硫改造升級已按照《重污染天氣重點行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南》(2020年修訂版)對A級企業(yè)的要求指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計,這樣不但能夠體現(xiàn)企業(yè)的社會價值,又能夠滿足在今后一段時期內(nèi)不需要再進(jìn)行環(huán)保改造的要求。

綜上所述,鋁電解煙氣脫硫不只是單一的環(huán)保改造項目,而且還關(guān)系到企業(yè)能否穩(wěn)定運營、保證后續(xù)電解生產(chǎn)等諸多環(huán)節(jié)的技術(shù)升級。此外,鋁電解煙氣脫硫的實施還有利于企業(yè)降低生產(chǎn)成本,有助于實現(xiàn)企業(yè)的社會責(zé)任、樹立良好的社會形象及發(fā)揮示范作用。因此,對鋁電解原有的煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行脫硫改造升級不僅是勢在必行,而且是生死攸關(guān)的大事。

2 鋁電解煙氣脫硫技術(shù)的簡介及技術(shù)方案的比選

2.1 鋁電解煙氣脫硫技術(shù)簡介

煙氣脫硫技術(shù)主要有海水脫硫技術(shù)、氨法脫硫技術(shù)、鈉堿法脫硫技術(shù)、鎂法脫硫技術(shù)、氫氧化鈣半干法脫硫技術(shù),以及石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)等。其中氫氧化鈣半干法脫硫技術(shù)和石灰石-石膏法濕法脫硫是目前電解鋁行業(yè)最普遍采用的兩種脫硫技術(shù)。

2.1.1 氫氧化鈣半干法脫硫技術(shù)

氫氧化鈣半干法技術(shù)是以氫氧化鈣為吸附劑,吸附煙氣中的有害成分(HF和SO2),吸附HF和SO2的氫氧化鈣變成氟化鈣和亞硫酸鈣(亞硫酸鈣進(jìn)一步氧化成硫酸鈣),經(jīng)布袋除塵器進(jìn)行氣固分離后輸送至返回倉中,再由罐車運走,副產(chǎn)物作為一般固廢進(jìn)行無害化處理。

該技術(shù)的優(yōu)點為:工藝設(shè)備較少,流程較短;全流程無廢水產(chǎn)生,不會造成二次污染。該技術(shù)的不足之處為:與濕法脫硫技術(shù)相比,半干法脫硫技術(shù)脫硫效率較低;半干法脫硫技術(shù)對于煙氣和物料控制要求較高,控制難度較高;半干法脫硫技術(shù)對于煙氣波動的耐受性較差,對于煙氣的進(jìn)口溫度、煙氣流量等參數(shù)要求較高;脫硫反應(yīng)器后需要配置布袋除塵器,系統(tǒng)整體阻力升高,能耗高導(dǎo)致運行成本較高;脫硫副產(chǎn)物較難綜合回收利用;部分地區(qū)冬季電解煙氣凈化出口煙氣溫度僅有50～60℃,難以滿足半干法脫硫系統(tǒng)入口邊界條件要求。

2.1.2 石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)

石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)是目前最普遍采用的濕法脫硫技術(shù),運行穩(wěn)定,脫硫效果高,更適用于大型鍋爐系統(tǒng)脫硫,廣泛應(yīng)用于電廠、鋼鐵等行業(yè)的煙氣脫硫。該方案以石灰石(石灰)漿液作為吸收液,吸收進(jìn)入吸收塔內(nèi)煙氣中的有害成分(HF和SO2),吸收HF和SO2后變成氟化鈣和亞硫酸鈣,然后通過加入的空氣將CaSO3氧化成CaSO4·2H2O,即石膏。

該技術(shù)的優(yōu)點如下:濕法脫硫技術(shù)應(yīng)用廣泛,方法成熟、可靠;濕法脫硫技術(shù)脫硫效率高;濕法脫硫技術(shù)對于煙氣波動耐受性強;濕法脫硫技術(shù)的脫硫副產(chǎn)物石膏可以綜合利用。該技術(shù)的不足之處主要體現(xiàn)在:耗水量大,且產(chǎn)生的廢水、廢液需經(jīng)過處理后排放;設(shè)備防腐要求高;設(shè)備較多,維護(hù)量較大,工藝流程較復(fù)雜。

2.1.2.1 濕法脫硫廢水產(chǎn)生機(jī)制

在脫硫過程中,廢水主要從以下兩個方面產(chǎn)生:一是在吸收塔內(nèi)石灰石漿液與廢水、廢氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的石膏漿,其中有大量的水分,必須經(jīng)過干燥脫水處理后才能進(jìn)行處置,脫水環(huán)節(jié)中必會導(dǎo)致大量廢水產(chǎn)生,是廢水產(chǎn)生的重要環(huán)節(jié)。二是需要用的泥漿儲罐與石灰石漿液濃度很高,容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生堵塞,需要用大量水進(jìn)行清洗,從而確保設(shè)備流程暢通,洗滌過程中的廢水也是脫硫廢水的重要組成部分。

2.1.2.2 濕法脫硫廢水處理技術(shù)概況

脫硫廢水不同于一般廢水,比較難處理,目前常見的處理方法主要有水力除灰法、化學(xué)沉淀法、化學(xué)沉淀-微濾膜法等。鑒于脫硫廢水具有獨特的化學(xué)性能,以及企業(yè)自身發(fā)展情況,各種脫硫廢水處理技術(shù)應(yīng)用不盡相同,每一種技術(shù)都有其優(yōu)缺點。其中,化學(xué)沉淀法是目前國內(nèi)冶煉行業(yè)最常用的技術(shù),不僅能充分利用石膏等副產(chǎn)品,降低運營成本,還能保證處理后水質(zhì)能達(dá)到一流標(biāo)準(zhǔn)。但該技術(shù)工藝較為復(fù)雜,靈活性較差,一旦廢水成分含量發(fā)生改變,就會出現(xiàn)運行加藥量與設(shè)計加藥量偏差過大的情況,且存在部分企業(yè)脫硫系統(tǒng)設(shè)計有缺陷及運行維護(hù)不到位,使得廢水排量較大。此外,處理過程不可避免會生成氯離子,目前尚無辦法徹底中和消除氯離子。因此,隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高,該方法使用具有一定的局限性。其它幾類脫硫廢水處理技術(shù)國內(nèi)使用案例較少,應(yīng)用前景差,在此不做贅述。

2.2 鋁電解煙氣脫硫技術(shù)方案比選

近年來,電解鋁行業(yè)電解槽煙氣凈化采用的脫硫技術(shù),主要為半干法脫硫及石灰石-石膏濕法脫硫兩種,通過對國內(nèi)部分電解鋁企業(yè)的了解,截止到2023年1月份,國內(nèi)鋁廠主要采用的脫硫方案對比如下:

表1 全國電解鋁脫硫方式統(tǒng)計 萬噸

根據(jù)圖1統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,全國采用濕法脫硫技術(shù)所占產(chǎn)能約為2 659.5萬噸,占比73.98%;采用半干法脫硫技術(shù)所占產(chǎn)能約為936.5萬噸,占比26.02%。濕法及半干法兩種脫硫工藝技術(shù)在電解鋁行業(yè)煙氣脫硫系統(tǒng)中均有應(yīng)用,但采用濕法脫硫技術(shù)的電解鋁企業(yè)占多數(shù)。半干法脫硫隨著應(yīng)用時間增長,暴露出系統(tǒng)阻力偏大、脫硫劑消耗大(鈣硫比大)、運行成本高、脫硫終產(chǎn)物難以處理等問題。目前電解鋁行業(yè)脫硫整體技術(shù)路線逐步傾向于濕法脫硫技術(shù)。

圖1 電解鋁煙氣脫硫系統(tǒng)對應(yīng)產(chǎn)能情況

圖2 脫硫系統(tǒng)對應(yīng)投資成本分析圖

從脫硫廢棄物處置來看,濕法脫硫技術(shù)副產(chǎn)物主要為石膏(CaSO4·2H2O),屬于有價值副產(chǎn)品,目前常用處理方式為外賣至水泥廠做水泥原料使用,或作為一般固廢填埋處理。半干法脫硫技術(shù)副產(chǎn)物主要為亞硫酸鈣(CaSO3),屬于一般固廢,主要為粉狀,目前處理方式主要為填埋處理?，F(xiàn)有的固廢處理也需要滿足嚴(yán)格的法規(guī)要求,因為其主要成分中亞性物質(zhì)含量較高,具有不穩(wěn)定性,有發(fā)生次生環(huán)保問題的風(fēng)險。

下文對濕法和半干法兩種脫硫系統(tǒng)進(jìn)行成本投資分析,以某電解鋁廠40萬噸產(chǎn)能脫硫系統(tǒng)投資為例,半干法脫硫系統(tǒng)投資均值在10 916萬元左右,而采用濕法脫硫系統(tǒng)投資均值在10 220萬元～10 460萬元左右?？梢姖穹摿蛳到y(tǒng)的投資成本低于半干法脫硫系統(tǒng)。

表2 某電解鋁廠40萬噸投資成本分析 萬元

綜上所述,無論是從投資成本、運行成本、脫硫效果還是從脫硫終產(chǎn)物處理難度及價值、技術(shù)應(yīng)用廣度來看,采用濕法的鋁電解煙氣脫硫技術(shù)方案具有巨大的優(yōu)勢,目前濕法脫硫技術(shù)已成為各電解鋁廠煙氣脫硫的首選方案。

2.3 一種新型的濕法脫硫工藝

由于鋁電解系列還存在電解煙氣流量大、含硫量低的特點,在采用濕法脫硫技術(shù)的同時,為了更進(jìn)一步節(jié)能降耗、減少企業(yè)運行成本,目前還有一種比傳統(tǒng)濕法脫硫技術(shù)更為高效的超細(xì)液滴濕法脫硫技術(shù)可供選擇應(yīng)用,其在降低投資成本、節(jié)能降耗、降低運行成本等方面比傳統(tǒng)濕法脫硫技術(shù)具有更大的優(yōu)勢。該技術(shù)主要基于石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)原理,通過采用超細(xì)液滴氣固液三相接觸線技術(shù)及凝聚除塵技術(shù),提高脫硫除塵效率,簡化脫硫主體反應(yīng)設(shè)備尺寸,節(jié)能降耗,取代常規(guī)濕法脫硫塔結(jié)構(gòu)束縛。由于氣固液三相接觸線處微觀多孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,利于脫硫反應(yīng)加速進(jìn)行,該技術(shù)還可通過液滴碰撞彈射實現(xiàn)霧化,通過折柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三相接觸線活化,大大提高脫硫效率。

超細(xì)液滴濕法脫硫技術(shù)已在燃煤鍋爐、水泥、石漠化爐等行業(yè)大量應(yīng)用,其在延續(xù)傳統(tǒng)濕法脫硫技術(shù)脫硫效率高、鈣硫比低、投資低優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,通過特定結(jié)構(gòu)、材料及表面處理,實現(xiàn)了液滴微米化,降低了傳統(tǒng)脫硫塔設(shè)備的高度及復(fù)雜的循環(huán)噴淋結(jié)構(gòu),大幅度降低了設(shè)備的投資成本及后期系統(tǒng)維護(hù)的工作量,該技術(shù)尤其適用于電解煙氣流量大、二氧化硫濃度低的工況條件,是鋁電解煙氣凈化脫硫領(lǐng)域的新型實用技術(shù),其技術(shù)先進(jìn)性期待進(jìn)一步驗證。

3 結(jié)語及建議

(1)鋁電解煙氣脫硫勢在必行,是環(huán)保的需要,也是鋁電解企業(yè)生存的前提。

(2)鋁電解煙氣濕法脫硫技術(shù)與半干法脫硫技術(shù)相比具有全方位的優(yōu)勢,已成為鋁行業(yè)電解煙氣脫硫的首選技術(shù)方案。

(3)超細(xì)液滴濕法脫硫技術(shù)相對傳統(tǒng)濕法脫硫技術(shù)來說,其投資成本低、后期維護(hù)工作量小且節(jié)能降耗效果良好,在鋁行業(yè)享有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

(4)在采用濕法脫硫技術(shù)的條件下,要考慮廢水的特性以及廢水零排放的措施。