SCR脱硝技术在有色金属行业应用分析
【谷腾环保网讯】1 有色金属行业氮氧化物污染物排放现状
1.1 有色金属行业发展现状及趋势
根据国民经济[1]统计，我国有色金属行业涉及金属共计64种，其中包括重金属、轻金属、贵金属、半金属以及稀有金属五大类。根据中国有色金属工业协会行业统计年鉴[2]可知，2016年铝产量、铜产量、铅产量分别占到行业总产量的74%、11%和7%。2016年有色金属冶炼企业共计1156家，至2017年发证的有733家（铜218家、铅锌365家、电解铝150家），主要分布在湖南、广东、河南、山东、云南、陕西、山西、宁夏、贵州、内蒙古等地区。
图1 有色金属分类
有色金属是我国七大工业耗能大户之一，是推进节能降耗的重点行业。我国有色金属工业能源消耗主要集中在矿山、冶炼和加工三大领域。中国有色金属矿产资源的特点是小矿多、大矿少；贫矿多、富矿少；共生矿多、单一矿少；难选冶矿多、易选矿少，由此造成选冶流程长，工艺复杂，直接导致能耗高、水耗大、污染物排放量大。同时随着生产规模的不断扩大，能源消耗、“三废”排放总量还在增加，产业节能减排的任务十分艰巨。
1.2 有色金属行业氮氧化物来源及污染现状
近年来全国NOx排放总量及2020年行业分布数据如下[3]。
表1 2020年全国及分源氮氧化物排放情况
图2 2020年各工业行业氮氧化物排放情况
含有色金属行业在内的其他行业氮氧化物排放量达到了88.51万吨，占工业排放总量的五分之一以上。其中铜、铝、铅、锌四大常用金属产量占比达到96.07%。因此主要污染体量在铜、铝、铅、锌四大冶炼领域。
2有色金属行业污染物排放标准及政策
有色金属冶炼行业污染物排放标准颁布于2010年，在此之前执行《工业炉窑大气污染物排放标准》和《大气污染物综合排放标准》。由于综合类排放标准针对性不强，且污染物项目存在缺失，有色金属冶炼行业污染物治理技术已经明显落后于其他工业领域。2012年8月，国务院发布《节能减排“十二五”规划》。《规划》在“十一五”节能、COD和SO2这三个约束性指标的基础上，在“十二五”期间新增了氮氧化物和氨氮这两个污染物减排的指标，形成了五个约束性目标。
自铜、铅、铝、镁、钒等工业污染物排放标准的相继执行，有色行业才正式拉开了环境治理的序幕。截至目前，我国针对有色金属行业共发布实施11项污染物排放标准，其中行业污染物排放标准共计9项，大气和水综合排放标准2项。
表2有色金属行业NOx排放标准
3 有色金属行业烟气特点及氮氧化物控制技术
3.1 有色金属工业烟气特点
有色金属冶炼烟气污染物与具体冶炼工艺有关，大气污染物主要有烟尘、二氧化硫、氮氧化物，部分含重金属、砷等。有色火法冶炼烟气特征明显，炉窑多为周期操作，烟气量波动明显；烟气发生量小，目前国内最大的铜铅冶炼项目，工艺烟气量仅仅100000 Nm3/h，小型稀贵金属项目甚至小于1000 Nm3/h；烟气中酸性污染物浓度极高，介于1000～300000 mg/Nm3，酸露点超过250℃；烟气含多类重金属、砷、汞等物质。以上这些烟气特点均增加了脱硝的难度和投资成本。
3.2 有色金属行业氮氧化物控制技术
氮氧化物减排或控制技术主要有燃烧过程控制技术和烟气处理技术两大类。燃烧过程控制技术包括低氮燃烧技术、分级燃烧技术；烟气处理技术俗称脱硝技术，包括选择性非催化还原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）和选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR），还包括选择性非催化还原-选择性催化还原联合法、氧化吸收法、电子束分离法等。
2020年中华人民共和国住房和城乡建设部国家市场监督管理总局联合发布了GB 51415-2020《有色金属冶炼废气治理技术标准》，对有色行业的脱硝处理作出以下规定：对要求脱硝效率不小于40%的废气，宜选用选择性催化还原脱硝或选择性非催化还原+选择性催化还原混合脱硝等工艺；对要求脱硝效率小于40%的废气，宜选用选择性非催化还原脱硝等工艺[4]。
4 SCR技术应用
SCR法的原理为：采用催化剂降低反应活化能，在收尘器后或者预热器出口处将还原剂氨或者尿素喷入，在300~450℃低温度范围内，选择性地和NOx反应，将NOx还原成N2。它的优点是氨逃逸率低达3×10-6~5×10-6，脱氮效率高达80%~90%，使废气中的NOx浓度降至100 mg/m3~200 mg/m3。常规SCR技术催化剂主要钒钛基催化剂，成分是TiO2、V2O5和WO3等氧化物，这些活性物质分布在陶瓷基质上。目前SCR技术在有色金属行业应用案例有限，但可以预见的是，随着技术的发展和环保标准的提高，SCR脱硝将成为主流技术。
但有色金属行业复杂的工况环境、高投入、高维护费用和阻力高等不利因素制约了常规SCR技术在有色金属行业的应用。
（1）温度限制：据了解，催化剂当今最普遍应用的是多孔TiO2(载体)做成蜂窝状模块化，载体表面敷有起催化作用的活性成分V2O5和WO3，反应温度在220～400℃为佳。而在有色金属冶炼窑炉中，烟气出口的温度已降到300℃以下，装SCR的实际脱硝效果受到一定的影响。对这样的烟气，已不再适合装设常规SCR系统。
（2）粉尘限制：有色金属冶炼烟气组分复杂，往往含有大量砷、多种重金属等易致催化剂中毒的物质。
（3）酸性环境限制：有色金属冶炼烟气含大量酸雾，易与催化剂中的V2O5反应从而使催化剂中毒，降低催化剂的活性。
受上述因素影响，常规SCR技术在有色金属企业应用受阻。
目前低温SCR工艺最核心的问题依然是低温催化剂的研制。能够适合SCR尾部布置和其他低温应用的需要，同时又可以减少对烟气进行再加热，能够高效脱除烟气中的NOx，这就必然要求催化剂的活性温度窗口在100-180℃之间有较高的脱硝效率。低温催化剂需要解决几个问题，一是在低温时有较高的活性，二是氨气零逃逸，三是失活催化剂的危废处理。因此，低温SCR催化剂是未来脱硝领域发展的重要方向，在提高催化剂抗性和稳定性的同时，继续开发新材料，提高效率，降低成本，减少危废是该领域的发展趋势。
5 SCR脱硝催化剂对比
目前国内研发团队已开发出超低温SCR脱硝催化剂，并在大型电厂、燃煤锅炉、燃气锅炉、化工尾气、有色行业烟气、玻璃行业烟气等进行了侧线和应用示范。不同活性温度催化剂对应不同SCR工艺，同时决定了有色行业脱硝工艺的选择、设备的布置位置和方式，具体如下表所示：
表3 超低温脱硝催化剂在有色行业应用中工艺优势
资料来源
[1]中华人民共和国2018年国民经济和社会发展统计公报.
[2] 2018.《中国有色金属工业年鉴》.
[3] 2020年中国生态环境统计年报.
[4]《有色金属冶炼废气治理技术标准》GB 51415-2020.
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