SCR脫硝技術在有色金屬行業應用分析
【谷騰環保網訊】1 有色金屬行業氮氧化物污染物排放現狀
1.1 有色金屬行業發展現狀及趨勢
根據國民經濟[1]統計，我國有色金屬行業涉及金屬共計64種，其中包括重金屬、輕金屬、貴金屬、半金屬以及稀有金屬五大類。根據中國有色金屬工業協會行業統計年鑒[2]可知，2016年鋁產量、銅產量、鉛產量分別占到行業總產量的74%、11%和7%。2016年有色金屬冶煉企業共計1156家，至2017年發證的有733家（銅218家、鉛鋅365家、電解鋁150家），主要分布在湖南、廣東、河南、山東、云南、陜西、山西、寧夏、貴州、內蒙古等地區。
圖1 有色金屬分類
有色金屬是我國七大工業耗能大戶之一，是推進節能降耗的重點行業。我國有色金屬工業能源消耗主要集中在礦山、冶煉和加工三大領域。中國有色金屬礦產資源的特點是小礦多、大礦少；貧礦多、富礦少；共生礦多、單一礦少；難選冶礦多、易選礦少，由此造成選冶流程長，工藝復雜，直接導致能耗高、水耗大、污染物排放量大。同時隨著生產規模的不斷擴大，能源消耗、“三廢”排放總量還在增加，產業節能減排的任務十分艱巨。
1.2 有色金屬行業氮氧化物來源及污染現狀
近年來全國NOx排放總量及2020年行業分布數據如下[3]。
表1 2020年全國及分源氮氧化物排放情況
圖2 2020年各工業行業氮氧化物排放情況
含有色金屬行業在內的其他行業氮氧化物排放量達到了88.51萬噸，占工業排放總量的五分之一以上。其中銅、鋁、鉛、鋅四大常用金屬產量占比達到96.07%。因此主要污染體量在銅、鋁、鉛、鋅四大冶煉領域。
2有色金屬行業污染物排放標準及政策
有色金屬冶煉行業污染物排放標準頒布于2010年，在此之前執行《工業爐窯大氣污染物排放標準》和《大氣污染物綜合排放標準》。由于綜合類排放標準針對性不強，且污染物項目存在缺失，有色金屬冶煉行業污染物治理技術已經明顯落后于其他工業領域。2012年8月，國務院發布《節能減排“十二五”規劃》。《規劃》在“十一五”節能、COD和SO2這三個約束性指標的基礎上，在“十二五”期間新增了氮氧化物和氨氮這兩個污染物減排的指標，形成了五個約束性目標。
自銅、鉛、鋁、鎂、釩等工業污染物排放標準的相繼執行，有色行業才正式拉開了環境治理的序幕。截至目前，我國針對有色金屬行業共發布實施11項污染物排放標準，其中行業污染物排放標準共計9項，大氣和水綜合排放標準2項。
表2有色金屬行業NOx排放標準
3 有色金屬行業煙氣特點及氮氧化物控制技術
3.1 有色金屬工業煙氣特點
有色金屬冶煉煙氣污染物與具體冶煉工藝有關，大氣污染物主要有煙塵、二氧化硫、氮氧化物，部分含重金屬、砷等。有色火法冶煉煙氣特征明顯，爐窯多為周期操作，煙氣量波動明顯；煙氣發生量小，目前國內最大的銅鉛冶煉項目，工藝煙氣量僅僅100000 Nm3/h，小型稀貴金屬項目甚至小于1000 Nm3/h；煙氣中酸性污染物濃度極高，介于1000～300000 mg/Nm3，酸露點超過250℃；煙氣含多類重金屬、砷、汞等物質。以上這些煙氣特點均增加了脫硝的難度和投資成本。
3.2 有色金屬行業氮氧化物控制技術
氮氧化物減排或控制技術主要有燃燒過程控制技術和煙氣處理技術兩大類。燃燒過程控制技術包括低氮燃燒技術、分級燃燒技術；煙氣處理技術俗稱脫硝技術，包括選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）和選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR），還包括選擇性非催化還原-選擇性催化還原聯合法、氧化吸收法、電子束分離法等。
2020年中華人民共和國住房和城鄉建設部國家市場監督管理總局聯合發布了GB 51415-2020《有色金屬冶煉廢氣治理技術標準》，對有色行業的脫硝處理作出以下規定：對要求脫硝效率不小于40%的廢氣，宜選用選擇性催化還原脫硝或選擇性非催化還原+選擇性催化還原混合脫硝等工藝；對要求脫硝效率小于40%的廢氣，宜選用選擇性非催化還原脫硝等工藝[4]。
4 SCR技術應用
SCR法的原理為：采用催化劑降低反應活化能，在收塵器后或者預熱器出口處將還原劑氨或者尿素噴入，在300~450℃低溫度范圍內，選擇性地和NOx反應，將NOx還原成N2。它的優點是氨逃逸率低達3×10-6~5×10-6，脫氮效率高達80%~90%，使廢氣中的NOx濃度降至100 mg/m3~200 mg/m3。常規SCR技術催化劑主要釩鈦基催化劑，成分是TiO2、V2O5和WO3等氧化物，這些活性物質分布在陶瓷基質上。目前SCR技術在有色金屬行業應用案例有限，但可以預見的是，隨著技術的發展和環保標準的提高，SCR脫硝將成為主流技術。
但有色金屬行業復雜的工況環境、高投入、高維護費用和阻力高等不利因素制約了常規SCR技術在有色金屬行業的應用。
（1）溫度限制：據了解，催化劑當今最普遍應用的是多孔TiO2(載體)做成蜂窩狀模塊化，載體表面敷有起催化作用的活性成分V2O5和WO3，反應溫度在220～400℃為佳。而在有色金屬冶煉窯爐中，煙氣出口的溫度已降到300℃以下，裝SCR的實際脫硝效果受到一定的影響。對這樣的煙氣，已不再適合裝設常規SCR系統。
（2）粉塵限制：有色金屬冶煉煙氣組分復雜，往往含有大量砷、多種重金屬等易致催化劑中毒的物質。
（3）酸性環境限制：有色金屬冶煉煙氣含大量酸霧，易與催化劑中的V2O5反應從而使催化劑中毒，降低催化劑的活性。
受上述因素影響，常規SCR技術在有色金屬企業應用受阻。
目前低溫SCR工藝最核心的問題依然是低溫催化劑的研制。能夠適合SCR尾部布置和其他低溫應用的需要，同時又可以減少對煙氣進行再加熱，能夠高效脫除煙氣中的NOx，這就必然要求催化劑的活性溫度窗口在100-180℃之間有較高的脫硝效率。低溫催化劑需要解決幾個問題，一是在低溫時有較高的活性，二是氨氣零逃逸，三是失活催化劑的危廢處理。因此，低溫SCR催化劑是未來脫硝領域發展的重要方向，在提高催化劑抗性和穩定性的同時，繼續開發新材料，提高效率，降低成本，減少危廢是該領域的發展趨勢。
5 SCR脫硝催化劑對比
目前國內研發團隊已開發出超低溫SCR脫硝催化劑，并在大型電廠、燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、化工尾氣、有色行業煙氣、玻璃行業煙氣等進行了側線和應用示范。不同活性溫度催化劑對應不同SCR工藝，同時決定了有色行業脫硝工藝的選擇、設備的布置位置和方式，具體如下表所示：
表3 超低溫脫硝催化劑在有色行業應用中工藝優勢
資料來源
[1]中華人民共和國2018年國民經濟和社會發展統計公報.
[2] 2018.《中國有色金屬工業年鑒》.
[3] 2020年中國生態環境統計年報.
[4]《有色金屬冶煉廢氣治理技術標準》GB 51415-2020.
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