铝电解烟气脱硫工艺简述及效益分析.pdf

2023年6月上 世界有色金属7冶金冶炼Metallurgical smelting铝电解烟气脱硫工艺简述及效益分析谢清申，王海涛，夏云镇（邹平县汇盛新材料科技有限公司，山东 邹平 2 5 6 2 0 0）摘 要：本文简述了铝电解烟气石灰石-石膏法脱硫工艺及其技术特点。结合某脱硫改造工程实例，对脱硫系统的投资费用和特定入口S O2浓度和排放浓度工况下的脱硫系统运行成本进行估算和分析，指出节电是降低脱硫系统运行成本的关键。本工程具有良好的环境效益和社会效益，是企业深入贯彻落实新发展理念的具体举措。关键词：铝电解烟气；脱硫系统；石灰石-石膏法；费用估算；效益分析中图分类号：X 7 5 8 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 1-0 0 0 7-3Brief Introduction and Benefit Analysis of Aluminum Electrolysis Flue Gas Desulfurization ProcessXIEQing-shen,WANGHai-tao,XIAYun-zhen(Z o u p i n g C o u n t y Hu i s h e n g Ne w Ma t e r i a l T e c h n o l o g y C o.,L t d,Z o u p i n g 2 5 6 2 0 0,C h i n a)Abstract:T h i s a r t i c l e b r i e f l y d e s c r i b e s t h e l i me s t o n e g y p s u m d e s u l f u r i z a t i o n p r o c e s s a n d i t s t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s f o r a l u mi n u m e l e c t r o l y s i s f l u e g a s.B a s e d o n a n e x a mp l e o f a d e s u l f u r i z a t i o n r e n o v a t i o n p r o j e c t,t h e i n v e s t me n t c o s t o f t h e d e s u l f u r i z a t i o n s y s t e m a n d t h e o p e r a t i n g c o s t o f t h e d e s u l f u r i z a t i o n s y s t e m u n d e r s p e c i f i c i n l e t S O2 c o n c e n t r a t i o n a n d e mi s s i o n c o n c e n t r a t i o n c o n d i t i o n s a r e e s t i ma t e d a n d a n a l y z e d.I t i s p o i n t e d o u t t h a t e n e r g y-s a v i n g i s t h e k e y t o r e d u c i n g t h e o p e r a t i n g c o s t o f t h e d e s u l f u r i z a t i o n s y s t e m.T h i s p r o j e c t h a s g o o d e n v i r o n me n t a l a n d s o c i a l b e n e f i t s,a n d i s a s p e c i f i c me a s u r e f o r t h e e n t e r p r i s e t o d e e p l y i mp l e me n t t h e n e w d e v e l o p me n t c o n c e p t.Keywords:a l u mi n u m e l e c t r o l y s i s f l u e g a s;D e s u l f u r i z a t i o n s y s t e m;L i me s t o n e g y p s u m me t h o d;C o s t e s t i ma t i o n;B e n e f i t a n a l y s i s收稿日期：2 0 2 3-0 3作者简介：谢清申，男，生于1 9 8 3 年，山东泰安人，专科，工程师，研究方向：轻金属冶炼。铝电解槽生产过程中散发的烟气中含有大量的污染物，包括氟化物、粉尘和SO2等。我国铝工业经过40余年的快速发展，整体技术已经达到国际先进水平。伴随着技术的进步，主要污染物如氟化物已经得到有效的治理，近年来，随着社会各界对环境质量的关注，SO2治理工作正在有序的推进。铝电解烟气中的SO2主要来自预焙阳极，在铝电解槽高温生产环境下，阳极炭块中的硫氧化成SO2。根据有关数据估算，目前电解烟气中的SO2浓度为200300mg/Nm3，难以满足 铝工业污染物排放标准（GB25465-2010）修改单（环境保护部公告2013年第79号）的排放限值100mg/Nm3的要求。特别是 关于京津冀大气污染传输通道城市执行大气污染物特别排放限值的公告（环境保护部公告公告2018年第9号）中对京津冀大气污染传输通道涉及的“2+26”城市提出严格要求，“2+26”城市及其周边城市的众多铝厂建成电解烟气脱硫系统。另外，随着我国全面推行重点行业差异化减排措施。重点区域各省(市）要求执行 重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南（2020年修订版）（环办大气函 2020340号）的规定，对重点行业企业开展绩效分级和差异化管控。全国的电解铝厂纷纷采用措施，以便被评为A级企业（引领性的企业），避免秋冬季期间可能减产的影响。目前国内外成熟的烟气脱硫技术主要是石灰石-石膏法、氨法和循环流化床半干法脱硫技术等，相关技术已在电力、钢铁等行业得到广泛使用。针对多数电解铝厂采用了使用广泛、技术成熟的石灰石-石膏法（简称“钙法”）脱硫技术，本文对脱硫工艺进行简述，并结合工程实例，对运行成本进行分析。1 铝电解烟气冰晶石氧化铝熔融盐电解过程中，在阴极上析出铝，在阳极上生成二氧化硫、一氧化碳和氟化物；此外在发生阳极效应时，还生成CF4与C2F6，这两种产物排放量取决于阳极效应的频率和阳极效应延续时间。铝电解槽烟气中的SO2源自于阳极所用的原料石油焦，其含硫量为2%3%或更高。石油焦中的硫进入炭阳极后，在电解过程中被电化学氧化成SO2而进入烟气中。在烟气中并不能完全地被Al2O3吸收，即使部分地被Al2O3吸收，但载有SO2的氧化铝返回到电解槽中时，SO2会重新释放，因此实际上SO2在净化系统不能除去。当未脱硫的烟气进入大气中，会对环境的造成很大危害，也是酸雨的重要来源，进而给生态环境和人类社会经济都带来严重的影响和破坏。自2016年开始国家以改善环境质量为核心，实行最严格的环境保护制度，出台多项环保政策，推进主要污染物减排，严控环境风险。烟气的成份和空气成份相近，O2含量约为20%，N2含量约为76%，其余为CO2、CO、HF和SO2等，铝电解烟气污染物的典型浓度如表1所示。世界有色金属2023年6月上8冶金冶炼Metallurgical smelting表1铝电解烟气污染物典型浓度名称单位净化系统入口脱硫系统入口氟化物mg/Nm33504001.53.0粉尘mg/Nm3850950510SO2mg/Nm3200300200300由于电解烟气的流量大、污染物浓度低，烟气温度低（100 140），为了回收烟气的氟化物，实现资源化利用，配套的电解烟气净化系统目前普遍采用氧化铝干法吸附净化技术，实现氟化物和粉尘的达标。在净化系统后串联脱硫系统是目前常用的污染物治理方案，单套电解烟气脱硫系统的烟气量为60300万Nm3/h。2 湿法脱硫工艺本文以山东某铝厂的脱硫改造工程为例，电解烟气脱硫系统采用“石灰石-石膏湿法”工艺技术，工程实施后SO2排放浓度低于25mg/Nm3。2.1 工艺原理石灰石-石膏湿法脱硫过程中的主要化学反应如下：（1）在吸收塔内，烟气中的SO2首先被浆液中的水吸收，形成亚硫酸，并部分离解：（2）SO32-与 吸 收 塔 循 环 浆 液 中 的 Ca2+反 应 生 成CaSO31/2H2O细颗粒：（3）CaSO31/2H2O被鼓入的空气氧化，最终生成硫酸钙（石膏）CaSO42H2O：上述反应中第一步是最关键的一步，即SO2被浆液中的水吸收。根据SO2的化学特性，SO2在水中能发生离解反应，易被水吸收，只要有足够的水，就能将烟气中绝大部分SO2吸收下来。但就随着浆液中HSO3-和SO32-离子数量的增加，反应式（1）向逆方向移动，浆液的吸收能力不断下降，直至完全消失。因此要保证系统具有良好的反应效率，不仅要有足够的浆液量和气液接触面积，还要保证浆液足够的Ca2+离子浓度。上述反应中第二步和三步是进一步的反应过程，主要目的是不断地除去浆液中的HSO3-和SO32-离子，以保持浆液有足够的吸收能力，以推动第一步反应持续向右进行。2.2 工艺流程主要工艺流程如下：铝电解槽烟气先经净化系统处理后，再由引风机加压后进入脱硫系统，电解烟气与喷淋层喷出的石灰浆液逆流接触进行反应，不仅脱除烟气中的SO2，又协同捕集烟气中氟化物和粉尘等，净烟气经3级屋脊式除雾器分离出雾滴后，再经塔顶烟囱排空。吸收塔塔底生成的石膏由石膏外排泵排出，经石膏旋流器进行浓缩后，再由真空皮带脱水机脱水，脱水后的石膏（表面含水率不大于12%）脱水石膏进入石膏间堆存，定期外运。脱硫系统的工艺流程图如图1所示。图1工艺流程图脱硫系统主要包括：烟气子系统、脱硫剂制备子系统、脱硫吸收子系统、副产物处置子系统、事故浆液子系统、工艺水子系统以及其他辅助子系统等。2.3 脱硫工艺技术特点石灰石-石膏法脱硫效率高，可达98%以上，可实现SO2浓度10mg/Nm3以下的超净排放。石灰石-石膏法在烟气脱硫行业占比90%以上，多年积累来积累了大量的设计、建造及运行经验，可实现全自动化运行，运维工作量小，运维人员一般由电解铝烟气净化工人兼任。脱硫剂石灰石粉（CaCO3）易采购且价格低，同时石灰（CaO）、消石灰（Ca(OH)2）和电石渣等均可使用。副产物石膏（CaSO42H2O）可实现外卖综合利用。存在脱硫废水和外排烟气含水雾等弊端。3 费用效益分析3.1 投资费用估算本工程属于环保类技术改造项目，建设项目静态总投资2375万元，其中建筑工程费251万元，占静态总投资的10.6%；设备工器具购置费1407万元，占静态总投资的59.2%；安装工程费415万元，占静态总投资的17.5%；其他费用302万元（含基本预备费100万元），占静态总投资的12.7%。项目动态投资2405万元，其中建设期贷款利息30万元。3.2 运行成本估算石灰石-石膏脱硫运行的主要原材料有石灰石粉（纯度90%的CaCO3）、电和水等，运维人员由电解铝烟气净化工人兼任，暂不计人工成本。按吸收塔入口SO2平均浓度200mg/Nm3，出口SO2平均浓度25mg/Nm3进行计算，电解铝烟气脱硫系统运行成本如表2所示。2023年6月上 世界有色金属9冶金冶炼Metallurgical smelting表2脱硫系统运行成本项目运行指标单价费用单位数值单位数值元/t-Al石灰石kg/t-Al34元/t1806.1水t/t-Al1.8元/t47.2电（脱硫设备）kWh/t-Al45元/kWh0.627电（烟气侧引风机）kWh/t-Al52.2元/kWh0.631.3总计71.6注：烟气侧引风机的用电按吸收塔阻力1 0 0 0 P a 估算。对表2中数据进行分析，电解烟气脱硫系列运行成本中原料和水、电占比详见图2。图2脱硫系统运行成本中原料占比表从图中数据分析，石灰石和水的费用占比较低，主要原因是电解铝烟气中SO2浓度低、烟气温度也较低；电费分为两部分，分别是脱硫设备和烟气侧引风机，电费的占比高达81.4%，故节电的降低脱硫系统运行费用的关键。3.3 效益分析3.3.1 直接经济效益本工程实施后，脱硫系统的运行成本约751.8万元，折合运行成本费用增加71.6元/t-Al；工程实施后SO2排放浓度低于25mg/Nm3，低于当地排放标准的50%，根据我国环境保护税法 的规定按50%征税，由于工程实施后污染物排放总量减少以及环保税减免，每年可费用节省约200万元，折合费用节省19元/t-Al；即脱硫工程实施后运行成本净增加52.5元/t-Al，对铝厂来说，直接经济效益不佳。3.3.2 环境效益本工程实施后，铝厂每年削减二氧化硫排放量约1456吨，二氧化硫排放总量比以往减少87.5%，区域酸雨污染有所减轻；每年可削减粉尘排放量约17吨，实现粉尘排放总量比以往减少40%；每年可削减氟化物排放量约10吨，实现氟化物排放总量比以往减少80%。本工程实施后，铝厂的大气污染状况得到有效地改善，全厂大气污染物排放总量可达到年排放总量控制目标，提高了区域生态环境的承载能力，为社会经济的发展创造了有利的条件。3.3.3 社会效益本工程的实施，是企业承担环境法律责任的体现，打破了过去掠夺式的生产经营模式，而使企业走可持续发展之路。在文明和法律日益进步的当代社会，违法的企业、污染环境的企业必然受到社会的谴责与排斥，企业的经济效益不1中华人民共和国环境保护部.GB25465-2010/XG1-2013铝工业污染物排放标准修改单S.北京：中国环境科学出版社，2013.2惠憬明，张敬东，张义，王银河.电解铝烟气脱硫脱氟除尘超低排放技术应用J.轻金属，2020（1）：34-37.3顾莉娟.电解铝烟气治理技术的应用J.环境与发展,2018(8):229-230.4黄校,岑加茂.某铝业公司铝电解干法烟气净化系统的优化实践J.有色冶金节能,2019,35(5):20-23.5袁永健,黄莉莉.浅析铝电解槽烟气脱硫技术J.轻金属,2019,0(7):33-36.6董成勇.铝电解烟气深度处理的研究与探讨J.轻金属,2018.7王学萍.电解铝烟气脱硫技术研究进展J.世界有色金属,2021(10):9-10.8王俊青,周云峰,李昌林等.铝电解烟气脱硫现状与趋势J.世界有色金属,2021(9):1-2.9刘吉卫,刘红,赵霞.湿式烟气脱硫技术研究与应用J.山东煤炭科技,2007(3):26,28.10 刘 总 兵.电 解 烟 气 脱 硫 除 尘 降 氟 技 术 的 应 用 J.世 界 有 色 金属,2019(5):10-11.11 刘校良.湿式石灰石-石膏烟气脱硫技术在烟气脱硫中的应用研究J.科技创新与应用,2017(25):146,148.12 李远斌.电石渣石膏湿法烟气脱硫工艺应用J.广州化工,2011,39(16):154-156.13 朱作贵.烟气脱硫技术在铝电解中的应用与分析J.中国化工贸易,2020,12(13).14 云南云铝涌鑫铝业有限公司.以节能减排为抓手打造绿色载能铝产业“电解铝烟气脱硫脱氟除尘一体化工业试验示范装置”项目J.云南科技管理,2013,26(5):79.会、也不可能持久。当前全面贯彻落实新发展理念，就是坚持经济和社会协调发展，人与自然和谐共生，让企业承担环境法律责任，把企业的社会效益、环境效益作为评价、考核企业的生产经营的条件，有利于促进人与自然的和谐，实现经济发展和人口、资源、环境相协调。随着人类对环境认识的深入，环境是资源的观点，越来越为人们所接受。空气、水、土壤、矿产资源等，都是社会的自然财富和发展生产的物质基础，构成了生产力的要素。保护环境，保护环境资源，关系到人类社会的生存，也关系到国民经济持续健康的发展。4 结论本文简要介绍了电解烟气脱硫工艺，结合某铝厂脱硫改造工程经验，主要结论如下。（1）在我国环保政策趋严的大形势和改善大气环境质量的大背景下，电解铝烟气脱硫成为新常态，采用石灰石-石膏法脱硫是可选的主要技术之一。（2）虽然石灰石-石膏法脱硫的技术优势明显，但是存在脱硫废水排放问题，若有配套自备燃煤电厂或工业园区配有污水处理站可解决脱硫废水问题。（3）石灰石-石膏法脱硫系统的运行成本中，电费的占比高达81.4%，故节电是降低脱硫系统运行费用的关键。（4）本工程虽然经济效益不佳，但是它具有良好的环境效益和社会效益。对企业而言，这不仅是企业核心竞争力的体现，也是企业勇于担当社会责任的体现，更是企业深入贯彻落实新发展理念的具体举措。