煤氣化工藝過程中三廢排放的分析探討

高志剛，李志祥

(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

煤氣化工藝過程中三廢排放的分析探討

高志剛，李志祥

(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

闡述了煤炭氣化工藝中三廢的來源及其危害，以神華包頭煤化工180萬t/a煤制甲醇項目的GE水煤漿氣化裝置為例，對三廢排放量及其成分進(jìn)行分析研究，總結(jié)了煤炭氣化工藝三廢的處理方法，并對煤氣化三廢的綜合利用及處理技術(shù)進(jìn)行了展望。

煤氣化；三廢；GE水煤漿；廢氣；廢水；固體廢渣

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，依托我國“富煤貧油少氣”的一次能源結(jié)構(gòu)特征，對煤炭的開采和利用也得到了大幅度提高。而在新一代煤化工技術(shù)中，以煤炭氣化為龍頭，一碳化工技術(shù)為基礎(chǔ)，合成、制取各種化工產(chǎn)品和燃料油的煤炭綜合潔凈利用，與電熱等聯(lián)產(chǎn)可以實現(xiàn)煤炭能源高效轉(zhuǎn)化利用的目標(biāo)。作為廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、建材等部門的煤炭氣化技術(shù)，可以生產(chǎn)化工合成原料氣、工業(yè)或民用燃?xì)狻⒑铣扇加驮蠚?、?lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）、合成天然氣、制氫等[1]。然而，機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存，煤炭氣化排出的三廢（廢水、廢氣、廢渣）和產(chǎn)生的產(chǎn)品粗煤氣都有著數(shù)量大、成分復(fù)雜、有毒有害物質(zhì)多的共性。因此，分析研究煤炭氣化工藝過程中排放的三廢對于我國煤炭清潔利用技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展有著積極的推動作用，對于促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

1 煤氣化裝置三廢的概述

GE水煤漿加壓氣化是以煤炭和氧氣為主要原料，采用氣流床反應(yīng)器，在高溫 （1350℃）、高壓（6.5MPa(G)）條件下進(jìn)行非催化部分氧化反應(yīng)，生成以CO、H2為有效成分的粗煤氣，經(jīng)增濕、降溫、除塵后，送至下游裝置進(jìn)行凈化處理。同時，將系統(tǒng)中產(chǎn)生的黑水送入閃蒸、沉降、過濾系統(tǒng)處理，以達(dá)到回收熱量及灰水再生、循環(huán)使用的目的，產(chǎn)生的粗渣及細(xì)渣送出界區(qū)外。煤氣化過程伴隨產(chǎn)生的廢水、廢氣和固體廢渣等分別采用不同的形式排放、處理。

1.1 三廢的來源

煤化工三廢主要來源于化工產(chǎn)品制造生產(chǎn)過程中，從另外一個角度來看，三廢種類及排放量主要取決于原材料、煤化工工藝路線及生產(chǎn)設(shè)備的選擇優(yōu)化。對于煤漿氣化而言，原材料中的成分組成主要影響著廢水、廢渣；煤化工工藝路線主要影響著廢水、廢渣和廢氣；生產(chǎn)設(shè)備的選擇設(shè)計不合理影響工藝指標(biāo)的穩(wěn)定和控制，進(jìn)而對廢水、廢渣影響較大。

煤氣化廢水是指在煤炭氣化生產(chǎn)有效氣 （CO+ H2）產(chǎn)品過程中排放至下游或界區(qū)的工藝廢水、廢氣洗滌水、冷卻水等的總稱。該過程的廢水中既含有有機(jī)物如酚類、焦油等，又含有無機(jī)物如碳酸鈣、甲酸銨等無機(jī)鹽類，廢水成分復(fù)雜，并伴隨氣化原料及工藝條件變化而改變。GE水煤漿氣化裝置中，廢水主要來源有：初期雨水和生活污水、工藝生產(chǎn)廢水（主要包括氣化爐內(nèi)大黑水與洗滌塔內(nèi)合成氣洗滌后的黑水、渣池中分離出的黑水以及事故排放至研磨水池的高含固量的廢水）、外排至公用工程處理的廢水（經(jīng)低壓灰水泵部分外排）。

煤氣化廢氣是指在粗煤氣的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中因各種原因，諸如反應(yīng)不完全、生產(chǎn)工藝不完善、生產(chǎn)過程不穩(wěn)定、產(chǎn)生不合格的產(chǎn)品、生產(chǎn)過程中的跑冒滴漏以及事故性的排放等而產(chǎn)生和排放的污染大氣的有毒有害氣體。在GE水煤漿氣化工藝過程中，廢氣的主要來源有：磨煤機(jī)煤倉頂部、緩沖煤倉及破碎間等；氣化爐開停車排放氣、閃蒸單元酸性氣等；高壓閃蒸罐、高壓閃蒸分離罐、低壓閃蒸罐安全閥的火炬排放氣、除氧器頂部排放的氣體等。

煤氣化固體廢渣是指在水煤漿制備過程中從水煤漿中篩選出的不符合工藝要求的固體大顆粒或煤炭氣化過程中因煤中含有的礦物質(zhì) （如灰分）等非有效成分未能發(fā)生完全氣化反應(yīng)而不可避免的產(chǎn)生的爐渣。GE水煤漿氣化工藝中，固體廢渣主要來源有：磨煤機(jī)出口滾筒篩下料口、煤漿大槽頂部滾筒篩下料口、氣化爐氣化反應(yīng)后經(jīng)鎖斗排至渣池的粗渣、經(jīng)過四級閃蒸后的灰水送往壓濾機(jī)得到的濾餅（細(xì)渣）以及隨粗煤氣從洗滌塔出口排放至下游變換系統(tǒng)的小部分灰塵顆粒。

1.2 三廢的危害性

GE水煤漿氣化過程排放出的廢水、廢氣和固體廢渣中往往含有大量有毒有害的物質(zhì)，具有成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜、毒性大等特點，如果不經(jīng)過合理的處理，會給人類生存環(huán)境及健康生活帶來極大的危害。

煤氣化廢水中通常含有原料煤中含有的硫、氯、氮和金屬在氣化反應(yīng)時部分轉(zhuǎn)化生成的硫氧化碳、氯化物、氨、氰化物、金屬化合物、甲酸氨等，顯著特征是高氨氮、高COD等。其在輸送過程中容易對管道、設(shè)備造成腐蝕，直接排放污染地下地表水及土壤資源，暴露于空氣中易對大氣造成污染。

煤氣化廢氣具有有毒有害、易燃易爆、有惡臭及腐蝕性等特點。依據(jù)工藝及原料不同，其成分往往復(fù)雜多變，通常含有H2S、SO2、HCl、CO、CO2、NH3、NOx、CH4等酸堿性或揮發(fā)性氣體。廢氣排放不僅對大氣環(huán)境造成污染還易引起人員中毒甚至傷亡等。

在高溫高壓氣化條件下，煤炭中的有機(jī)物氧化轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)品，而煤中的無機(jī)礦物質(zhì)則形成灰渣，其含有多種金屬氧化物，若不能得到充分利用，則會造成占用甚至污染大面積土地、還會造成水源污染和大氣環(huán)境的破壞。

總之，煤炭氣化產(chǎn)生的三廢會對人的健康和人類生存環(huán)境產(chǎn)生直接負(fù)面影響，甚至威脅著工業(yè)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的和諧發(fā)展。

2 煤氣化裝置三廢排放量及成分分析

以180萬t/a煤制甲醇項目的GE水煤漿氣化裝置為例，總結(jié)列舉了氣化工藝過程中外排廢水、廢氣及主要固體廢渣的排放量及三廢的關(guān)鍵特征組分（見表1），對比工藝指標(biāo)要求，對三廢排放進(jìn)行了分析探究。

表1 三廢排放量及成分組成

從表1中廢水特征組成可以看出，外排廢水的各項指標(biāo)都在環(huán)?？刂浦笜?biāo)范圍內(nèi)，其中總?cè)芙夤腆w（w=1800×10-6）和總固體懸浮物（w=85×10-6）較接近環(huán)保指標(biāo)設(shè)定上限值2000×10-6和100×10-6，NH3-N含量甚至超出初始設(shè)計的環(huán)保指標(biāo)250×10-6。可見，灰水處理系統(tǒng)灰水中的鈣鎂離子含量偏高，氨氮含量超標(biāo)亟待解決。為此，氣化裝置采取了一系列手段包括工藝操作、工藝改造和設(shè)備改進(jìn)等對氣化系統(tǒng)內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化處理，提高系統(tǒng)水質(zhì)，以達(dá)到環(huán)保排放要求。

從表1中廢氣特征組成可以看出，對比粗煤氣組分，從粗煤氣洗滌水中閃蒸出來的酸性氣，其中的CO、CO2、H2、H2S、COS都得到不同程度的富集。CO、H2富集程度不大，分別為原來的1.5倍、1.2倍；酸性氣體富集程度較大，其中CO2富集程度為原來的2.53倍、H2S富集程度為原來的3.25倍、COS富集程度為原來的12.5倍。可見閃蒸處理對于酸性氣的濃縮作用顯著，有利于水質(zhì)的優(yōu)化及酸性廢氣的排放，環(huán)保效果顯著。

從表1中固體廢渣特征組成可以看出，來自氣化爐激冷室底部的粗渣與來自循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)閃蒸過濾系統(tǒng)后得到的細(xì)渣質(zhì)量比接近3:1。其中細(xì)渣中碳含量高（w＞20%），灰分含量偏低，主要是因為氣化爐燃燒室內(nèi)未完全反應(yīng)，煤炭中的灰分不易熔并，顆粒度相對較小，在激冷室水浴中大部分來不及沉降就經(jīng)氣化爐排水管線排送至閃蒸系統(tǒng)，所以經(jīng)渣水處理后的細(xì)渣可以再次燃燒進(jìn)行熱量的回收利用。粗渣中碳含量 （w＜5%）遠(yuǎn)低于設(shè)計指標(biāo)(w<18.7%)，灰分含量偏高，主要是因為水煤漿氣化反應(yīng)較完全，煤炭中剩余的灰分在高溫下熔融聚合成大顆粒，經(jīng)激冷室中水浴急冷后很快變成大塊粗渣沉降至激冷室底部經(jīng)鎖斗排至渣池。根據(jù)表1中粗細(xì)渣量及特征組成計算可知：原料煤中的大部分固體雜質(zhì) （包括殘?zhí)亢突曳郑?6%排放到粗渣中，11%的灰分排放到細(xì)渣中，只有極少部分約3%的灰分進(jìn)入氣化循環(huán)水及隨粗煤氣從洗滌塔出口帶入到后續(xù)凈化工段?？梢姽腆w廢渣中粗渣細(xì)渣比例越大越便于處理。

3 煤氣化裝置三廢處理及技術(shù)展望

3.1 三廢的環(huán)保利用

神華包頭煤制烯烴項目的煤炭氣化裝置采用了多項環(huán)境保護(hù)措施來確保廢水、廢氣、廢固的有效管理與合理利用，保證了三廢的達(dá)標(biāo)排放，為操作人員創(chuàng)造了安全的生產(chǎn)場所和良好的工作環(huán)境。

GE水煤漿氣化裝置對產(chǎn)生的廢水實施 “清污分流”處理原則，大部分生產(chǎn)廢水經(jīng)過閃蒸系統(tǒng)、沉降系統(tǒng)進(jìn)行處理后循環(huán)利用，為防止系統(tǒng)鈣鎂離子和氯離子富積，產(chǎn)生的污水及部分生產(chǎn)廢水匯集后送往全場污水處理廠進(jìn)行生化處理。但隨著生產(chǎn)裝置的長周期運(yùn)行，在GE水煤漿氣化裝置投產(chǎn)后的5年時間內(nèi)，逐漸暴露出循環(huán)水系統(tǒng)Ca2+、Mg2+濃度偏高，NH3-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)350×10-6甚至超出設(shè)計的環(huán)保指標(biāo)等問題，為此氣化裝置除了從工藝操作方面如選擇適量的絮凝劑和分散劑、控制好灰水系統(tǒng)的pH等調(diào)整外，還分別從工藝及設(shè)備方面進(jìn)行技改。如在低壓灰水路線上新上了一套電化學(xué)除垢儀，將部分灰水經(jīng)除垢排污后循環(huán)至灰水槽，降低系統(tǒng)內(nèi)的Ca2+、Mg2+濃度；在廢水外排至公用工程前增加一套脫氨系統(tǒng)進(jìn)行脫氨處理；在公用工程系統(tǒng)新建一套反滲透污水處理裝置等。目前污水處理裝置的能力大大加強(qiáng)，尤其是降低了污水中Ca2+、Mg2+的含量，使得外排污水的氨氮含量及硬度都在環(huán)保指標(biāo)范圍內(nèi)，經(jīng)過處理的廢水完全符合國家行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

廢氣的治理措施主要包括對磨煤含塵廢氣的過濾和氣化工段開停車排放氣及閃蒸酸性氣的處理。對于磨煤機(jī)煤倉頂部、緩沖煤倉等部位安裝袋式除塵器，對原料煤輸送過程中產(chǎn)生的含塵廢氣進(jìn)行過濾，過濾的煤粉回收利用，同時也大大減少了煤粉進(jìn)入敞開空間對大氣的污染；對于氣化爐開停車過程中的工藝氣切至火炬管線燃燒后高處放空，該問題目前還沒有更妥當(dāng)?shù)奶幚磙k法，有待進(jìn)一步研究。對于氣化工段閃蒸后的酸性氣送至硫回收裝置與制硫尾氣一起進(jìn)入尾氣急冷塔脫除氣化酸性氣中夾帶的水蒸汽、灰塵和氨氣，然后進(jìn)入胺液吸收塔采用MDEA胺液進(jìn)一步吸收其中的H2S。胺液熱再生后的H2S氣體進(jìn)入制硫爐制備硫磺產(chǎn)品，未被胺液吸收的氣體進(jìn)入尾聲焚燒爐發(fā)生高溫反應(yīng)，回收熱量，同時使殘余的H2S轉(zhuǎn)化為SO2，CO轉(zhuǎn)化為CO2，NH3分解成N2，然后通過煙筒高點排放，大大降低了氣化裝置閃蒸后的酸性氣體對大氣環(huán)境的污染和破壞。

廢渣主要是氣化爐激冷室直排的粗渣及閃蒸系統(tǒng)處理得到的細(xì)渣。粗渣的主要成分包括原料煤中含有的灰分及重金屬等，送至渣場綜合利用（用作水泥、建筑材料等）。細(xì)渣中因含有氣化反應(yīng)未完全燃燒的碳（w≈25%），干燥后送至熱電站用作工業(yè)鍋爐燃料，也可以作為生活燃料摻燒。

3.2 三廢處理的技術(shù)展望

對于煤化工行業(yè)而言，工業(yè)“三廢”排放的技術(shù)指標(biāo)被納入裝置運(yùn)行控制工藝指標(biāo)已成為必然。根據(jù)對煤氣化工藝三廢的分析可知，煤炭氣化裝置在正常生產(chǎn)工況下的廢水主要來自氣化渣水排污，廢水中主要污染物為氨氮、硫化物、氰化物、固體懸浮物等污染組分；氣化裝置的大氣污染源有氣化爐開停車排放氣、閃蒸單元酸性氣等，其主要污染物是顆粒物、CO、CH4、H2S、COS、SO2等；廢固主要是固體廢渣，主要污染物是其中的重金屬、粉煤灰等。因此，在設(shè)計、安裝、制造以及生產(chǎn)過程中必須采取必要的安全措施，確保氣化裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時三廢排放要滿足國家法律、法規(guī)等有關(guān)環(huán)境保護(hù)方面的要求，從環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，不斷深入研究三廢的綜合利用。

廢水的處理技術(shù)包括有物理分離 （如沉淀、澄清、過濾、離心分離等），膜分離與離子交換（如反滲透、超濾、離子交換等），化學(xué)處理（如混凝、中和、電化學(xué)處理、化學(xué)氧化與還原、活性炭吸附等），活性污泥法，自然凈化法，生物膜法和微生物凈化廢水新技術(shù)等。其中微生物處理技術(shù)成為較熱門的廢水處理技術(shù)，其利用細(xì)菌混合物把廢水中的有機(jī)物分解消化掉，相對于物理或化學(xué)處理廢水的方法工藝簡單且更為方便有效。

廢氣處理技術(shù)主要涉及旋風(fēng)分離器（如在氣化爐粗煤氣出口至洗滌塔中間配置旋風(fēng)分離器有利于粗煤氣中粉塵顆粒的捕集）、粉塵過濾器、電除塵、吸附法（如多孔納米新材料對CO2的吸附）、洗滌吸收法 （如藻類吸收反應(yīng)器系統(tǒng)吸收酸性氣體[2]）、化學(xué)循環(huán)燃燒法（有利于CO2的減排）等。

廢煤渣主要涉及粉煤灰筑路回填，生產(chǎn)不同粉煤灰摻量的水泥、混凝土、粉煤灰磚、新型墻體材料等建筑材料，高附加值礦物提取及農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用。

發(fā)展綠色化學(xué)、綠色工業(yè)，節(jié)能降耗減排是未來煤化工工業(yè)發(fā)展的趨勢，也是我國提倡的綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的政策。構(gòu)造人與自然的和諧，需要發(fā)展?jié)崈裘夯ぜ夹g(shù)，而進(jìn)行煤炭氣化工藝三廢的治理需要一系列行之有效的方法、技術(shù)。其中發(fā)展先進(jìn)的技術(shù)手段及合理的設(shè)備設(shè)計方案是目前處理工業(yè)三廢亟待提高的方面。應(yīng)該通過不斷革新舊工藝，發(fā)展新技術(shù)，創(chuàng)新管理生產(chǎn)模式，減少三廢排放，最終實現(xiàn)綠色煤化工生產(chǎn)。

4 結(jié)語

煤炭氣化過程中不可避免產(chǎn)生的工業(yè)三廢排放量大、成分復(fù)雜、危害多，是對人類生存環(huán)境的巨大考驗；對三廢排放定量分析研究，為后續(xù)三廢治理舉措的選擇提供了一定的科學(xué)依據(jù)；創(chuàng)新煤氣化工藝，節(jié)能降耗減排，推動綠色煤氣化技術(shù)的發(fā)展是未來煤化工發(fā)展的趨勢。

[1]吳秀章.煤制低碳烯烴工藝與工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014:35-39.

[2]張明龍,張瓊妮,章亮.國外治理”三廢”新技術(shù)概述[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì),2010,(2):124-127.

Discussion and analysis on waste emission from coal gasification

GAO Zhi-gang,LI Zhi-xiang
(Shenhua Baotou Coal Chemical Co.,Ltd.,Baotou 014000,China)

The sources and harm of the gas,liquid and solid waste emissions from coal gasification process were elaborated. Using the GE coal water slurry gasification system of a methanol plant with the capacity of 1.8 million tons per year as an example, the amounts and components of the waste emissions were analyzed,and the methods for treatment of the wastes were summarized. Finally,the development trend of the technologies for comprehensive utilization and treatment of the waste emissions was prospect.

coal gasification;waste;GE CWS;exhaust gas;wastewater;solid waste

TQ546；TQ09

：A

：1001-9219(2015）04-103-04

2015-02-13；

：高志剛（1976-），男，工程師，從事GE水煤漿氣化工作，電話0472-5332946，電郵gaozhigang@csclc.com。