范富武

摘 要：随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也有了进步。我国化石能源结构为富煤、贫油、少气，煤炭资源在我国的能源结构中占据重要地位。随着我国对环保要求日益提高，推动煤炭资源清洁高效利用，建立“清洁、低碳、安全、高效”的现代化能源体系，已成为煤炭资源利用的必然要求。煤制天然气作为我国能源战略的重点之一，近年来得到迅速发展。煤制天然气生产过程在消耗大量新鲜水的同时，也产生了近5亿t/a废水。煤制气废水常含有高浓度酚、氨、氰化物、杂环和多环类、无机盐等污染物，其组成及产生强度受煤种及转化工艺影响大，成分复杂、毒性强、可生化性差，处理难度很大。煤制气项目大多分布在煤炭资源丰富的西北地区，而这些地区恰恰水资源匮乏，水环境容量不足，甚至缺乏纳污水体。水资源和水环境问题己经成为制约煤制气产业发展的瓶颈。废水“零排放”能最大限度地处理和回用项目产生的各种废水，是缓解当地水资源紧缺的重要途径。但由于煤化工废水组成复杂，“零排放”设计、建设及运行经验欠缺，目前我国煤化工废水“零排放”运行效果并不理想。因此，有必要对现有煤化工废水“零排放”技术及工程进行分析总结，剖析存在的问题，并提出对策建议。

关键词：煤制天然气项目;气化技术;对比浅析

我国是原煤消耗大国，每年消耗的煤炭在30万t/a，近年煤制气与煤制油、煤制烯烃方兴未艾，但相比与炼油化工，煤化工能耗要高，如何规划合理的技术路线及充分利用能源是煤化工急需解决的问题，对大力推进我国煤制天然气项目发展具有重要意义。

1 气化工艺路线

目前世界范围内可选用的煤气化技术多达十几种，但在煤制气中得到工业化应用的也只有几种，不同技术之间的工艺适用性、先进性、煤种适应性和技术成熟程度均有所差异。根据反应器的结构形式可分为移动床、流化床和气流床等气化工艺。移动床气化技术采用碎煤、型煤进料，床层逆流移动气化，氧气消耗和煤消耗量低，副产油类、粗酚等副产品，整体碳效率较高，适用于高水分、高灰分的劣质煤。工业化技术应用成熟，代表技术为鲁奇（LURGI）碎煤加压气化和BGL碎煤熔渣气化。碎煤加压气化的代表为LURGI气化技术，其特点是采用固态排渣，气化温度低、蒸汽消耗高、废水量高。碎煤熔渣气化的代表为BGL气化技术，其特点是采用液态排渣，气化温度高、蒸汽消耗低、废水量低。碎煤加压气化是世界上工业化最早的煤加压气化技术，在国内外有广泛应用。BGL碎煤熔渣气化则是在碎煤加压气化与熔渣技术的基础上进行试验并开发出来的。流化床气化以KBR-TRIG气化技术为代表。该技术采用粉煤作为原料，煤种适应性较好，操作温度适中，粗合成气中含有一定量的CH4。但存在气化炉整体结构复杂，产生的飞灰量较大的问题，且无商业化运行业绩，对于大型工业化应用的可行性还需进一步调研和论证。

气流床气化根据煤进料形式的不同分为水煤浆气化和干粉气化。其主要优点是气化温度高，煤在数秒内几乎全部气化，碳转化率可达96%～98%，有效气（H2+CO）体积分数高达80%～92%，气化热效率高，不产生油、萘和酚等杂质，净化及污水处理流程简单，在世界范围内有广泛的工业化运行业绩。水煤浆气化的代表为GE气化技术和华东理工大学四喷嘴气化技术，其特点是将原料煤制成水煤浆，加压后送入气化炉与高纯氧进行高温气化。粉煤气化的代表为SHELL粉煤气化技术、航天粉煤气化技术和中石化SE粉煤气化技术，其特点是将原料煤烘干、磨粉后，通过载气送入气化炉与高纯氧和蒸汽进行高温气化。

2 煤制天然气项目气化技术优化

2.1 生化处理

针对以固定床气化为主的煤气化废水，近年来国内外研究者不断提出新的方法和技术用于处理该股废水，但各有优缺点。①普通活性污泥工艺难以承受如此高浓度的难降解物质，即使在短时间内取得较高的COD去除率，但出水中难降解有机物含量依然较高、氨氮脱除率较低;②A/O工艺能够较好的去除氨氮，但出水COD浓度仍难以达到排放标准;③SBR工艺对负荷波动具有较强的抵抗力，但对酚类物质毒性的耐受性较差，污泥容易流失;④生物膜法能够较好的保持污泥量，但COD去除效率低，负荷低，难以处理大流量煤化工废水;⑤物理吸附工艺虽能有效降低出水COD，但存在吸附剂再生和二次污染等问题;⑥高级氧化工艺能够快速氧化分解难降解有机物并提高废水可生化性，但实际应用中运行费用过高，无法形成产业规模;⑦膜分离技术能够较好的将各种污染物从废水中分离出来，使得出水水质较好，但也存在严重的膜污染和使用寿命等问题。因此，采用多种处理工艺的优化组合，在达到处理效果的同时减少污泥的产生是煤化工废水处理技术的发展方向。

2.2 动力装置

①优化工艺系统减少能量损失，如为提高能源综合利用效率，化工区返回富余的0.5MPa（g）低压蒸汽，用作高压除氧器的加热用汽;动力车间给化工区提供高、中、低压三种规格的蒸汽，化工区将冷凝液通过化工变换装置回收废热后送到动力车间除氧器;②做好保温节能工作，如保温材料的品种将根据不同的介质温度和设备、管道外型、用途来选择，初步考虑有硅酸铝、岩棉等，以上材料都是具有轻质、保温性能好、施工损失率低等优点，设计按经济厚度法确定保温厚度。

2.3 酚氨回收

酚氨回收在整个煤气化废水处理过程中是不可或缺的关键技术环节。鲁奇工艺目前在中国没有工业化实施案例，该工艺将脱氨过程脱除的酸气重新溶于水用于降低進水的pH，虽然能起到提高萃取脱酚效率的作用，但是酸气与废水中的游离氨结合成盐，形成碳铵结晶，容易造成设备管道堵塞。该工艺流程复杂，萃取采用五级混合--澄清槽，占地面积大。赛鼎工艺能有效脱除煤气化废水中的酸性气和氨，但是脱酚效率低，特别是多元酚的脱除率。主要原因是先脱除酸气导致萃取pH>10，pH过高不利于酚萃取，而且DIPE萃取剂对多元酚的脱除率不高。华南理工大学进行了单塔脱酸脱氨和新型萃取剂的开发等大量基础研究，提出了单塔加压侧线抽提工艺，实现了煤气化废水中酸性气、游离氨和固定氨在气体单塔中的同时脱除。改善了萃取脱酚的酸碱环境，并且改进了萃取工艺，采用MIBK作为萃取剂并使用填料萃取塔作为萃取设备，强化萃取过程，提高脱酚效率，特别是对多元酚脱除率明显提高。

2.4 固定床纯氧加压气化

固定床纯氧加压气化有干排灰和液态排渣2种工艺。其工艺特点是：①煤的适应性广，几乎所有煤种，包括强黏结性、高水分（37%）、高灰（35%）、高/低灰熔融性温度煤都是可用的原料。煤质越好，其经济性越好，唯一的要求是煤粒径5mm～50mm;②气-固相逆流接触，由干燥层、干馏层、气化层、燃烧层、灰渣层构成稳定的气化床层;③物料冷进冷出，气化炉类似一个热交换器，碳转化率、气化效率、热效率是3种气化工艺中最高的，氧消耗仅为气流床气化的1/3～2/5;④能有效实现煤的分质利用。煤在干馏过程中产出焦油、酚、氨、硫、煤气等副产品，能有效降低产品的投资与成本;⑤气化压力高，一般为3MPa～4MPa，最高可达10MPa，为在各种压力下的等压合成天然气提供了技术基础，有效降低了投资和能耗。

3 结语

经核算，该煤制天然气项目单位产品综合能耗由于《煤制天然气单位产品能源能耗限额》（GB30179-2013）规定的先进值1.3吨标煤/千标方，能源转化率优于《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》的基准值（51%）、接近先进值（57%）。通过对煤制天然气装置进行优化，可有效实现节能降耗，提高能量利用率。

参考文献：

[1]徐胜利，王景林，陈继军，等.对鲁奇炉褐煤气化废水处理问题的探讨[J].化工进展，2012（S1）：214-217.

[2]曲风臣.煤化工废水“零排放”技术要点及存在问题[J].化学工业，2013，31（2）：18-24.