煤氣化廢水處理
關鍵詞：煤氣化，廢水處理，活性汙泥法，全面進行了分析
王潤濱（延長中煤榆林能源化工甲醇氣化）
摘要煤氣化是減少燃煤汙染的有效途徑，但氣化過程中產生的廢水會對環境造成汙染。本文針對煤氣化廢水中主要汙染物的不同，對其處理方法、治理技術、工藝分別進行了論述，並提出了建議。分別介紹了煤氣化廢水中有用物質的**，生化處理方法以及深度處理方法，同時還介紹了如何維護和有效使用耐火磚。
具體介紹了廢水中酚和氨的**，採用活性汙泥法、生物鐵法，炭—生物鐵法、缺氧—好氧（a—o）法對廢水進行處理，採用活性炭吸附法和混凝沉澱法對廢水進行深度處理，另外統計了數家煤氣化廠家對耐火磚的使用對比。
前言本文一些資料均由廠家提供，本人在煤化工前輩章榮林，唐衛兵，杜柏和等高人的指點下，總結出提供同行前來指點學習，另外還有環保水處理的王春榮老師。
煤化工是以煤為原料，經過化學加工使煤轉化為氣體，液體，固體燃料以及化學產品的過程，主要分為煤炭焦化、煤氣化、煤氣化合成氨、煤氣化合成其他產品及直接液化等。
本人從2023年開始至今，先後從事過20萬、40萬、30萬噸煤製甲醇的專案籌建、裝置訂貨安裝、原始開車和試車工作，180萬噸煤製甲醇原始開車和試車工作，曾經先後學習考察過20萬噸合成氨、30萬噸尿素，20萬噸、60萬噸、30萬噸、120萬噸甲醇專案，16億方煤製天然氣專案；先後從事過天辰、惠生、五環、華陸等設計院所設計的煤氣化工藝。
概述煤氣化是煤化工產業發展最重要的單元技術，採用空氣、氧氣、co2和水蒸氣為氣化劑，在氣化爐內進行煤的氣化反應，可以產生不同組分不同熱值的煤氣。主要用於生產各種燃料氣，是乾淨的能源，有利於提高人民生活水平和環境保護；還可以合成液體燃料和很多化工產品。
煤氣化廢水是煤製焦炭、煤氣淨化及焦化產品**過程中產生的高濃度有機廢水，屬於焦化廢水的一種。水質成分複雜，汙染物濃度高。廢水中含有大量的酚類、聯苯、吡啶、吲哚和喹啉等有機汙染物，還含有氰、無機氟離子和氨氮等有毒有害物質，汙染物色度高，屬較難生化降解的高濃度有機工業廢水。
對煤氣化廢水的處理，單純靠物理、物理化學、化學的方法進行處理，難以達到排放標準，往往需要通過由幾種方法組成的處理系統，才能達到處理要求的程度。因此煤氣化廢水的處理，一直是國內外廢水處理領域的一大難題。
煤氣化被譽為煤化工產業的龍頭技術，目前可作為大型工業化執行的煤氣化技術，可分為固定床氣化技術、流化床氣化技術、氣流床氣化技術。
常壓固定床煤氣化是以空氣、蒸汽、氧氣為氣化劑，在常壓下將煤轉化成煤氣的過程。由於該技術成熟可靠、操作簡單、投資少、建設周期短，在國內冶金、建材、機械等行業廣泛用於製取燃氣；在中小型合成氨廠、甲醇廠用於製取合成氣；在用氣量較少的小型化工裝置中用於製取co和h2。這種煤氣化技術的缺點是原料煤要求較高，且單爐生產能力小、渣中殘碳較高、氣化為常壓煤氣的壓縮功耗高。
隨著煤氣化技術的不斷發展，及國家對煤化工准入生產規模要求的提高，在新建的大型煤化工裝置中一般不採用此技術。
（2）加壓固定床煤氣化技術
圖1 魯奇加壓氣化爐
魯奇加壓氣化技術（圖1）是加壓固定床氣化技術的代表，在20世紀30年代已實現工業化，義馬氣化廠單台爐執行可達172天，是比較成熟的氣化模式。20世紀80年代以來，我國已引進4套現代化的lurgi氣化裝置，其中3套用於生產城市煤氣，1套用於生產合成氨，在設計、安裝和執行方面均已取得豐富經驗。該氣化技術原料適應範圍廣，除黏結性較強的煙煤外，從褐煤到無煙煤均可氣化，且可氣化灰份高的劣質煤。
lurgi氣化爐中煤與氣化劑逆向運動，爐溫較低，採用固態排渣。lurgi固定床氣化工藝成熟可靠,包括所副產焦油在內的氣化效率、碳轉化率、氣化熱效率都較高，氧耗是在各類氣化工藝中最低的，且原料製備、排渣處理簡單。由於煤氣中含有ch4，熱值是各類氣化工藝中最高的，適合於生產城市煤氣。
傳統觀念認為，若選擇lurgi固定床氣化工藝制合成氣存在以下問題：煤氣成分複雜。合成氣中含不直接參與合成的ch4約10%～18%，如果將這些ch4轉化成h2、co，勢必投資大、成本高。
大量冷凝汙水需處理。汙水中含大量焦油、酚、氨等，因此需建焦油**裝置，且酚、氨**和生化處理裝置增加了投資和原材料消耗。lurgi氣化技術原料為5mm～50mm塊煤，若購原煤則有佔總量50%～55%的粉煤需處理。
我國對能源節約日益重視，煤化工裝置要求大型化、多聯產。lurgi加壓固定床煤氣化技術同樣適於大型化（多台氣化爐並運）、多聯產的煤化工裝置。如南非薩索爾已使用了97臺lurgi氣化爐；新疆廣匯新能源****準備建設16臺lurgi氣化爐；中國大唐電力公司也將在內蒙古自治區上煤製天然氣專案，採用48臺lurgi氣化爐。
2．流化床氣化技術[3]
圖2 沸騰床氣化流程圖
流化床氣化又稱為沸騰床氣化（圖2），以小顆粒煤為氣化原料。這些細粒煤自下而上的氣化劑吹力作用下，保持著連續不斷、無秩序沸騰和懸浮狀態的運動，迅速地進行混和及熱交換，使整個床層溫度和物料組成均一。為適應裝置大型化的要求，流化床煤氣化有向高壓發展的趨勢，但壓力增加，會造成進煤和排灰工段的困難。
由於其氣化溫度較氣流床低，且氣化煤的顆粒比氣流床大，使其氣化不徹底，飛灰和渣中的殘碳均較高；如果氣化原料中小於1mm的粉煤太多，也會造成氣化爐帶出物多、操作困難及增加消耗等問題，所以流化床煤氣化技術發展較慢。
u-gas煤氣化工藝由美國煤氣化工藝研究所開發。2023年，上海焦化廠引進u-gas煤氣化技術及裝置，共有8臺氣化爐，全套裝置於2023年建成投產，由於種種原因，目前這套裝置已被拆除。現u-gas煤氣化技術歸美國綜合能源系統****擁有，該公司在山東棗莊建了2臺u-gas煤氣化爐，氣化壓力為0.
25mpa，現已產出合格煤氣。目前該公司正在開發0.5mpa和1.
0mpa的氣化爐。
（2）灰熔聚流化床煤氣化技術
中科院山西煤炭化學研究所進行灰熔聚流化床粉煤氣化技術研發已20多年，於2023年完成大規模低壓中間試驗工作。2023年，常壓下單爐處理能力100t/d，配套20kt/a合成氨規模的工業示範裝置在陝西省漢中固城化肥廠成功執行，該技術的工業化應用，引起了國內外產業界的重視和關注。但該技術的規模、壓力等級等技術指標與化工合成或未來發電的要求還有一定差距，因此研究組近10年來著力進行了加壓氣化工藝的研發。
2023年～2023年設計並建立了可獲得工業放大資料和經驗的大型加壓灰熔聚流化床粉煤氣化半工業裝置。2023年初完成建設，經半年的裝置除錯和完善，2023年12月完成了1.0mpa的長週期試驗，取得了較好的資料並積累了一定的執行經驗。
現能夠達到的操作壓力為0.03mpa～0.6mpa，單台氣化爐處理煤的能力為100t/d～300t/d，可配套20kt/a～60kt/a合成氨或甲醇。
目前正在實施的工業專案有：（1）山西晉城無煙煤礦業集團****6臺0.6mpa灰熔聚流化床粉煤氣化裝置生產100kt/a汽油所需的化工合成氣；（2）內蒙古霍煤雙興煤氣化有限責任公司0.
6mpa氣化裝置生產60km3/h煤氣；（3）河北石家莊金石化肥廠0.6mpa灰熔聚流化床粉煤氣化裝置生產50kt/a合成氨等。
德士古氣化技術
德士古氣化技術（圖3）是由美國德士古開發公司開發的。它是將煤磨成水煤漿，加入新增劑、助熔劑等形成黏度為0.8pa·s～1.
0pa·s、煤漿質量分數為60%以上的漿狀物，加壓後噴入爐內，與純氧進行燃燒和部分氧化反應，在1300℃～1400℃下氣化，生產合成原料氣。該技術在世界上已有幾十套工業化裝置正在執行，其中有二十幾套在我國，包括陝西渭河化肥廠、上海焦化廠三聯供裝置、山東魯南化肥廠和安徽淮南化肥廠、神木60萬噸甲醇等。魯南化肥廠用於生產合成氨原料氣，採用激冷流程，操作壓力為3.
0mpa；淮南化肥廠年產合成氨30萬t，尿素52萬t，氣化壓力4.0mpa，採用激冷流程，氣化爐3臺，目前執行良好；上海焦化廠三聯供裝置氣化壓力4.0mpa，氣化爐4臺，激冷流程，用於生產甲醇。
由於其專利費較高，而國內有自主智財權的水煤漿氣化技術也成功開發，如西北多元料漿，預計未來新建水煤漿氣化裝置會更多採用國內技術。
圖3 德士古氣化爐
多噴嘴對置式水煤漿氣化技術
多噴嘴對置式氣化爐（圖4）是由華東理工大學開發的一種水煤漿氣化技術。2023年10月，兗礦國泰化工****建成2臺處理能力為1150t/d的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐（4.0mpa），並投入執行。
多噴嘴對置式氣化技術和德士古氣化技術相比優勢在於：(a)比煤耗和比氧耗分別降低2.2%和7.
9%；(b)負荷調節速度快、範圍大、適應力強，燒嘴可實現在另一對燒嘴正常工作情況下投運，增加了系統的穩定性；(c)由於單個燒嘴處理的煤量相對較少，燒嘴的執行時間更長。目前國內已投產和在建的裝置有十幾套，這將是近一段時間我國大型煤化工的主選煤氣化技術之一。
圖4 多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工藝原理簡圖
（2）幹煤粉氣化技術
殼牌（shell）氣化技術
shell氣化工藝是由殼牌國際石油公司開發的乾法粉煤加壓氣流床氣化技術。2023年在荷蘭buggenum建成日投煤2000t大型商業化裝置，用於聯合迴圈發電，目前執行良好，發電效率達到43%，排放物完全滿足苛刻的環保要求。shell煤氣化採用廢鍋流程，可生產較多的蒸汽，適於聯合迴圈發電，如用於生產化工產品，還要加蒸汽變換，所以廢鍋流程在化工行業優勢並不明顯。
我國目前建成和在建shell爐有十幾台，根據雙環、安慶、洞氮、枝江4家單位的運**況來看，雖連續執行時間也在慢慢增加，但都存在一些問題，要想長時間連續穩定執行還需繼續完善。
gsp氣化技術
gsp氣化技術是德國未來能源公司開發的氣化技術。2023年在德國黑水幫浦建成了130mw氣化裝置（投褐煤量720t/d～750t/d，設計壓力為3.0mpa，工作壓力2.
5mpa，產氣量為50000m3/h，氣化爐內徑1.9m，壓力容器外殼內徑2.4m），氣化原料是德國東部的褐煤。
採用激冷流程，高溫煤氣在激冷室上部被若干水噴頭激冷至200℃左右，然後用文丘里除塵器將煤氣含塵量降低到1mg/m3以下。目前國內寧煤集團的甲醇制烯烴（mto）裝置採用的是gsp煤氣化技術，現尚未投產。
ht-l氣化技術
中國航天集團十一所跟蹤國際先進的煤氣化技術的發展，開發了ht-l粉煤加壓氣化技術。該技術具有煤種適應性廣、潔淨高效、建設和執行費用低等優點，且具有完全的自主智財權，所有裝置均可國產化，非常適應我國對煤炭利用技術的要求。ht-l粉煤加壓氣化技術充分借鑑吸收了當今世界兩大先進煤氣化技術的優點，備煤、輸煤、燃燒調節系統、氣化爐輻射段採用粉煤氣流床氣化技術，灰渣水、洗滌、淨化系統則採用水煤漿工藝的急冷流程技術。
濮陽市甲醇廠20萬t/a甲醇改擴建工程已採用ht-l氣化技術，若濮陽甲醇廠使用狀況良好，該技術將會有較快發展，目前有寧夏寶豐正在建設。
兩段式幹煤粉加壓氣化技術
西安熱工研究院****開發了兩段式幹煤粉加壓氣化技術，氣化爐採用水冷壁爐膛、液態排渣。執行時，向下爐膛內噴入粉煤、水蒸氣和氧氣，向上爐膛噴入少量粉煤和水蒸氣。利用下爐膛的煤氣顯熱進行上爐膛煤的熱解和氣化反應，以提高總的冷煤氣效率；同時顯著降低熱煤氣溫度，使得爐膛出口的煤氣降溫至灰熔融性溫度以下，從而省去冷煤氣激冷流程。
2023年，建成了處理煤量36t/d～40t/d（10mw）的幹煤粉加壓氣化中試裝置。2000t/d級兩段式幹煤粉加壓氣化爐（廢鍋流程）已經應用於華能集團「綠色煤電」專案；1000t/d級兩段式幹煤粉加壓氣化爐（激冷流程）也已應用於內蒙古世林化工****年產30萬t甲醇專案。與國外先進的乾粉煤氣化技術相比，冷煤氣效率可提高2%～3%，比氧耗低10%～15%。
隨著該技術的工業化應用，基於其冷煤氣效率高、比氧耗低等優勢，將會有更大的發展。
廢水處理複習
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