煤化工產業節能減排技術的創新及應用

王秀國，馬磊，楊麗霞

（兗礦集團煤化分公司，山東 鄒城 273500）

煤化工產業節能減排技術的創新及應用

王秀國，馬磊，楊麗霞

（兗礦集團煤化分公司，山東 鄒城 273500）

清潔煤利用是煤化工產業發展的最佳途徑，其必須在確保完成政府及環保部門下達的節能減排目標的基礎上才能發展，才能實現煤炭的清潔綜合利用。以煤化工產業中的大型企業山東兗礦集團為例，介紹了該企業在生產過程中的節能減排技術創新、技術應用等有益探索及顯著成效。

煤化工;節能減排;技術創新

近年來，我國各級政府都把節能減排工作擺到產業發展的優先位置，對此制定實施了一系列政策法規，并在“十一五”和“十二五”時期的有關發展規劃中明確提出將“節能減排指標作為約束性指標”。特別是黨的十八屆三中全會，對節能減排工作提出了更高的要求，十八屆三中全會《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》中指出:“完善污染物排放許可制，實行企事業單位污染物排放總量控制制度。對造成生態環境損害的責任者嚴格實行賠償制度，依法追究刑事責任”。煤化工企業應認真履行肩負的政治和社會責任，把節能減排作為企業長遠發展的戰略舉措，與安全發展和生產經營擺在同等重要的位置，堅持常抓不懈。落實節能減排的責任一是要堅持技術創新，通過技術創新提高節能和減排的力度；二是要抓好節能減排技術的實際應用，把技術成果轉化成為企業的經濟效益和社會效益。

1 堅持節能減排技術的創新，是實現節能減排目標的根本途徑

煤化工產業在發展中，應注重自主知識產權核心技術的研發，建立以現有企業為依托的技術研發體系，大力培育煤化工核心技術。如煤化工產業中的大型企業山東兗礦煤化工分公司，先后完成了“新型水煤漿氣化技術”等3項國家“863”計劃課題研發任務，成功開發出水煤漿氣化、低溫費托合成煤制油、高溫費托合成煤制油等10多項具有自主知識產權的核心技術。自主研發的煤炭間接液化技術中試成功，獲得18項中國專利，達到國內領先、國際先進水平。新型氣化爐技術先后向9家企業實施技術許可，獲得技術轉讓收入2.58億元。

高效回收利用甲醇生產排放的CO2做到CO2零排放。兗礦國泰化工有限公司20萬t/a醋酸項目生產工藝采用國內有自主知識產權的“甲醇低壓羰基合成醋酸技術”。生產原料為甲醇和CO氣體。CO氣體是該公司生產甲醇過程中產生的CO2與焦炭發生還原反應后生成的。CO2收集主要由以下兩個途徑：1）甲醇生產過程中應排放的CO2氣體約4500m3/h；2）CO車間產生的CO2氣體約2300m3/h。應排放的CO2全部被回收。在生產不正常期間，外購部分CO2。

CO2還原生產CO工藝流程見圖1。

圖1 CO2還原生產CO工藝流程

按照魯南化工國泰公司2007年全年生產醋酸21.6萬t計算，該企業2007年有效回收利用CO2氣體約10萬t，CO2有效利用率在90%以上。2008年經過擴產改造醋酸產量已經達到30萬t/a，可利用CO2氣體約14萬t。

2 利用先進的空氣凈化手段實現廢氣的綜合利用

利用凈化脫除二氧化碳氣生產尿素產品。兗礦魯南化肥廠現有新、老三套尿素生產系統。

第一套尿素系統采用傳統的間歇性造氣生產半水煤氣，凈化采用復合熱鉀堿法脫除CO2，用合成氣制取合成氨，脫除的CO2與液氨生產尿素。該系統采用無煙煤制氣，其固定碳含量平均可達75%，在制氣過程中碳轉化為CO和CO2，CO再變換為CO2和H2，CO2在脫碳工序中被分離出來作為生產尿素的原料。噸尿素耗煤754kg，噸尿素耗CO2733kg，其中元素碳消耗為199.9kg，無煙煤中大約35.3%的碳元素被固定在尿素當中。老系統合成氨與尿素流程簡圖見圖2，新系統流程簡圖見圖3。

第二套尿素系統采用德士古水煤漿加壓氣化生產水煤氣，凈化采用NHD脫硫、脫碳技術，用合成氣制合成氨，脫除的CO2與液氨生產尿素。

圖2 流程簡圖

圖3 新系統流程簡圖

第三套尿素系統采用的是新型（多噴嘴對置式）氣化爐技術，凈化采用NHD脫硫、脫碳技術，用合成氣制合成氨，采用二氧化碳氣提工藝生產尿素。這兩套系統采用煙煤氣流化床氣化制合成氣，原料煤中固定碳含量平均為50%，在氣化過程中碳轉化為CO和CO2，CO再變換為CO2和H2，CO2在脫碳工序中被分離出來做為生產尿素的原料。噸尿素耗煤783kg，噸尿素耗CO2733kg，其中元素碳消耗為199.9kg，無煙煤中大約有51%的碳元素被固定在尿素當中。

目前，該廠三套尿素生產裝置總生產能力可達年產80萬t，通過計算可得到消耗CO2量：80×44÷60=58.67萬t。

3 推廣煤化工多聯產IGCC潔凈煤發電技術，減少CO2排放

兗礦國泰化工有限公司在煤氣化發電與甲醇聯產系統中，實現了IGCC（整體煤氣聯合循環發電系統）與甲醇生產系統的有機整合，整個聯產系統的總能利用效率達57%。該系統中IGCC的供電效率折算約為39.5%，大大高于常規火電30%的發電效率。同時燃氣輪機的燃料氣中摻燒近20%的甲醇釋放氣，單位發電CO2的排放量減少了近30%。該系統流程在內部直接脫硫、除塵、分離CO2，回收單質硫，通過提高效率減排CO2，捕集的CO2的90%用于生產醋酸實現CO2利用。按照國泰公司2007年燃氣輪機發電量6萬kW·h計算，CO2年減排量約為11.7萬t（參照CDM基準線華北地區電網的排放系數為0.9066kgCO2/kW·h）。

實測主要技術指標達到：滿負荷時，串并聯系統比并聯分產系統總能利用效率提高3.14%，甲醇生產能力提高20%以上；聯產后煤氣化發電比同等容量IGCC電站供電效率高6%。兗礦國泰IGCC發電與同規模常規蒸汽輪機電站供電煤耗和污染物排放比較見表1。表2為煤制甲醇集成IGCC與煤制甲醇配常規蒸汽輪機自備電站的能耗和污染物排放比較。

該煤氣化聯合循環聯產甲醇項目，是我國近30年來第一個應用實例。以煤氣化為基礎的聯產是新一代潔凈煤技術，國際上研究了10余年，該項目也是世界上第一個應用成功的實例。

（1）大力實施循環經濟建設

該企業累計投資23.09億元，建設了裝機總容量527MW的9座煤泥、煤矸石等低熱值電廠，取消鍋爐38臺（364蒸噸），形成以發電為龍頭，熱、電、氣聯供，污水處理、余熱養殖、建材生產并舉的綜合利用產業鏈。同時推廣新型鍋爐燃煤添加劑，鍋爐節煤率提高15%，有效降低了鍋爐煙塵及SO2排放。

表1 IGCC與常規電站供電煤耗及污染物排放比較

表2 煤制甲醇集成IGCC與煤制甲醇配常規自備蒸汽輪機電站的能耗及污染物排放比較

（2）利用干熄焦鍋爐產生蒸汽發電，減少CO2排放

山東兗礦國際焦化有限公司是一個年生產200萬t焦炭、20萬t甲醇和10萬t焦油的大型焦化企業。采用干法熄焦，并利用干熄焦過程所產生的余熱進行發電（流程見圖4）。

該發電站安裝德國ABB公司生產的GBA0-1120-LD型機組一臺，額定輸出功率為31.44MW，保守起見，功率因子按0.8計算，年運行時間按照7200h計算，廠自用電率按照9%計算，則發電機組正產運行年發電量為164,796MW·h。

由于該項目的建成發電量將取代華北電網的同等電量，而華北電網主要是以燃煤為主的燃煤電廠，因而可以減少華北電網中燃煤發電的溫室氣體排放。按照國家發改委最新公布的電網基準公布因子，該項目可取代燃煤發電所產生的溫室氣體排放量11萬tCO2。

圖4 干熄焦流程圖

4 利用先進的設備替代傳統的設備，提高運行效率

先進的循環流化床鍋爐替代傳統鍋爐，提高了鍋爐效率，從而可減少CO2排放。兗礦魯南化肥廠現有的循環流化床與傳統鍋爐（鏈條爐）相比，循環流化床鍋爐效率要提高10%以上。其原因分析如下：1）采用低溫動力控制燃燒；2）高速度、高濃度、高通量的固體物料流態化循環過程；3）高強度的熱量、質量和動量傳遞過程；4）采用流化方式，煤進入爐膛后，受熱發生裂變、粉碎，顆粒逐漸變小。因流化原因，爐膛中間氣流、煤灰顆粒上升，四周顆粒下降，加劇了與水冷壁的交換；5）循環流化床鍋爐采用膜式水冷壁全密封，熱交換強烈，散熱小。按照目前魯化循環流化床鍋爐蒸氣量進行折算，與普通鍋爐比較，CO2減排量為9.39萬t（435t/h×0.16 t煤/t蒸汽×0.75×10%×7200h×2.5= 9.396萬t。其中0.16為蒸汽耗煤系數；0.75為鍋爐煤折標煤量；2.5為CO2折標準煤系數）。綜上，魯化每年CO2回收利用及減排量約68.50萬t。

按照兗礦國泰化工有限公司循環流化床鍋爐的蒸氣量進行折算，與普通鍋爐比較，CO2減排量為11.23萬t（520t/h×0.16t煤/t蒸氣×0.75×10%×7200h×2.5= 11.23萬t。其中0.16為蒸汽耗煤系數；0.75為鍋爐煤折標煤量；2.5為CO2折標準煤系數）。

兗礦國宏化工有限責任公司、兗礦嶧山化工有限公司和山東兗礦國際焦化有限公司按照以上標準折算后的CO2總減排量為11.56萬t。

優化脫硫脫碳工藝減少二氧化硫排放。該集團針對高硫煤特點，對耐硫變換工藝、NHD脫硫脫碳工藝等進行了優化，使得變換后的氣體經冷卻分離后進入NHD脫硫，脫硫后氣體中的H2S≤10mg/Nm3，經干法脫硫后，總硫含量降至＜ 1ppm，脫硫后的氣體直接進入NHD脫碳，將氣體中的CO2降至≤0.2%。脫碳后的氣體經氣體精制系統，根據不同的產品，選擇不同的精制單元。精脫硫將總硫控制在0.1ppm以內，基本實現了硫的零排放。脫除的硫由過克勞斯硫回收裝置回收，回收率＞99.6%，增加了硫磺回收量，提高了硫磺資源回收率。兗礦煤化工項目每年可回收7萬t硫磺。

5 堅持廢水治理并實現回用，發展循環經濟

（1）采用先進的污水治理技術，實現減排

兗礦集團煤化工企業均位于山東省南水北調沿線保護區內，排放指標要求高（水污染綜合排放標準為COD60mg/L、氨氮15mg/L）。為確保達標排放，兗礦投巨資建成了全國化肥行業規模最大、工藝最先進的污水處理廠（A/O+接觸氧化+反滲透工藝、二段A/O+曝氣生物濾池工藝），實現了污水最大限度地重復利用，提高了煤化工企業的水資源利用效率。目前各企業COD平均排放24mg/L、氨氮1.8mg/L，遠遠低于山東省排放要求。

（2）提高中水綜合利用水平

在嚴格污水達標排放的基礎上，加大投資力度，大力實施礦區礦井水、生活污水深度處理和回用工程。2011年該集團投入2.27億元用于污水資源化和再利用工程，當年礦井水、化工生產污水和生活污水的回用率分別達到90%和60%，減少了地下取水306萬m3。

通過采用先進的潔凈煤氣化技術、多聯產工藝、潔凈煤發電、煙氣脫硫、污水處理等技術，兗礦現有生產企業每年可以回收利用CO2109.34萬t，減少CO2排放54.89萬t，回收硫磺7萬t，90%生產污水回用，從而減少了SO2、溫室氣體、化工廢水排放，維護了生態環境，為實現煤炭資源型區域可持續發展，促進地方經濟穩定發展創造了條件。

Innovation and Application on Industry Energy Saving & Emission Reduction Technology in Coal and Chemical Industries

WANG Xiu-guo, MA Lei, YANG Li-xia

X784

A

1006-5377（2014）04-0020-04