煤化工非正常生產(chǎn)污染排放探討

O龔曉峰 荊琦 張景康 王榮（中國石油大學(xué)(華東) 山東 266580）

煤化工非正常生產(chǎn)污染排放探討

O龔曉峰 荊琦 張景康 王榮
（中國石油大學(xué)(華東) 山東 266580）

本文以GE法和東方爐法為基礎(chǔ)，分析研究了煤化工工藝在非正常生產(chǎn)階段污染的排放，以供煤化工企業(yè)在生產(chǎn)與污染防治過程中進(jìn)行參考。

GE；東方爐；煤化工；非正常生產(chǎn)；污染

1.前言

我國是一個油氣資源相對匱乏的國家，另一方面我國擁有豐富的煤炭儲量，長期以來我們只是利用煤炭進(jìn)行發(fā)電、取暖等低利用率高污染的產(chǎn)業(yè)。煤制油、煤制烯烴及其衍生物、煤制天然氣、煤制二甲醚等煤化工行業(yè)恰好在解決這兩個問題方面展示出了巨大的商機(jī)與潛力。然而作為一個新興的行業(yè)，煤化工行業(yè)必然存在著許多問題尚待發(fā)現(xiàn)與解決，比如生產(chǎn)過程中的能耗水耗、工藝的能源利用率以及效益值等，這是當(dāng)前國家審批部門最關(guān)心的問題和主要的研究方向。但在整個研究過程中，人們忽略了一個重要的環(huán)節(jié)即開停車等非正常生產(chǎn)環(huán)節(jié)所帶來的問題。到底非正常生產(chǎn)環(huán)節(jié)的污染問題嚴(yán)重與否，非正常生產(chǎn)環(huán)節(jié)的具體哪個階段污染所占比重更大，本文將通過GE法和東方爐法的理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的對比對以上問題進(jìn)行一一解答。

2.工藝簡介

(1)GE法工藝簡介

Texaco（德士古）水煤漿加壓氣化工藝簡稱GE，是美國德士古石油公司在重油氣化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要由以下五大系統(tǒng)組成:

①制漿系統(tǒng):制漿系統(tǒng)用于水煤漿的制備。原料煤經(jīng)煤稱重給料機(jī)計(jì)量后送人磨機(jī)，同時在磨機(jī)中加入水、添加劑、石灰石、氨水，經(jīng)磨機(jī)研磨成具有適當(dāng)粒度分布的水煤漿，合格的水煤漿由低壓煤漿泵送人煤漿槽中。②合成氣系統(tǒng):水煤漿經(jīng)高壓煤漿泵加壓后與高壓氧氣經(jīng)燒嘴混合后呈霧狀噴入氣化爐燃燒室，在燃燒室中進(jìn)行復(fù)雜的氣化反應(yīng)，生成的煤氣(稱為合成氣)和熔渣經(jīng)激冷環(huán)及下降管進(jìn)人氣化爐激冷室冷卻，冷卻后的合成氣經(jīng)噴嘴洗滌器進(jìn)人碳洗塔，熔碴落人激冷室底部冷卻、固化，定期排出。在碳洗塔中，合成氣進(jìn)一步冷卻、除塵，并控制水氣比(即水汽與干氣的摩爾比)，然后合成氣出碳洗塔進(jìn)入后工序。③燒嘴冷卻系統(tǒng)：工藝燒嘴是氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，一般為三流道外混式設(shè)計(jì)，在燒嘴中煤漿被高速氧氣流充分霧化，以利于氣化反應(yīng)。由于燒嘴插人氣化爐燃燒室中，承受1400℃左右的高溫，為了防止燒嘴損壞，在燒嘴外側(cè)設(shè)置了冷卻艋管，在燒嘴頭部設(shè)置了水夾套，并由一套單獨(dú)的系統(tǒng)向燒嘴供應(yīng)冷卻水，該系統(tǒng)設(shè)置了復(fù)雜的安全聯(lián)鎖。④鎖斗系統(tǒng):落入激冷室底部的固態(tài)熔渣，經(jīng)破渣機(jī)破碎后進(jìn)人鎖斗系統(tǒng)（鎖渣系統(tǒng)），鎖斗系統(tǒng)設(shè)置了一套復(fù)雜的自動循環(huán)控制系統(tǒng)，用于定期收集爐渣。在排渣時鎖斗和氣化爐隔離鎖斗循環(huán)分為減壓、清洗、排渣、充壓四部分，每個循環(huán)約30分鐘，保證在不中斷氣化爐運(yùn)行的情況下定期排渣。⑤閃蒸及水處理系統(tǒng):閃蒸及水處理系統(tǒng)主要用于水的回收處理。氣化爐和碳洗塔排出的含固量較高黑水，送往水處理系統(tǒng)處理后循環(huán)使用。首先黑水送人高壓、真空閃蒸系統(tǒng)，進(jìn)行減壓閃蒸，以降低黑水溫度，釋放溶性氣體及濃縮黑水，經(jīng)閃蒸后的黑水含固量進(jìn)一步提高，送往沉降槽澄清，濾清后的水循環(huán)使用。

(2)東方爐工藝簡介

SE-東方爐粉煤氣化技術(shù)（簡稱SE-東方爐）是由中石化寧波技術(shù)研究院有限公司/中石化寧波技術(shù)研究院有限公司與華東理工大學(xué)合作開發(fā)的激冷流程粉煤氣化技術(shù)。該方法針對化工合成氣的制備工藝特點(diǎn)，采用干煤粉加壓氣化配激冷流程，核心技術(shù)為單噴嘴水冷壁氣化爐。整個氣化裝置由煤粉制備、粉煤高壓供料與輸送、氣化與激冷、合成氣初步凈化以及渣水處理單元組成。SE一東方爐氣化工主要工藝流程配置內(nèi)容如下：

①主要工藝單元，包括磨煤及干燥、粉煤加壓及輸送、氣化及洗滌、除渣等單元設(shè)置多系列，分別對應(yīng)一臺氣化爐，增加系統(tǒng)操作的可靠性及裝置的開工率。②采用磨煤與干燥一體化的制粉系統(tǒng)，用于制備符合一定粒度與濕含量要求的煤粉。③粉煤加壓及輸送單元內(nèi)，一個系列設(shè)置一個常壓粉煤倉、一個粉煤鎖斗或兩個粉煤鎖斗(日投煤1500噸以上配置兩個粉煤鎖斗)和一個高壓粉煤給料罐，通過粉煤鎖斗的放料一泄壓一進(jìn)料一加壓的操作循環(huán)，將粉煤分批次、穩(wěn)定可控地從常壓粉煤倉送至粉煤給料罐。④采用列管式水冷壁氣化爐，每臺氣化爐頂部設(shè)置一個集點(diǎn)火、開工和投煤于一身的組合式燒嘴，激冷流程。⑤粉煤給料罐、輸送管線上設(shè)置的通氣錐、通氣管、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥組成了粉煤加壓、濃相輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)是粉煤加壓氣化技術(shù)的核心之一，為氣化爐提供穩(wěn)定可控的煤粉。根據(jù)投煤能力和氣化爐規(guī)格，設(shè)置2條或3條以上煤線，對應(yīng)設(shè)置氧線，氧線和煤線相對應(yīng)，提高系統(tǒng)操作靈活性。⑥氣化爐內(nèi)粗合成氣的洗滌及激冷采用噴淋床與鼓泡床組成的復(fù)合床式洗滌冷卻設(shè)備，能較好地抑制粗合成氣帶水、帶灰。⑦粗合成氣的初步凈化順序通過混合器、旋風(fēng)分離器、水洗塔完成，具有高效分離與節(jié)能功效。⑧灰水處理單元內(nèi)采用蒸發(fā)熱水塔回收灰水熱量，來自氣化及洗滌單元的灰水和在此閃蒸出來的蒸汽與返回灰水直接接觸回收熱量，該工藝具有節(jié)能、不易堵渣的特點(diǎn)，可確保裝置長周期運(yùn)行。

3.開停車工藝

(1)GE法開停車工藝

①開車。單臺氣化爐開車需經(jīng)過升溫、升壓過程，達(dá)到下游變換裝置接氣條件后將粗合成氣從火炬管道切換至變換裝置，在此之前，粗合成氣經(jīng)洗滌塔降溫除塵后送至高壓富氫火炬進(jìn)行燃燒處理。開車流程如下：

A．氣化爐升溫。氣化爐升溫采用燃料氣烘爐，在純氧的氣氛中，燃料氣燃燒放熱，升溫過程約30min，氣化爐內(nèi)的溫度達(dá)到1000 ℃左右，此時氣化爐內(nèi)壓力約1．5 MPa。

B．氣化爐升壓。當(dāng)氣化爐升至約1000℃后，利用低溫甲醇洗來的高壓CO2作為輸送氣（氣量約為滿負(fù)荷生產(chǎn)過程輸送氣流量的75%），將煤粉通過噴嘴與高壓氧氣一同噴入氣化爐中，繼續(xù)升溫升壓，整個過程約1h。壓力穩(wěn)定后，粗合成氣進(jìn)入下游變換裝置。

②停車。單臺氣化爐停車時，關(guān)閉氣化爐出口，泄壓后，用N2將爐內(nèi)的合成氣吹掃出氣化爐，整個過程廢氣均排往火炬。

本項(xiàng)目正常工況時為5臺氣化爐同時運(yùn)行，據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，每臺氣化爐一般75天就需更換一次，全年按8760小時計(jì)。

（2)東方爐開停車工藝

開車流程如下：①氣化爐升溫。氣化爐升溫采用燃料氣柴油烘爐，在純氧的氣氛中，燃料氣燃燒放熱，升溫過程約30min，氣化爐內(nèi)的溫度達(dá)到1000℃左右，此時氣化爐內(nèi)壓力約1．5MPa。②氣化爐升壓。當(dāng)氣化爐升至約1000℃后，利用低溫甲醇洗來的高壓CO2作為輸送氣（氣量約為滿負(fù)荷生產(chǎn)過程輸送氣流量的75%），將煤粉通過噴嘴與高壓氧氣一同噴入氣化爐中，繼續(xù)升溫升壓，整個過程約1h。壓力穩(wěn)定后，粗合成氣進(jìn)入下游變換裝置。③停車。單臺氣化爐停車時，關(guān)閉氣化爐出口，泄壓后，用N2將爐內(nèi)的合成氣吹掃出氣化爐，整個過程廢氣均排往火炬。④本項(xiàng)目擬采用粉煤加壓氣化工藝，共設(shè)置6臺氣化爐，5開1備。在全廠正常生產(chǎn)過程中，由于高壓煤粉對氣化爐噴嘴的磨損作用，出于安全生產(chǎn)的考慮，每臺氣化爐需定期停車檢修，更換氣化爐噴嘴。據(jù)氣化爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，每臺氣化爐一般150天就需更換一次，全年按8000小時計(jì)。

4.結(jié)果分析與比較

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式以及元素守恒定律可以計(jì)算出在開停車非正常生產(chǎn)階段的污染物理論排放量。根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)公式以及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取我們也能選出污染物的經(jīng)驗(yàn)排放量，匯總?cè)缦卤硭荆?/p>

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東方爐水煤漿氣化裝置開停車階段污染排放表項(xiàng)目開車升溫階段 開車升壓階段 停車卸壓階段SO2經(jīng)驗(yàn)/ kg SO2理論/ kg NO經(jīng)驗(yàn)/ kg NO理論/ kg SO2經(jīng)驗(yàn)/t SO2理論/t NO經(jīng)驗(yàn)/t NO理論/t SO2經(jīng)驗(yàn)/t SO2理論/t NO經(jīng)驗(yàn)/t NO理論/t數(shù)值 0.06 0.058 0.1 0.0035 0.48 0.48 0.55 0.62 0.019 0.019 0.011 0.0076比例/% 0.012 0.012 0.017 0.0005 96.18 96.18 96.64 98.79 3.81 3.81 1.93 1.21

(1)非正常生產(chǎn)不同階段污染物排放比較

從表中數(shù)據(jù)可以看出對于GE水煤漿氣化工藝和東方爐氣化工藝無論是理論計(jì)算還是經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，其污染物NO和SO2都主要集中在開車升壓階段，都超過了整個非正常生產(chǎn)階段的90%以上，而開車升溫階段的污染物排放都不足整個非正常生產(chǎn)階段的1%，幾乎可以忽略不計(jì)其影響。

(2)全年開停車過程污染物排放量與總排放量的分析

通過計(jì)算可以看出，GE水煤漿氣化工藝過程中，全年NO的排放量為550噸，SO2的排放量為650噸，非正常工作階段的NO排放量為8．49噸，SO2排放量為6．59噸，分別只占了全年總排放量1．54%和1．01%（經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果為3．88% 和0．82%）；對于東方爐氣化工藝過程來說，其非正常工作階段的NO排放量為6．97噸（經(jīng)驗(yàn)算法為6．32噸），SO2排放量為5．54噸（經(jīng)驗(yàn)算法為5．54噸），分別只占了全年總排放量1．27%（經(jīng)驗(yàn)算法為1．15%）和0．85%（經(jīng)驗(yàn)算法為0．85%），兩種方法的非正常排放都只占總排放量的1%左右，并不是污染的主要來源基本可以忽略其影響

總結(jié)

通過以上的計(jì)算與比較可以看出，煤化工工藝的非正常生產(chǎn)階段所造成的污染在整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中所占的比例很小，其主要污染環(huán)節(jié)仍集中在正常生產(chǎn)階段。對于煤化工工藝的污染防治問題我們應(yīng)該將主要精力集中在正常生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以避免不必要的浪費(fèi)。對于生產(chǎn)規(guī)模很大，污染物排放量巨大的產(chǎn)業(yè)，其非正常生產(chǎn)階段的污染物排放可能無法忽略。這時如果需要采取措施我們應(yīng)該著重關(guān)注開車升壓環(huán)節(jié)，開車升壓階段是非正常生產(chǎn)階段的主要污染環(huán)節(jié)。

[1]陳慶齡,楊為民,滕加偉.《中國石化煤化工技術(shù)最新進(jìn)展》,2013, 34:217-224.

[2]張磊.《GE水煤漿氣化工藝改進(jìn)探討》.1005—9598(2013)一02—0036

[3]張煒,亢萬忠,郭文元.《SE一東方爐煤氣化技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用》. 2015,315103

Discussion of Coal Chemical Industry Abnormal Production Pollution Discharge

Gong Xiaofeng, Jing Qi, Zhang Jingkang, Wang Rong
（China University Of Petroleum(Eastern China), Shandong, 266580）

This paper takes GE method and eastern furnace method as the basis, and it takes research on the pollution discharge of coal chemical industry technology in the stage of abnormal production so that to provide reference for the coal chemical industry enterprises in the process of production and pollution prevention.

GE；eastern furnace；coal chemical industry；abnormal production；pollution

T

A

龔曉峰（1995～），男，中國石油大學(xué)（華東），研究方向：安全工程專業(yè)。