現代煤化工污染治理技術分析與環境管理政策建議

孫磊磊，劉志學，吳瓊慧，滕 巍

(生態環境部環境工程評估中心，北京 100012)

1 現代煤化工行業概況

目前我國國民經濟已由高速增長階段轉向供給側高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的關鍵期。在此背景下，現代煤化工需科學規劃、慎重決策、穩步推進，該行業由“十二五”期間的產業化初級階段邁入“十三五”產業化升級示范階段。隨著煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇等示范工程成功運行，其技術進步和產業化均走在世界前列。煤化工行業堅持貫徹實施創新驅動戰略，轉型升級步伐加快，運行情況有所改善，行業集中度有所提高并向高質量發展邁出堅實步伐，關鍵技術水平已居世界領先地位，示范項目運行水平不斷提升，自主技術裝備水平大幅提高，培養了一批骨干企業和人才隊伍，促進了資源地區經濟轉型發展。截止2018年年底，我國現代煤化工行業發展已初具規模，已建和在建的現代煤化工項目多達74處，現代煤化工企業產能情況具體見表1，其中煤制天然氣產能增幅(39.18%)最大。

我國現代煤化工多個大型項目陸續投產，產能、產量集中釋放，運行負荷穩步提高。其中經過多年技術探索的煤化工項目運行負荷普遍較高:煤制油項目生產負荷在80%～110%；煤制天然氣項目除新疆新天項目投產初期運行負荷偏低外，整體生產負荷在80%～105%(單套裝置)；煤制烯烴生產負荷在90%～115%；煤制乙二醇生產負荷在60%～95%。

國家發布的最新現代煤化工政策允許煤炭資源調入地在條件合適的情況下發展煤化工。目前，已初具規模的煤化工基地主要有內蒙古自治區、陜西省、寧夏自治區、新疆自治區、山西省、云南省及貴州省等。

表1 現代煤化工產能總體情況

類型新增產能運行產能在建產能開展前期產能煤制油/ 萬ta-1 228921300600煤制燃料煤制天然氣/ 億標準m3a-1 2051.0540582煤制天然氣 折合 / 萬ta-1 143.88 367.27 --煤制化學品煤制烯烴/ 萬ta-1 85812460458煤制乙二醇/ 萬ta-1 202705771495

注:1 t天然氣等同于1 390 m3的天然氣。

水資源是現代煤化工行業發展的重要制約因素，由于地理、氣候等客觀因素，我國水資源分布嚴重不均，煤炭資源和水資源呈逆向分布。我國的煤炭資源主要集中在西北和華北地區，而水資源的分布卻恰恰相反，即水資源主要集中在我國的東部和南部。我國主要地區水煤比見表2。

表2 我國主要地區水煤比

地點煤炭資源排名煤炭資源/億t水資源/億m3水煤比新疆121 9018161∶22內蒙古212 2503121∶30山西33 89987.41∶45陜西42 0313041∶7貴州51 8971 1411∶2全國 包括預計 45 52127 4341∶2

數據來源:第3次全國煤炭資源普查。

由表2可知，作為煤化工發展主體的新疆、內蒙古自治區，其水煤比僅為1∶22、1∶30。未來在西北地區發展煤化工，發展瓶頸主要是水資源和環境容量。在全面綜合考慮水資源、環境承載力以及下游產品的長期市場需求后，才可適度發展煤化工。

2014年下半年布倫特原油價格暴跌至(25～55)美元/桶，2016年～2017年底布倫特原油低位運行在(45～65)美元/桶。由于投資及成本構成的差異，低油價對現代煤化工發展的負面影響尤甚，造成煤化工項目經營困難，個別產品失去了與石油化工的競爭優勢。同時，相比于昔日“逢煤必化”的發展沖動，如今煤化工行業已顯得更為冷靜和理性，行業發展冷熱不均。根據上市公司年報所列的煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴和煤制乙二醇4個產品的運行情況,匯總于表3。

表3 現代煤化工示范項目經濟指標情況

項目產能/萬t產量/萬t銷售收入/億元利潤/億元煤制油1619.458.98-0.45煤制天然氣4億m34.1億m310.431.84煤制烯烴6063.456.8111.63煤制乙二醇1513.7313.83

近年來中國大宗商品價格上漲，其中包括煤炭和原油，但原油依然處于較低價位狀態下運行，且煤制油相關產品一直按照國家規定繳納消費稅，煤制油企業要實現盈利已實屬不易。由于原油價格的上漲引導聚烯烴價格提升，內蒙古某煤制烯烴項目2017年相比于2016年利潤增加了1.34億元，說明煤制烯烴項目在目前條件下具有一定的市場競爭力。相比煤制油、煤制烯烴產品，煤制天然氣由于入網氣價較低、開工率不足、成本倒掛，企業生產積極性不高；目前除匯能煤制天然氣之外，其余項目均處于虧損狀態。在石油價格上漲的背景下，石油制乙二醇的成本提升至約5 800元/t，而煤制乙二醇的成本已可降至4 000元/t以下，2017年煤制乙二醇(除新疆項目因運輸距離問題)產品銷售單價在7 000元/t以上。隨著煤制乙二醇利潤的凸顯，且煤制油、煤制天然氣項目長期處于虧損線以下的情況下，目前許多已批復的煤制天然氣項目開始研究轉變產品方向生產乙二醇，此一窩風式的盲目建設必將造成市場供大于求的局面，且會對項目周邊環境造成較大的風險隱患。

我國目前原油進口量依存度上升至近70%，天然氣進口量依存度已達39.9%。根據《現代煤化工市場研究報告》預測，在不采取任何措施的情況下，2020年～2030年原油依存度將超過75%。國家計劃力爭在2035年前將石油、天然氣對外依存度分別控制在70%和50%以下，因而以煤為主體的能源結構將長期存在。產業自身技術的革新、清潔燃料替代速度加快以及煤炭供給側改革的加快推進為現代煤化工帶來了新的發展機遇。但煤化工行業目前屬于升級示范階段，區域性對大氣及水污染依然是行業最為突出的環境問題，同時生產工藝和環保技術有待完善，系統集成水平和污染控制技術有待提升，生產穩定性和經濟性有待驗證，示范項目建設秩序有待規范，企業運營管理水平有待提高，行業標準和產業支撐體系有待健全。總之挑戰與機遇并存。挑戰主要體現在:生態環境和資源約束強化、能源化工市場競爭加劇、技術競爭日益激烈；非常規油氣(如頁巖氣)、電動汽車、可再生能源等技術進步十分迅速，若其率先實現重大革命性突破，將壓縮現代煤化工行業的發展空間。機遇主要體現在清潔燃料加快替代傳統燃料、加速推進煤炭供給側改革、現代煤化工自主創新更加活躍。以下結合目前煤化工污染及治理措施的相關研究[1-12]，對煤化工污染治理技術進行深度探討，以期為相關政策性研究提供基礎。

2 煤化工污染治理技術

2.1 污染物控制技術水平

2.1.1廢 水

(1)碎煤加壓固定床氣化廢水處理較難，而干煤粉/水煤漿氣流床氣化廢水處理相對較易。煤化工廢水為典型的高濃度、高污染、有毒、難降解的工業有機廢水，其水質因使用的氣化工藝和入爐煤成分的不同而差異較大。針對不同的煤氣化工藝，應采用有針對性的工藝對其廢水進行處理。目前4個已投產的煤制天然氣項目，除匯能煤制氣采用水煤漿氣化工藝外，其余3個項目均采用碎煤加壓固定床氣化工藝。產生的廢水污染程度較大，有機物濃度(13 g/L～26 g/L)、酚含量(4 g/L～6 g/L)、氨氮含量(4 g/L～12 g/L)及含油類物質等均較高；采用碎煤加壓氣化工藝廢水處理程度最難。

固定床的氣化廢水通常采用油氣水分離、酚氨回收作為預處理手段。為有效去除廢水中的污染物，普遍采用厭氧、好氧相結合的生化處理方式以處理有機廢水，因此通常其廢水處理的關鍵不是生化去除有機物，而在于提高廢水的可生化性。例如內蒙古某煤制氣項目，其有機廢水處理工藝為格柵、調節池、氣浮、隔油沉淀、厭氧水解酸化、A/O、二沉池、活性焦吸附、沉淀池、BAF。處理后的廢水送含鹽廢水處理系統再進行深度處理。由于酚氨回收廢水的水質較設計值高(COD 4g/L、氨氮150 mg/L、石油類65 mg/L、總酚700 mg/L)，導致有機廢水處理系統出水COD偏高(約130 mg/L)；此外，該項目采用活性焦吸附技術，出水易帶焦，懸浮物濃度高，影響后續深度處理的正常運行。又如新疆某煤制氣項目，其有機廢水處理工藝為隔油沉淀、氣浮、調節池、水解酸化、A/O、二沉池、混凝沉淀、臭氧氧化、BAF、超濾。該項目自投運以來，廢水生化處理裝置運行較為穩定，COD基本控制在70 mg/L以下，氨氮基本控制在2 mg/L，處理后的廢水全部回用做循環補充水。

煤間接制油項目多采用干煤粉或水煤漿進料的氣流床氣化技術，干煤粉氣化的原料適應范圍寬(煤種適應性強)，氣化能力大，碳轉化效率高，符合大型化要求。該技術由于氣化溫度高，其廢水的有機物濃度一般較低(COD濃度一般在500 mg/L)，廢水焦油和酚含量較少。但氣化廢水的Cl-和TDS的濃度一般較高，其中水煤漿氣化廢水的Cl-濃度一般約在500 mg/L，TDS濃度一般在3 g/L，粉煤氣化的Cl-濃度一般在2 g/L～3 g/L，TDS濃度一般在10 g/L以上。

采用氣流床氣化技術的企業，氣化廢水成分相對簡單，可生化性較好，因此采用常規生化處理技術即可將廢水處理達標。例如神華寧夏集團煤制烯烴項目，采用西門子GSP煤粉加壓氣化技術，該技術集中了德士古和殼牌氣化的優點，產生廢水COD約400 mg/L～500 mg/L，氨氮50 mg/L～60 mg/L，可生化性良好(B/C=0.5)，因此僅采用中和、調節、CAST生化處理的工藝，處理后的廢水其COD基本控制在100 mg/L以下，氨氮基本控制在20 mg/L，可實現達標排放。 不同氣化爐污染物排放情況見表4，爐型簡圖如圖1所示。

(2)高含鹽廢水處理為廢水控制技術的難點，其屬于現代煤化工行業的環保瓶頸問題。目前高鹽廢水處置有蒸發塘晾曬和蒸發結晶2種方式。《現代煤化工建設項目環境準入條件》(試行)要求按照“清污分流、污污分治、深度處理、分質回用”原則，高濃度鹽水送廠外蒸發塘，蒸發塘地下水防滲、監控措施參照《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598—2001)及修改單。蒸發塘利用自然蒸發的方式蒸騰水分，結晶鹽分沉在塘底，刮撈后送至危險廢物填埋場或就地封塘處理。因國家層面未出臺蒸發塘相關規范，各地執行尺度差異較大。

由于現代煤化工項目廢水水質復雜，因而水處理工藝流程長，且廢水水質與煤質、運行工況等密切相關。前期由于頻繁開停車等原因出現了廢水水質波動大、一些不達標廢水進入蒸發塘、蒸發塘容量不夠等情況，造成污染轉移。新疆、內蒙古、陜西、寧夏目前已有晾曬池數百個。內蒙古建成的蒸發塘(或晾曬池)總容積已達1 695萬m3，占地總面積達350.17公頃，其蒸發塘大部分長期處于高位運行狀況，蒸發效果不佳，環境風險大。

已投運的大部分項目采用廢水“零排放”技術路線，將高濃鹽水轉化為固態的結晶鹽。結晶鹽無法處置需大量堆放，存在二次溶解污染地下水的風險。對氣化廢水和含鹽廢水的技術水平評估見表5。

表4 不同氣化爐污染物排放情況

項目固定床 魯奇爐 流化床 溫克勒爐 氣流床 德士古爐 溫度/℃900～1 100 1 350～1 6001 400～1 500焦油/ mgL-1 < 50010～20無苯酚/ mgL-1 1 500～5 500200 <10甲酸化合物/ mgL-1 無無100～1200氨氮/ mgL-1 3 500～9 0009 0001 300～2 700氰化物/ mgL-1 1～40510～30CODcr/ mgL-1 3 500～23 000200～300200～760廢水特性污染程度高 含有酚類、烷烴類、芳烴類、雜環類、氨氮等 B/C=0.22～0.28水質相對潔凈 氨氮偏高 B/C=0.4～0.5水質相對潔凈 有機物污染程度較低 氨氮濃度高

圖1 不同氣化爐的爐型簡圖

表5 目前煤化工廢水控制技術評估情況

2.1.2廢 氣

現代煤化工二氧化硫和氮氧化物排放主要來源于工藝廢氣和鍋爐煙氣。煤氣化工藝煤中硫元素發生還原反應生成硫化氫，硫化氫廢氣一般經過多級克勞斯工藝制成硫磺或硫酸，硫回收率可達99.9%以上。同時煤氣化工藝在95%純氧及高壓高溫水蒸汽條件下，煤中氮元素至少有部分轉化為NOx。鍋爐燃煤目前采用超低排放標準設計和運行，因此，二氧化硫和氮氧化物排放濃度和總排放量有逐年降低的趨勢。

與石化化工企業類似，煤化工生產運行過程會排放大量揮發性有機物(VOCs)。以某40億m3/a煤制天然氣為例，每年VOCs排放總量核算值為1 329 t,主要排放源有低溫甲醇洗尾氣洗滌塔、RTO尾氣排放、鍋爐、涼水塔/循環水冷卻系統散逸。

目前VOCs控制措施按照《揮發性有機物污染防治政策》和《石化行業揮發性有機物綜合整治方案》,主要包括以下5個方面:①對泵、壓縮機、閥門、法蘭等易發生泄漏的設備與管線組件，制定泄漏檢測與修復(LDAR)計劃，定期檢測、及時修復，防止或減少跑、冒、滴、漏現象；重點通過源頭控制 VOCs 的排放。②對生產裝置排放的含 VOCs 工藝排氣優先回收利用，不能(或不能完全)回收利用的經處理后達標排放；應急情況下的泄放氣、排放氣均導入燃燒塔(火炬)，經過充分燃燒后排放。③廢水收集和處理過程產生的含 VOCs 廢氣經收集處理后達標排放。④采用先進的清潔生產技術，實現煤炭高效、清潔轉化，重點識別、排查工藝裝置和管線組件中 VOCs 泄漏的易發位置，制定預防 VOCs 泄漏和處置緊急事件的措施。⑤儲油庫、加油站和油罐車宜配備相應的油氣收集系統，儲油庫配備相應的油氣回收系統。

2.1.3固體廢物

現代煤化工行業產生的主要固體廢棄物有灰渣、廢水處理污泥、廢催化劑、高濃廢水高效蒸發后的廢結晶鹽，其中灰渣所占比例最高。灰渣可用于制備空心磚，污水處理站產生的污泥可送至灰渣場填埋，廢催化劑送催化劑生產廠家回收利用。

廢結晶鹽具有極強的可溶性，若處置不當則會隨著淋雨滲出，從而對周邊環境造成二次污染。廢結晶鹽作為危廢處理其費用高，企業難以接受該經濟成本。目前廢結晶鹽處置仍以填埋為主，但近幾年部分科研機構和公司進行諸多嘗試，部分技術已通過工業化驗證，主要概括為兩類:①采用納濾分鹽與熱法分質結晶耦合的兩級分鹽工藝；②采用先冷凍析硝后蒸發析鹽的兩步分鹽結晶工藝，NaSO4·10H2O再經熱溶結晶后制取無水硫酸鈉。分鹽蒸發結晶裝置采用納濾分鹽與蒸發結晶分鹽相結合的兩級分鹽技術，實現對高鹽水中氯化鈉和硫酸鈉結晶鹽的高效分離與結晶，在保證結晶鹽純度和資源化率的同時也極大降低雜鹽的產生量。

關于缺乏煤化工副產結晶鹽標準問題，評估中心聯合多家單位開展相關研究，目前《煤化工副產氯化鈉》《煤化工副產硫酸鈉》團體標準即將頒布實行。此標準以重金屬(浸出液毒性)和有機物含量(TOC)為最顯著的特征控制指標，并根據結晶鹽的用途，增加白度(NaCl)、總銨等選擇性指標。從長遠看，隨著技術的進步，煤化工副產結晶鹽將實現工業技術的突破，使其變廢為寶。

2.2 存在的主要問題

(1)廢水處理技術存在瓶頸，并未實現真正意義上的“零排放”。現代煤化工“零排放”是指生產中所產生的廢水、污水、清凈下水等經處理后，水全部回用，除結晶鹽外對外界不排放廢水。而現代煤化工項目要達到零排放，環保投資至少要占項目總投資的5%～8%，其中水處理的投資在環保投資中比例約高達30%。實際上許多企業正在利用蒸發塘、晾曬池、氧化塘、暫存池等實現所謂的“零排放”，上述設施存在弊端，不符合環境治理的減量化、再利用、再循環原則，且一些不負責任企業采取蒸發污水或偷排策略，有的設施不具備防滲功能，易直接污染地下水。

(2)VOCs無行業標準，管控難度較大。現代煤化工項目生產過程中排放的VOCs或來自于煤自身，或來自于反應中間體，或來自于儲存過程產生的中間體以及污水處理過程中產生物質，具有成分復雜、有毒有害物質種類多、含量高等特點。由于不同生產過程和工藝特點，VOCs廢氣中的成分差異較大，因此，處理難度很大。

目前現代煤化工行業尚無VOCs排放的行業標準，按照《現代煤化工建設項目環境準入條件》的要求，現代煤化工行業的VOCs污染控制暫按《石油煉制工業污染物排放標準》或《石油化學工業污染物排放標準》相關要求執行，但由于煤化工項目VOCs產生的特殊性和處理難度，使其成為現代煤化工發展所面臨的又一瓶頸。

(3)灰渣綜合利用難度大，副產結晶鹽利用仍需探索。①灰渣成分以SiO2為主，目前灰渣可作為建筑、磚、陶瓷等建筑材料原料，但西北地區市場利用空間小，所在區域的經濟較為落后，灰渣利用率極低，造成其大量堆存、占用土地及破壞生態環境。②目前我國氯化鈉、硫酸鈉的產品質量標準只適用于晾曬和精制鹽，并不適合于工業廢水制鹽， 《煤化工副產氯化鈉》《煤化工副產硫酸鈉》標準的發布雖可填補此空白，但企業將其作為產品出售是否會影響下游鹽加工行業仍需進一步研究考證。

3 環境管理政策

近年來國家能源局和國家發改委、工信部對現代煤化工行業相繼提出了環境管理要求，即環境管理政策有序發展，穩步進行升級示范。

(1)專門針對現代煤化工提出了專業規劃。2017年2月，國家能源局發布《煤炭深加工產業示范“十三五”規劃》(國能科技[2017]43號)，成為首個國家層面的煤炭深加工產業規劃，也是“十三五”開局14個能源專項規劃中唯一經由國務院批準的規劃。該規劃主要闡述現代煤化工“十二五”期間的發展成果及存在的問題，并提出“十三五”的發展目標和重要任務及環境影響的預期治理目標，同時指出加強“十三五”完成的保障措施。

(2)專門針對現代煤化工并從創新角度提出了要求。2017年3月，國家發展和改革委員會、工業和信息化部聯合發布《現代煤化工產業創新發展布局方案》(發改產業[2017]553號)，成為推動現代煤化工產業創新發展的重要綱領性文件。方案將煤化工作為煤炭清潔高效利用產業發展過程中的1個重要階段和環節，針對現代煤化工存在的實際現狀提出了八大重點任務、六大保障措施。其中，首次提出兩大創新理念，即建設現代煤化工產業示范區理念及煤化工相關產業融合發展理念。

上述2個國家級文件的發布為我國現代煤化工產業創新發展、未來煤炭清潔高效利用及為拓寬石油化工原料來源指明了方向和道路。2015～2017年發布的重點現代煤化工文件簡單匯總于表6。

表6 2015～2017年發布的5個重點現代煤化工文件

序號發布部門名稱發布時間1生態環境部?現代煤化工建設項目環境準入條件 試行 ?2015年12月2中國石油和化學工業聯合會?現代煤化工十三五 發展指南?2016年5月3國務院?政府核準的投資項目目錄 2016年本 ?2016年12月4國家能源局?煤炭深加工產業示范十三五 規劃?2017年2月5國家發展和改革委員會工業和信息化部?現代煤化工產業創新發展布局方案?2017年3月

總體來說，現階段在滿足最嚴格的環保要求和保障水資源供應的前提下，穩步推進現代煤化工產業高標準、高水平發展，按照不同產品的示范情況，重點示范升級、有序和穩步開展示范。

4 行業發展對策建議

4.1 環境政策建議

(1)建議從“事前”遏制煤化工行業無序發展，實現產業升級。鑒于煤制乙二醇項目建設存在準入條件不清晰、污染物排放量不容忽視和環境潛在危害性顯著、污染治理水平普遍不高、與《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》不相符等問題，結合2017年3月22日國家發改委和工信部發布的《現代煤化工產業創新發展布局方案》中“煤制乙二醇裝置年生產能力在20萬t及以上，有序開展煤制乙二醇產業化示范，逐步完善工藝技術裝備及系統配置”的要求，建議生態環境部適時收回煤制乙二醇的審批權，從源頭遏制行業無節制建設，避免重蹈甲醇盲目建設覆轍，規范引導行業健康有序發展，實現產業升級示范重點的目標。從行業準入門檻“事前”制度體系的合理確定，結合行業污染物排放標準和行業排污許可制“事中”制度體系的設計，加上依法、依規、依證的“事后”監管體系構建，實現行業的“準入—排污—落實”全過程有效管理。

(2)開展行業相關環保技術攻關，形成行業污染治理可行技術體系，提升行業整體環境管理水平。積極開展煤制乙二醇行業污染源解析研究，根據煤制乙二醇不同煤氣化工藝及不同工藝產生的排污情況，結合污染治理技術的大數據積累(申領排污許可證的煤制乙二醇企業可通過全國排污許可證管理信息平臺收集和積累數據)，通過系統化和差異化調查和分析，篩選和評估不同工藝廢氣和廢水的技術、經濟性好的污染治理技術，形成該行業污染治理可行技術體系，提升整個行業的環境管理水平。

(3)加快從空間和行業布局的角度開展頂層設計，統籌規劃煤制乙二醇行業綠色發展，緩解重點區域環境質量改善壓力。從國家層面統籌考慮資源分布、環境容量、環境承載力等因素，結合《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》，按照區域上管住“紅線”、行業上管住“總量”的思路，合理規劃煤制乙二醇產業的布局和發展規模，避免產業密集造成的資源環境超載。對已有煤制乙二醇項目的地區，應在客觀總結其環境保護經驗基礎上穩步開展升級示范。嚴格遵守《現代煤化工建設項目環境準入條件》，建立和完善行業信息發布和預警制度，加強行業自律、減少盲目投資，引導行業健康發展。

4.2 標準體系建議

雖煤化工副產結晶鹽標準即將發布，可填補煤化工標準體系部分空白，但總體上現代煤化工污染治理技術標準數量較少且其標準體系架構欠佳、涉及面較窄。現代煤化工環境突出問題主要體現在高鹽廢水處置、VOCs排放、雜鹽及結晶鹽處理與利用等方面。建議加快推動煤化工行業污染物排放標準、污染物防治可行技術指南、排污許可制等相關規范的制定，盡快完善現代煤化工污染治理標準體系架構，從行業準入門檻的“事前”制度體系的合理確定，結合行業污染物排放標準和排污許可制的“事中”制度體系設計，構建依法、依規、依證的“事后”監管體系，實現煤化工行業的“準入—排污—落實”全過程有效管理，提高行業競爭力。

4.3 污染物治理技術建議

建議出臺有利于“產學研”融合發展的產業政策，搭建科研院所與煤化工企業研發合作平臺，加大對高端技術和綠色生產方面的研發，通過對煤化工工藝的系統優化、技術進步、智能化升級及進一步降低水耗、能耗和污染物排放，提高煤炭轉化率，逐步建成技術路線完整、產品種類齊全的現代煤化工產業體系，提升行業環境管理水平。

4.4 行業可持續發展建議

建議在國家層面上搭建產業融合平臺，改變石油化工和煤化工對立競爭的局面，促進現代煤化工與石油化工、電力、冶金建材、化纖等產業融合發展，構建循環經濟產業鏈和產業集群，提升資源、能源的利用效率。