煤化工產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用

王秀國，馬磊，楊麗霞

（兗礦集團(tuán)煤化分公司，山東 鄒城 273500）

煤化工產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新及應(yīng)用

王秀國，馬磊，楊麗霞

（兗礦集團(tuán)煤化分公司，山東 鄒城 273500）

清潔煤利用是煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最佳途徑，其必須在確保完成政府及環(huán)保部門下達(dá)的節(jié)能減排目標(biāo)的基礎(chǔ)上才能發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔綜合利用。以煤化工產(chǎn)業(yè)中的大型企業(yè)山東兗礦集團(tuán)為例，介紹了該企業(yè)在生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)應(yīng)用等有益探索及顯著成效。

煤化工;節(jié)能減排;技術(shù)創(chuàng)新

近年來，我國各級政府都把節(jié)能減排工作擺到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)先位置，對此制定實(shí)施了一系列政策法規(guī)，并在“十一五”和“十二五”時(shí)期的有關(guān)發(fā)展規(guī)劃中明確提出將“節(jié)能減排指標(biāo)作為約束性指標(biāo)”。特別是黨的十八屆三中全會，對節(jié)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(guān)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(shí)行企事業(yè)單位污染物排放總量控制制度。對造成生態(tài)環(huán)境損害的責(zé)任者嚴(yán)格實(shí)行賠償制度，依法追究刑事責(zé)任”。煤化工企業(yè)應(yīng)認(rèn)真履行肩負(fù)的政治和社會責(zé)任，把節(jié)能減排作為企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，與安全發(fā)展和生產(chǎn)經(jīng)營擺在同等重要的位置，堅(jiān)持常抓不懈。落實(shí)節(jié)能減排的責(zé)任一是要堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，通過技術(shù)創(chuàng)新提高節(jié)能和減排的力度；二是要抓好節(jié)能減排技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，把技術(shù)成果轉(zhuǎn)化成為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 堅(jiān)持節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的根本途徑

煤化工產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中，應(yīng)注重自主知識產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)的研發(fā)，建立以現(xiàn)有企業(yè)為依托的技術(shù)研發(fā)體系，大力培育煤化工核心技術(shù)。如煤化工產(chǎn)業(yè)中的大型企業(yè)山東兗礦煤化工分公司，先后完成了“新型水煤漿氣化技術(shù)”等3項(xiàng)國家“863”計(jì)劃課題研發(fā)任務(wù)，成功開發(fā)出水煤漿氣化、低溫費(fèi)托合成煤制油、高溫費(fèi)托合成煤制油等10多項(xiàng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。自主研發(fā)的煤炭間接液化技術(shù)中試成功，獲得18項(xiàng)中國專利，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。新型氣化爐技術(shù)先后向9家企業(yè)實(shí)施技術(shù)許可，獲得技術(shù)轉(zhuǎn)讓收入2.58億元。

高效回收利用甲醇生產(chǎn)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(xiàng)目生產(chǎn)工藝采用國內(nèi)有自主知識產(chǎn)權(quán)的“甲醇低壓羰基合成醋酸技術(shù)”。生產(chǎn)原料為甲醇和CO氣體。CO氣體是該公司生產(chǎn)甲醇過程中產(chǎn)生的CO2與焦炭發(fā)生還原反應(yīng)后生成的。CO2收集主要由以下兩個途徑：1）甲醇生產(chǎn)過程中應(yīng)排放的CO2氣體約4500m3/h；2）CO車間產(chǎn)生的CO2氣體約2300m3/h。應(yīng)排放的CO2全部被回收。在生產(chǎn)不正常期間，外購部分CO2。

CO2還原生產(chǎn)CO工藝流程見圖1。

圖1 CO2還原生產(chǎn)CO工藝流程

按照魯南化工國泰公司2007年全年生產(chǎn)醋酸21.6萬t計(jì)算，該企業(yè)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(jīng)過擴(kuò)產(chǎn)改造醋酸產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到30萬t/a，可利用CO2氣體約14萬t。

2 利用先進(jìn)的空氣凈化手段實(shí)現(xiàn)廢氣的綜合利用

利用凈化脫除二氧化碳?xì)馍a(chǎn)尿素產(chǎn)品。兗礦魯南化肥廠現(xiàn)有新、老三套尿素生產(chǎn)系統(tǒng)。

第一套尿素系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的間歇性造氣生產(chǎn)半水煤氣，凈化采用復(fù)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(chǎn)尿素。該系統(tǒng)采用無煙煤制氣，其固定碳含量平均可達(dá)75%，在制氣過程中碳轉(zhuǎn)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(chǎn)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(dāng)中。老系統(tǒng)合成氨與尿素流程簡圖見圖2，新系統(tǒng)流程簡圖見圖3。

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

圖2 流程簡圖

圖3 新系統(tǒng)流程簡圖

第三套尿素系統(tǒng)采用的是新型（多噴嘴對置式）氣化爐技術(shù)，凈化采用NHD脫硫、脫碳技術(shù)，用合成氣制合成氨，采用二氧化碳?xì)馓峁に嚿a(chǎn)尿素。這兩套系統(tǒng)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(zhuǎn)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(chǎn)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(dāng)中。

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

3 推廣煤化工多聯(lián)產(chǎn)IGCC潔凈煤發(fā)電技術(shù)，減少CO2排放

兗礦國泰化工有限公司在煤氣化發(fā)電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了IGCC（整體煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)）與甲醇生產(chǎn)系統(tǒng)的有機(jī)整合，整個聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總能利用效率達(dá)57%。該系統(tǒng)中IGCC的供電效率折算約為39.5%，大大高于常規(guī)火電30%的發(fā)電效率。同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的燃料氣中摻燒近20%的甲醇釋放氣，單位發(fā)電CO2的排放量減少了近30%。該系統(tǒng)流程在內(nèi)部直接脫硫、除塵、分離CO2，回收單質(zhì)硫，通過提高效率減排CO2，捕集的CO2的90%用于生產(chǎn)醋酸實(shí)現(xiàn)CO2利用。按照國泰公司2007年燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量6萬kW·h計(jì)算，CO2年減排量約為11.7萬t（參照CDM基準(zhǔn)線華北地區(qū)電網(wǎng)的排放系數(shù)為0.9066kgCO2/kW·h）。

實(shí)測主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到：滿負(fù)荷時(shí)，串并聯(lián)系統(tǒng)比并聯(lián)分產(chǎn)系統(tǒng)總能利用效率提高3.14%，甲醇生產(chǎn)能力提高20%以上；聯(lián)產(chǎn)后煤氣化發(fā)電比同等容量IGCC電站供電效率高6%。兗礦國泰IGCC發(fā)電與同規(guī)模常規(guī)蒸汽輪機(jī)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(guī)蒸汽輪機(jī)自備電站的能耗和污染物排放比較。

該煤氣化聯(lián)合循環(huán)聯(lián)產(chǎn)甲醇項(xiàng)目，是我國近30年來第一個應(yīng)用實(shí)例。以煤氣化為基礎(chǔ)的聯(lián)產(chǎn)是新一代潔凈煤技術(shù)，國際上研究了10余年，該項(xiàng)目也是世界上第一個應(yīng)用成功的實(shí)例。

（1）大力實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)

該企業(yè)累計(jì)投資23.09億元，建設(shè)了裝機(jī)總?cè)萘?27MW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(fā)電為龍頭，熱、電、氣聯(lián)供，污水處理、余熱養(yǎng)殖、建材生產(chǎn)并舉的綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)推廣新型鍋爐燃煤添加劑，鍋爐節(jié)煤率提高15%，有效降低了鍋爐煙塵及SO2排放。

表1 IGCC與常規(guī)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(guī)自備蒸汽輪機(jī)電站的能耗及污染物排放比較

（2）利用干熄焦鍋爐產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，減少CO2排放

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

該發(fā)電站安裝德國ABB公司生產(chǎn)的GBA0-1120-LD型機(jī)組一臺，額定輸出功率為31.44MW，保守起見，功率因子按0.8計(jì)算，年運(yùn)行時(shí)間按照7200h計(jì)算，廠自用電率按照9%計(jì)算，則發(fā)電機(jī)組正產(chǎn)運(yùn)行年發(fā)電量為164,796MW·h。

由于該項(xiàng)目的建成發(fā)電量將取代華北電網(wǎng)的同等電量，而華北電網(wǎng)主要是以燃煤為主的燃煤電廠，因而可以減少華北電網(wǎng)中燃煤發(fā)電的溫室氣體排放。按照國家發(fā)改委最新公布的電網(wǎng)基準(zhǔn)公布因子，該項(xiàng)目可取代燃煤發(fā)電所產(chǎn)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(jìn)的設(shè)備替代傳統(tǒng)的設(shè)備，提高運(yùn)行效率

先進(jìn)的循環(huán)流化床鍋爐替代傳統(tǒng)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(xiàn)有的循環(huán)流化床與傳統(tǒng)鍋爐（鏈條爐）相比，循環(huán)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(tài)化循環(huán)過程；3）高強(qiáng)度的熱量、質(zhì)量和動量傳遞過程；4）采用流化方式，煤進(jìn)入爐膛后，受熱發(fā)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(huán)流化床鍋爐采用膜式水冷壁全密封，熱交換強(qiáng)烈，散熱小。按照目前魯化循環(huán)流化床鍋爐蒸氣量進(jìn)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(shù)；0.75為鍋爐煤折標(biāo)煤量；2.5為CO2折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)）。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(huán)流化床鍋爐的蒸氣量進(jìn)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(shù)；0.75為鍋爐煤折標(biāo)煤量；2.5為CO2折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)）。

兗礦國宏化工有限責(zé)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(biāo)準(zhǔn)折算后的CO2總減排量為11.56萬t。

優(yōu)化脫硫脫碳工藝減少二氧化硫排放。該集團(tuán)針對高硫煤特點(diǎn)，對耐硫變換工藝、NHD脫硫脫碳工藝等進(jìn)行了優(yōu)化，使得變換后的氣體經(jīng)冷卻分離后進(jìn)入NHD脫硫，脫硫后氣體中的H2S≤10mg/Nm3，經(jīng)干法脫硫后，總硫含量降至＜ 1ppm，脫硫后的氣體直接進(jìn)入NHD脫碳，將氣體中的CO2降至≤0.2%。脫碳后的氣體經(jīng)氣體精制系統(tǒng)，根據(jù)不同的產(chǎn)品，選擇不同的精制單元。精脫硫?qū)⒖偭蚩刂圃?.1ppm以內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)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(xiàng)目每年可回收7萬t硫磺。

5 堅(jiān)持廢水治理并實(shí)現(xiàn)回用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)

（1）采用先進(jìn)的污水治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減排

兗礦集團(tuán)煤化工企業(yè)均位于山東省南水北調(diào)沿線保護(hù)區(qū)內(nèi)，排放指標(biāo)要求高（水污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)為COD60mg/L、氨氮15mg/L）。為確保達(dá)標(biāo)排放，兗礦投巨資建成了全國化肥行業(yè)規(guī)模最大、工藝最先進(jìn)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(shí)現(xiàn)了污水最大限度地重復(fù)利用，提高了煤化工企業(yè)的水資源利用效率。目前各企業(yè)COD平均排放24mg/L、氨氮1.8mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于山東省排放要求。

（2）提高中水綜合利用水平

在嚴(yán)格污水達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，加大投資力度，大力實(shí)施礦區(qū)礦井水、生活污水深度處理和回用工程。2011年該集團(tuán)投入2.27億元用于污水資源化和再利用工程，當(dāng)年礦井水、化工生產(chǎn)污水和生活污水的回用率分別達(dá)到90%和60%，減少了地下取水306萬m3。

通過采用先進(jìn)的潔凈煤氣化技術(shù)、多聯(lián)產(chǎn)工藝、潔凈煤發(fā)電、煙氣脫硫、污水處理等技術(shù)，兗礦現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)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(chǎn)污水回用，從而減少了SO2、溫室氣體、化工廢水排放，維護(hù)了生態(tài)環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)煤炭資源型區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)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