多種廢氣處理技術(shù)在40億m3/a煤制天然氣項目中的綜合應(yīng)用

馬劍飛，馮 華，沈 華，武 強，崔為民

（河南能源化工集團新疆龍宇能源準東煤化工有限責任公司，新疆 奇臺 831800）

多種廢氣處理技術(shù)在40億m3/a煤制天然氣項目中的綜合應(yīng)用

馬劍飛，馮 華，沈 華，武 強，崔為民

（河南能源化工集團新疆龍宇能源準東煤化工有限責任公司，新疆 奇臺 831800）

對某新建40億m3/a煤制天然氣項目的各主要廢氣污染源按照組成、氣量、排放規(guī)律等進行了系統(tǒng)分析，按照各自特點選用包括焚燒、蓄熱氧化、光催化氧化、冷凝及吸附在內(nèi)的多項廢氣處理技術(shù)，大幅消減大氣污染物的排放量。

煤制天然氣；廢氣處理；焚燒；蓄熱氧化；光催化氧化；冷凝；吸附

近年來，我國現(xiàn)代煤化工行業(yè)發(fā)展很快，建成了一批煤制氣、煤制油、煤制烯烴和煤制乙二醇項目，還有大量項目處于建設(shè)階段或前期準備階段。處于規(guī)模經(jīng)濟考慮和國家產(chǎn)業(yè)政策要求，新建煤化工項目的一個突出特點就是項目規(guī)模大、裝置集中布置，如某40億m3/a（注：文中涉及到的氣體體積均指標態(tài)體積）煤制天然氣項目需建40臺碎煤加壓氣化爐，某200萬t/a間接煤制油項目需建10臺日投煤量2000 t的干煤粉氣化爐。這些項目規(guī)模之大是前所未有的，由此帶來的問題就是在同樣排放標準下，單個項目的污染物排放量較之前要大得多，對周圍環(huán)境影響更大。如40億m3/a煤制天然氣項目的低溫甲醇洗裝置每小時排放約70萬～80萬m3/h的CO2廢氣（其中φ(H2S)約為(10～20)×10-6，約相當于10個60萬t/a煤制甲醇項目的低溫甲醇洗裝置排放量。另外，國家產(chǎn)業(yè)政策和環(huán)保政策要求現(xiàn)代煤化工項目集中布置在產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)[1,2]，而同一園區(qū)往往有多家大型化工和熱電項目，這些項目都是排污大戶，使得污染源分布密集、污染物排放集中的問題更為突出。為了保證園區(qū)內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量達標，新建煤化工項目的廢氣處理措施必須更為嚴格，使得污染物排放濃度比現(xiàn)行污染物排放標準更為苛刻，才能保證環(huán)境評價范圍內(nèi)敏感點的污染物地面濃度不超標。

近幾年來，社會各界的環(huán)保意識也越來越強，特別是揮發(fā)性有機物 （VOCs）作為促進臭氧和PM2.5形成的主要前體物之一，日益受到社會關(guān)注，有效控制VOCs已成為現(xiàn)階段我國大氣環(huán)境治理領(lǐng)域中的熱點問題[3,4]。在較早的煤化工項目建設(shè)中，基本沒有涉及對VOCs的控制，而現(xiàn)在國家通過一系列政策、規(guī)范的發(fā)布，提出或強化了這方面要求，這就要求新建煤化工項目在VOCs的排放控制方面必須有所作為。

本文根據(jù)以上情況，對西部某新建40億m3/a煤制天然氣項目的各主要廢氣污染源按照組成、氣量及排放規(guī)律進行了系統(tǒng)分析，按照各自特點選用適宜的污染物處理技術(shù)，大幅度消減大氣污染物的排放量，以減輕對周圍環(huán)境的影響。

1 廢氣污染源分析

根據(jù)配套煤礦的塊煤和末煤產(chǎn)出比例，某40億m3/a煤制天然氣項目氣頭采用碎煤加壓氣化+水煤漿氣化的組合氣化工藝，使配套煤礦的煤炭資源得到充分利用，所產(chǎn)出粗煤氣經(jīng)耐硫變換和冷卻裝置調(diào)節(jié)氫碳比并回收工藝余熱，然后經(jīng)低溫甲醇洗裝置洗脫除硫化氫、有機硫及多余的CO2氣體，合格的凈煤氣送入甲烷化裝置，通過高溫甲烷化反應(yīng)得到合成天然氣，經(jīng)干燥、壓縮后送入管網(wǎng)。氣化產(chǎn)生的工藝污水經(jīng)煤氣水分離裝置、酚氨回收裝置，回收其中的焦油、中油、粗酚、氨后送入生化處理裝置處理后回用。主要的生產(chǎn)裝置和公用工程裝置包括備煤、碎煤加壓氣化、水煤漿氣化、變換、低溫甲醇洗、甲烷化、天然氣壓縮與干燥、硫回收、煤氣水分離、酚氨回收、生化處理、熱電、空分、水處理等。

對于以上各裝置，在之前的煤化工項目中已經(jīng)有了成熟處理措施的污染源，如備煤裝置排放的含塵氣體（采用袋式除塵等方式）、低溫甲醇洗排放的酸性氣（采用硫回收工藝進行處理）、鍋爐排放的燃燒煙氣（采用除塵、脫硝、脫硫），本文不再贅述，以下主要對之前無處理措施或處理措施不能滿足要求的污染源進行分析。

1.1 碎煤加壓氣化裝置

正常生產(chǎn)情況下，碎煤加壓氣化裝置廢氣污染源主要為煤鎖引射氣。煤鎖加煤泄壓后，煤鎖中殘余的粗煤氣由空氣引射抽出，經(jīng)旋風除塵后直接排到大氣，主要污染物為粉塵、硫化氫、氨和非甲烷總，其典型組成為：粉塵＜1000mg/m3，CO221214mg/m3，H2S 69mg/m3，CO 5750mg/m3，CH42786mg/m3，NH368mg/m3，非甲烷總烴113mg/m3，其余為引射空氣。氣量為650m3/h×36臺，連續(xù)排放。

1.2 水煤漿氣化裝置

水煤漿氣化裝置的廢氣污染源為灰水處理過程中產(chǎn)生的閃蒸廢氣和脫氣槽頂放空氣。閃蒸廢氣中主要污染物為硫化氫和氨，其典型的體積組成為 ：CO 21.04% ，H2S 0.7% ，NH3100×10-6，CO257.39%，N20.52%，CH40.09%，H220.26%。氣量為2300 m3/h，連續(xù)排放，這部分廢氣在之前的煤化工項目中主要送到火炬燃燒后排放，燃燒不充分產(chǎn)物仍會對環(huán)境造成危害，且造成燃燒熱量浪費。

脫氣槽頂放空氣中主要污染物為硫化氫，其典型的體積組成為：CO 0.015%，CO20.254%，H2S 0.048%，空氣微量，其余為水蒸氣。氣量為1590 m3/h×4套，連續(xù)排放，在之前的煤化工項目中直接排入大氣。

1.3 低溫甲醇洗裝置

低溫甲醇洗裝置主要廢氣污染源為尾氣洗滌塔排出的CO2廢氣，主要污染物為非甲烷總烴和硫化氫。其典型的體積組成為：CO290.09%，H2S 20× 10-6，CO 0.2%，CH40.37%，非甲烷總烴0.21%，H20.01%，N29.12%，氣量為130730 m3/h×6套，連續(xù)排放，在之前的煤化工項目中直接排入大氣。

1.4 煤氣水分離

煤氣水分離裝置主要廢氣污染源為煤氣水膨脹氣，主要污染物為硫化氫和非甲烷總烴。其典型的體積組成為，CO282.1%，CO 2.14%，H26.72%，CH47.45%，NH3100×10-6，H2S 0.49%，N20.05%，O20.15%，非甲烷總烴0.90%。氣量為8241m3/h，連續(xù)排放，在之前的煤化工項目中通常設(shè)計為送入硫回收焚燒爐中進行焚燒，實際往往送入火炬燃燒后高空排放。

1.5 酚氨回收

酚氨回收裝置正常生產(chǎn)情況下廢氣污染源主要為脫酸塔產(chǎn)生的酸性氣，主要污染物為硫化氫，其典型的體積組成為：CO299.41%，H2S 0.59%。氣量為4046 m3/h，連續(xù)排放，在之前的煤化工項目中通常設(shè)計為送入硫回收焚燒爐中進行焚燒，實際往往送入火炬燃燒后高空排放。

1.6 罐區(qū)和裝卸站

罐區(qū)里的焦油儲罐、中油儲罐均為固定頂儲罐，產(chǎn)生的呼吸氣通過呼吸閥就地排放，另外油品在裝卸過程中也產(chǎn)生揮發(fā)油氣，主要污染物均為油類，典型含量為300～400g/m3，其余為氮氣，罐區(qū)產(chǎn)生最大油氣量180m3/h，裝卸站產(chǎn)生最大油氣量300m3/h，均為間斷排放。

1.7 污水生化處理

污水處理站內(nèi)的預處理、生化處理以及污泥處理等單元產(chǎn)生的惡臭氣體，主要污染物為硫化氫、酚類和氨。氣量為60000m3/h×2套，連續(xù)排放。

2 處理技術(shù)選擇

綜合上述分析可知，某40億m3/a煤制天然氣項目排放的各類廢氣為有機廢氣，主要污染物包括非甲烷總烴、硫化氫和油類。有機廢氣處理技術(shù)在煤化工行業(yè)應(yīng)用較少，但在石油煉化、汽車涂裝、電子制造等行業(yè)應(yīng)用較多，可供借鑒。目前應(yīng)用較多的有機廢氣處理技術(shù)包括冷凝法、吸附法、吸收法、膜分離法、生物法、焚燒法、蓄熱氧化法和催化氧化法[5,6]。其中冷凝法、吸收法、膜分離法多用于中高濃度、中低流量有機廢氣的處理；生物法對廢氣中有機物的可生化性要求較高；吸附法可用于大流量、低濃度有機廢氣處理；焚燒法適用于有較高熱值的有機廢氣，處理較為徹底，并可回收燃燒熱量；蓄熱氧化法和催化氧化法適用情況基本相當，用于有較低熱值、氣量較大的有機廢氣；另外，近年來光催化氧化法得到較多關(guān)注。

根據(jù)某40億m3/a煤制天然氣項目排放的有機廢氣組成、氣量和排放規(guī)律，本文在現(xiàn)有各種有機廢氣處理技術(shù)中進行篩選、論證，最后確定采用多重處理技術(shù)進行綜合處理。

2.1 焚燒法處理部分有機廢氣

水煤漿氣化裝置排放的灰水閃蒸廢氣、煤氣水分離裝置排放的煤氣水膨脹氣、酚氨回收裝置排放的酸性氣具有一定熱值，氣量中等，較適于焚燒法。之前的煤化工項目為節(jié)約投資，一般是將這些廢氣送往硫回收尾氣焚燒爐，但是由于這些廢氣的氣量、組成波動較大，且往往與設(shè)計值偏差較遠，送往硫回收裝置后處理效果不好，且對硫回收工況影響較大，實際運行中往往把這些廢氣送到火炬，甚至直接就地排放。

基于以上實際情況，在某40億m3/a煤制天然氣項目中設(shè)置全廠廢氣氣柜和廢氣焚燒爐，統(tǒng)一收集、處理以上廢氣，并配以少量高熱值的燃料氣，以確保燃燒穩(wěn)定和燃燒充分。廢氣中所含的非甲烷總烴和其它可燃氣體通過焚燒轉(zhuǎn)化為CO2和水。廢氣中所含的H2S含量較高，燃燒產(chǎn)物SO2通過濕法脫硫加以去除，焚燒后煙氣滿足《火電廠大氣污染物排放標準》(GBl3223－2011)相應(yīng)要求。全廠廢氣焚燒爐的設(shè)置一方面能夠高效處理有機廢氣，并回收燃燒熱量，副產(chǎn)低壓蒸汽，另一方面與硫回收尾氣焚燒爐分開設(shè)置，避免了工況互相影響。

碎煤加壓氣化裝置排出的煤鎖引射氣中有大量空氣存在，不能直接送往廢氣焚燒爐。在煤鎖卸至常壓后，先采用氮氣置換，將置換氣送往廢氣焚燒爐統(tǒng)一處理，煤鎖經(jīng)置換后的殘余氣體再用空氣引射排入大氣。經(jīng)過以上措施，煤鎖引射氣排至大氣中的污染物含量降低約90%。

水煤漿氣化灰水處理產(chǎn)生的脫氣槽頂放空氣，含有大量水蒸氣，也不能直接送往廢氣焚燒爐，過去一般就地排放。本項目中在脫氣槽頂設(shè)置間接換熱，使放空氣中的蒸汽絕大部分冷凝，冷凝液返回灰水系統(tǒng)，少量不凝氣送往廢氣焚燒爐統(tǒng)一處理，徹底消除這一污染源。

2.2 蓄熱氧化法處理低溫甲醇洗裝置排放氣

低溫甲醇洗裝置排放氣的氣量大，可燃組分含量偏低，較適于蓄熱氧化法或催化氧化法。對這兩種工藝從技術(shù)和投資兩方面進行綜合比較，蓄熱氧化法技術(shù)可行，投資和運行費用較低，現(xiàn)階段更適合應(yīng)用于脫除低溫甲醇洗裝置排放氣中的VOCs[7]。

根據(jù)氣量設(shè)置4套煙氣反吹式蓄熱氧化裝置，配以42.1萬m3/h的空氣，在約800℃條件下進行深度氧化，將排放氣中的烴類、CO等轉(zhuǎn)化為CO2和水，H2S絕大部分轉(zhuǎn)化為SO2。燃燒后煙氣大部分通過蓄熱室后直接排放，少部分煙氣從氧化室直接送往廢氣鍋爐，副產(chǎn)約50t/h的1.3MPa低壓蒸汽。經(jīng)蓄熱氧化后，廢氣中的非甲烷總烴脫除率達到95%以上，硫化氫轉(zhuǎn)化為二氧化硫，尾氣中污染物濃度滿足最新發(fā)布的 《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》（GB31510-2015）規(guī)定。

2.3 冷凝+吸附法處理儲罐和裝卸站揮發(fā)油氣

根據(jù) 《油品裝載系統(tǒng)油氣回收設(shè)施設(shè)計規(guī)范》（GB50759）及本項目罐區(qū)、裝卸站的設(shè)置狀況，分別在罐區(qū)、裝卸區(qū)各設(shè)置一套油氣回收裝置，回收油品在儲存、裝載過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物。

本項目的油氣回收裝置采用“冷凝+吸附”式油氣回收技術(shù)，油氣在冷凝主機內(nèi)被多級梯度降溫至-45℃，約90%左右的油類被冷凝下來加以回收，剩余油氣送入活性炭吸附裝置，尾氣中油含量滿足《儲油庫大氣污染物排放標準》（GB20950-2007）和《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》（GB31510-2015）規(guī)定。

2.4 光催化氧化+活性炭吸附法處理生化處理裝置廢氣

污水處理站預處理、生物處理、污泥處理單元會產(chǎn)生部分惡臭氣味，導致惡臭氣味的主要成份是H2S、NH3等，其中H2S氣味尤為敏感。

經(jīng)綜合比較，本項目擬采用處理方案為光催化氧化+活性炭吸附法。污水處理站經(jīng)加蓋密閉收集后，廢氣經(jīng)預處理，先送往光催化氧化裝置。光催化氧化法采用納米級二氧化鈦做為光催化材料，當二氧化鈦超微粒子接受波長為253.7nm以下的紫外線照射時，其內(nèi)部由于吸收光能而激發(fā)產(chǎn)生電子及空穴對，然后迅速遷移到其表面并激活被吸附的氧和水分，產(chǎn)生活性自由氫氧基(·OH)和活性氧(·O)?；钚宰杂苫H、·O等具有極強的氧化能力，可氧化分解各種有機化合物和部分無機物。在光觸媒凈化系統(tǒng)后添加活性炭吸附，綜合除臭效率高，排放尾氣中污染物含量滿足 《惡臭污染物排放標準》（GB14554-1993）和 《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》（GB31510-2015）規(guī)定。

3 結(jié)語

(1)本文對某新建40億m3/a煤制天然氣項目的各主要廢氣污染源按照組成、氣量、排放規(guī)律等進行了系統(tǒng)分析，按照各自特點選擇適用的污染物處理技術(shù)，大幅消減大氣污染物的排放量，以減輕對周圍空氣環(huán)境和人群的影響。研究成果在該項目的環(huán)評報告中獲得了應(yīng)用。

(2)國內(nèi)首次在煤化工項目中設(shè)置專門的廢氣氣柜和廢氣焚燒爐，與硫回收尾氣焚燒爐分離，統(tǒng)一收集、處理各類廢氣，避免了廢氣處理與硫回收工況相互影響，確保廢氣處理完全，達標排放。

(3)國內(nèi)外首次采用蓄熱氧化法處理煤化工低溫甲醇洗裝置排放氣，在去除廢氣中的非甲烷總烴的同時，將惡臭的硫化氫轉(zhuǎn)化為二氧化硫。

(4)借鑒石油煉化和其它行業(yè)經(jīng)驗，在煤化工項目中采用冷凝+吸附法處理儲罐和裝卸站揮發(fā)油氣，采用光催化氧化+活性炭吸附法處理生化處理裝置廢氣。

[1]環(huán)境保護部.現(xiàn)代煤化工建設(shè)項目環(huán)境準入條件 （試行）[R].2015.

[2]國家能源局.關(guān)于規(guī)范煤制燃料示范工作的指導意見（第二次征求意見稿）[R].2015.

[3]環(huán)境保護部環(huán)境影響評價司環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心.石化行業(yè)建設(shè)項目揮發(fā)性有機物（VOCs）排放量估算方法技術(shù)指南（試行）（討論稿）[R].2014.

[4]國務(wù)院.大氣污染防治行動計劃（國發(fā)[2013]37號）[R].2013.

[5]王曉麗,吳功德,張海云,等.VOCs脫除技術(shù)的研究進展[J].廣東化工,2014,41(16)：106-107.

[6]陸震維.有機廢氣的凈化技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社,2011.

[7]馬劍飛,馮華,沈華.蓄熱氧化技術(shù)在低溫甲醇洗排放氣處理上的應(yīng)用[J].河南化工,2015,32(8)：40-42.

Comprehensive application of various technologies for exhaust gases treatment in a 4×109m3/a coal to gas project

MA Jian-fei,Feng Hua,SHEN Hua,WU Qiang,CUI Wei-min
(Xinjiang Longyu Energy Zhundong Coal Chemical Co.,Ltd.,Qitai 831800,China)

Main exhaust gas pollution sources of a 4×109m3/a coal to gas (CTG)project were analyzed systematically on the aspects of composition,amount and emission rules of the exhaust gases.Several exhaust gas treatment technologies,incineration, regenerative thermal oxidation,photocatalytic oxidation,condensation and adsorption,were chosen and applied to treat the exhaust gases,which reduced greatly the emission of the air polutants.

coal to gas;exhaust gas treatment;incineration;regenerative thermal oxidation;photocatalytic oxidation; condensation;adsorption

TQ209；TQ221.11

：B

：1001-9219(2016）04-63-03

2016-03-01；

：馬劍飛（1976-），男，高級工程師，碩士，現(xiàn)從事煤制天然氣生產(chǎn)、科研及環(huán)保工作，電話18509913173，電郵majianfei2005@126.com。