工業(yè)有機廢棄物的多元料漿氣化制合成氣技術(shù)

羅進成，張勇，葛啟明，鄒濤，曾梅，謝欣馨

（1西北化工研究院，陜西 西安 710061；2西安元創(chuàng)化工科技股份有限公司，陜西 西安 710061）

工業(yè)有機廢棄物的多元料漿氣化制合成氣技術(shù)

羅進成1，2，張勇1，2，葛啟明1，2，鄒濤1，2，曾梅1，2，謝欣馨1，2

（1西北化工研究院，陜西 西安 710061；2西安元創(chuàng)化工科技股份有限公司，陜西 西安 710061）

有機廢棄物中含有豐富的碳氫元素，相對于常規(guī)焚燒等處理方式，將其作為氣化原料生產(chǎn)合成原料氣具有過程清潔和可實現(xiàn)碳氫資源回用的優(yōu)點，但目前相關(guān)的研究存在有機廢棄物氣化原料范圍窄、難以適應(yīng)有機廢棄物性質(zhì)差異大的問題，限制了氣化技術(shù)在有機廢棄物處理領(lǐng)域的應(yīng)用。本文針對國內(nèi)工業(yè)有機廢棄物的不同特性，提出了一種改進型的有機廢棄物多元料漿氣化（multicomponent slurry gasification，MCSG）利用技術(shù)，簡述了有機廢棄物處理的基本原理，介紹了在面對不同特性有機廢棄物時采取的不同處理工藝路線以及相配套的關(guān)鍵設(shè)備，分析了技術(shù)經(jīng)濟性以及工業(yè)化應(yīng)用情況。結(jié)果表明利用改進型的多元料漿氣化技術(shù)不僅能實現(xiàn)對有機廢棄物的清潔和資源化回用，還對有機廢棄物具有很強的適應(yīng)性，同時具有良好的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益，將會是一條未來實現(xiàn)我國工業(yè)有機廢棄物處理綠色化發(fā)展目標的有效途徑。

廢物處理；多元料漿；氣化；合成氣

工業(yè)有機廢棄物指在工業(yè)生產(chǎn)中排出的含有有機質(zhì)成分的固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)廢棄物的統(tǒng)稱。在我國，工業(yè)有機廢棄物普遍存在于諸如化工、醫(yī)藥化工、精細化工、機械加工、維修、資源開采等關(guān)系國計民生的多個工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[1-2]，每年排放出大量的各類有機廢棄物[3-4]。工業(yè)有機廢棄物通常具有成分復(fù)雜、可生化性差、有毒等特點[5-7]，采用常規(guī)處理方法處理效果差、能力小、費用高且容易造成二次污染[8-10]。利用氣化技術(shù)將有機廢棄物轉(zhuǎn)化為合成原料氣（CO+H2），是近年來處理有機廢棄物無害化、資源化、綜合利用的一種新途徑。國內(nèi)許多研究者對此進行了大量分析和研究，但其主要內(nèi)容僅涉及有機廢水與煤或者常見的含碳氫工業(yè)副產(chǎn)物制備高濃度料漿[11-15]和工業(yè)化應(yīng)用探索[16]，對一些難成漿性有機廢棄物的氣化利用尚缺乏深入研究和介紹，導(dǎo)致工業(yè)化實際應(yīng)用原料范圍窄，不利于有機廢棄物的資源化處理。

多元料漿氣化技術(shù)是目前國內(nèi)主流氣化技術(shù)之一，該技術(shù)將含碳氫原料預(yù)制成便于泵送的料漿，然后與純氧一同進入氣化反應(yīng)器轉(zhuǎn)化生成以CO和H2為主的合成氣，為下游相關(guān)生產(chǎn)、加工行業(yè)提供基本原材料。近年來，針對有機廢棄物的多樣性和復(fù)雜性，本文作者團隊進行了一系列的技術(shù)創(chuàng)新，積極進行原料擴大化開發(fā)研究工作，提出了多條利用有機廢棄物進行合成氣生產(chǎn)的資源化利用技術(shù)路線并實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，取得了較好的環(huán)保和經(jīng)濟效益。

1 技術(shù)思路及原理

1.1 技術(shù)思路

多元料漿氣化技術(shù)將有機廢棄物處理與多元料漿氣化技術(shù)相結(jié)合，利用有機廢棄物中有機質(zhì)富含碳氫元素的特點，采用濕法料漿形式進料、在高溫及純氧反應(yīng)條件下，實現(xiàn)有機廢棄物的資源化高效清潔利用，過程環(huán)保清潔。其技術(shù)設(shè)想是將有機廢棄物中的有機質(zhì)視為一種潛在的資源，通過一定的技術(shù)處理使有機廢棄物滿足多元料漿氣化技術(shù)的進料條件，成為該技術(shù)的原料或部分原料進行氣化轉(zhuǎn)化，生成以CO+H2為主的合成氣供后續(xù)生產(chǎn)、加工使用，達到有機廢棄物資源化清潔回用的目的。

1.2 技術(shù)原理

有機廢棄物在進入氣化反應(yīng)器后，在極短的時間內(nèi)快速升溫至1250℃以上（具體視原料性質(zhì)確定），有機廢棄物中的有機質(zhì)迅速發(fā)生裂解，化學(xué)鍵斷裂成為小分子自由基，隨后小分子自由基與O2以及H2O分子之間進行一系列復(fù)雜反應(yīng)直至達到平衡，氧氣被完全轉(zhuǎn)化，氣體中還原性氣體占據(jù)主導(dǎo)，最終形成為以CO和H2為主的原料合成氣。鑒于有機廢棄物成分的復(fù)雜性，該技術(shù)有機質(zhì)分解轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式可總體概括為式(1)。

2 技術(shù)路線

有機廢棄物因其組成情況的差異，造成其物理化學(xué)性質(zhì)如室溫狀態(tài)、黏度、揮發(fā)性、親水/疏水性等有所不同。因此，針對不同物理化學(xué)性質(zhì)的有機廢棄物在作為多元料漿氣化技術(shù)原料利用時，需根據(jù)其物性特點采用不同的工藝路線。

2.1 液態(tài)有機廢棄物多元料漿氣化制合成氣技術(shù)

2.1.1 低濃液態(tài)有機廢棄物（廢水）的利用

對于低濃度及流動性較好的液態(tài)有機廢棄物（廢水）如造紙廢液、制藥廢水等，可直接采用廢水制漿的方式直接利用。具體是將廢水按一定比例與其他固態(tài)含碳氫原料送入磨機，在適宜添加劑存在條件下，采用一步濕法制漿工藝制備出合格料漿，然后將此料漿送至氣化反應(yīng)器氣化生產(chǎn)粗合成氣。該方法與目前工業(yè)應(yīng)用的水煤漿氣化工藝相同，只是利用有機廢水取代原水制漿，在廢水不足情況下用原水補充。工藝流程見圖1所示。

圖1 低濃液態(tài)有機廢棄物（廢水）的多元料漿氣化利用示意圖

有機廢水代替原水制備水煤漿時，廢水中有機質(zhì)分子的存在可能會對原有的制漿添加劑體系產(chǎn)生干擾作用，添加劑也存在不能完全適用的情況。對此，西北化工研究院經(jīng)過多年研究，開發(fā)出了系列適應(yīng)性強、選擇范圍廣的新型有機廢水高濃制漿添加劑，常見的低濃液態(tài)有機廢棄物與固態(tài)有機廢棄物制漿結(jié)果見表1所示。

在遇到有機廢水中含有揮發(fā)性物質(zhì)的情況時，可先對有機廢水進行預(yù)處理，通過閃蒸等常規(guī)分離方式降低廢水中易揮發(fā)組分的含量至一可靠范圍內(nèi)并回收易揮發(fā)組分，然后將此與處理后的有機廢水送至磨機與固體原料共磨制漿，見圖1。同時需增加磨機及制漿車間的強制排氣設(shè)施、加強制漿區(qū)域的通風(fēng)和換氣，保證人員人身安全。

表1 常見有機廢棄物實驗室制漿結(jié)果一覽表

有機廢水中也可能存在一定數(shù)量的無機鹽類。在采用本技術(shù)進行含鹽有機廢水的處理時，由于含碳氫原料（如煤）中存在無機礦物質(zhì)灰分，在氣化高溫狀態(tài)下，有機廢水中的鹽類物質(zhì)呈熔融狀態(tài)并會與原料中熔融態(tài)的無機礦物質(zhì)灰分形成共熔體，該共熔體會在隨后的激冷過程中固化，轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的無機鹽渣排出[17]。該過程在很大程度上緩解了有機廢水中鹽類物質(zhì)對于系統(tǒng)運行安全的影響，而熔渣中的鹽類對耐火材料的侵蝕可通過調(diào)整耐火材料中酸堿元素的添加來減小[17]。因此，本技術(shù)對于有可溶性鹽類物質(zhì)存在但不破壞原料成漿性能的情況下依然具有很好的適用性。

2.1.2 高濃、高黏液態(tài)有機廢棄物的利用

當遇到有機物含量高、黏度較高以及具有劇毒性逸出物的液態(tài)有機廢棄物如有機廢溶劑、廢油等時，直接利用該液態(tài)有機廢棄物與煤或其他含碳氫固體原料制漿會破壞料漿的穩(wěn)定體系、造成料漿輸送困難或者危及人員健康。針對此，可采用國內(nèi)首創(chuàng)的多通道噴嘴技術(shù)（見圖2、圖3），將高濃、高黏液態(tài)有機廢棄物通過單獨的輸送系統(tǒng)和噴嘴通道送入氣化反應(yīng)器，實現(xiàn)高濃、高黏液態(tài)有機廢棄物的氣化利用，具體流程見圖3。某些通過升溫能夠轉(zhuǎn)化為液態(tài)的有機廢固如煤油共煉殘渣、煤制油殘渣等也可以通過此方式實現(xiàn)處理。

圖2 多通道燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 高濃、高黏液態(tài)有機廢液多元料漿氣化示意圖

2.2 固態(tài)有機廢棄物多元料漿氣化制合成氣技術(shù)

常見的固態(tài)有機廢棄物在研磨性能較佳時可通過一次濕磨制漿的方式制備成可供氣化的高濃度料漿，如果該固態(tài)廢棄物本身熱值太低或產(chǎn)量較小，可以和高熱值原料例如煤混合后通過濕磨制漿的方式制成混合料漿進行氣化利用。對于具有一定韌性，不易研磨處理的固體有機廢棄物如植物秸稈、有機彈性高聚物等，可通過先制粉、后制漿的兩段式制漿方式進行利用，具體利用流程見圖4所示。

2.3 氣態(tài)有機廢棄物多元料漿氣化制合成氣技術(shù)

一些成分較為復(fù)雜或者不利于遠距離輸送的氣態(tài)有機氣體如煤田伴生氣、煉廠廢氣等也可以通過多元料漿氣化技術(shù)實現(xiàn)資源化利用，其具體過程是將氣態(tài)有機廢棄物加壓后通過單獨的專用噴嘴送入氣化反應(yīng)器中，在氣化爐內(nèi)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化生成合成氣，具體流程圖見圖5所示。

2.4 多相態(tài)有機廢棄物氣化制合成氣技術(shù)

上述有機廢棄物技術(shù)也可相互結(jié)合形成一種固、液、氣有機三廢綜合利用清潔體系，具體過程是將高濃有機廢液、低濃廢水-廢固料漿、有機廢氣兩兩之間或者三者同時通過不同的輸送系統(tǒng)送入同一氣化反應(yīng)器中，實現(xiàn)同室轉(zhuǎn)化，流程示意見圖6。此種方式特別適合于同時存在多種不同物性有機廢棄物需要處理的場合。

圖4 固態(tài)有機廢棄物多元料漿氣化制合成氣技術(shù)流程示意

圖5 氣態(tài)有機廢棄物多元料漿氣化制合成氣技術(shù)流程示意

圖6 多相態(tài)有機廢棄物共氣化制合成氣技術(shù)示意圖

3 技術(shù)經(jīng)濟性及應(yīng)用情況

3.1 技術(shù)經(jīng)濟性能

采用本技術(shù)可以抵消原有機廢棄物常規(guī)處理所產(chǎn)生的費用，因此以有機廢棄物為部分原料的多元料漿氣化技術(shù)其經(jīng)濟性要遠勝于單純以水煤漿為原料的氣化生產(chǎn)過程，且該技術(shù)的經(jīng)濟性隨著有機廢棄物原料占比及有機廢棄物處理難度的增加而增加。以單位體積的合成氣產(chǎn)品為例，采用不同有機廢棄物為部分原料的多元料漿氣化技術(shù)生產(chǎn)成本對比情況如表2所示。

表2 1000m3有效氣(CO+H2)產(chǎn)品原料成本對比一覽表

3.2 技術(shù)應(yīng)用實例

以有機廢棄物為部分原料的多元料漿氣化裝置已在國內(nèi)多家企業(yè)得到了應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟效益。

（1）某年產(chǎn)3萬噸合成氨廠，多元料漿氣化裝置產(chǎn)有效氣（CO+H2）量7500m3/h（標況下），該廠利用附近低濃有機廢水和高濃有機廢溶劑作為部分原料進行生產(chǎn)，年處理低濃有機廢水約2萬立方米，有機廢溶劑1萬立方米，以低濃有機廢水處理成本25元/立方米，高濃有機廢溶劑處理成本650元/立方米計，相關(guān)企業(yè)廢水處理成本每年減少650萬左右。

（2）某年產(chǎn)30萬噸合成氨裝置，多元料漿氣化裝置產(chǎn)有效氣（CO+H2）量87500m3/h，該裝置利用附近有機廢水和焦粉為部分原料進行生產(chǎn)，年消耗有機廢水約28萬立方米，焦粉約10萬噸，以焦化廢水處理成本40元/m3計，通過該處理過程，預(yù)計相關(guān)企業(yè)廢棄物處理成本每年可減少約1500萬元。

（3）某年產(chǎn)60萬噸甲醇裝置，多元料漿氣化裝置產(chǎn)有效氣（CO+H2）量188400m3/h，該廠利用廠區(qū)其他裝置外排有機廢水和重質(zhì)廢油為原料進行廢棄物資源化回用，年消減廠區(qū)低濃有機廢水約55萬立方米、有機廢油13萬立方米，以各類廢水綜合處理成本35元/m3計，廢油處理成本500元/m3計，每年僅有機廢棄物處理費用一項可節(jié)約約2000萬元。

4 結(jié)語

有機廢棄物中含有大量的含碳氫有機類物質(zhì)，將其視為一種潛在資源，而不是簡單地作為一種污染廢棄物，是一種資源和生態(tài)和諧的新理念。多元料漿氣化技術(shù)作為一種先進的碳氫質(zhì)資源轉(zhuǎn)化方式，可利用有機廢棄物作為部分替代原料氣化生產(chǎn)粗煤氣，繼而進行一些化工產(chǎn)品或中間體的生產(chǎn)，既能實現(xiàn)有機污染物的資源化利用，又能有效消減污染物，還會產(chǎn)生一種新穎的盈利模式，利用該技術(shù)將會是未來實現(xiàn)我國工業(yè)有機廢棄物處理綠色化發(fā)展目標的一條有效途徑。

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Technology on preparing synthetic gas from industrial organic wastes by multicomponent slurry gasification

LUO Jincheng1，2，ZHANG Yong1，2，GE Qiming1，2，ZOU Tao1，2，ZENG Mei1，2，XIE Xinxin1，2
（1Northwest Research Institute of Chemical Industry，Xi’an 710061，Shaanxi，China；2Xi’an Origin Chemical Technologies Co.，Ltd，Xi’an 710061，Shaanxi，China）

The organic waste is rich in hydrogen and carbon. It can be used as gasification raw material to produce synthetic raw gas with advantages of process cleaning and hydrocarbon recovery. There are many obstacles to overcome on converting organic waste to synthetic gas are needed，such as narrow range of organic waste gasification materials，difficulty of adapting to the large differences in the nature of organic waste，limiting gasification technologies in the field of organic waste treatment. According to different characteristics of the domestic industrial organic waste，animproved multicomponent slurry gasification（MCSG）technology for the organic waste is proposed in this paper. The basic principle of organic waste treatment was briefly discussed. Different treatment process route taken for different organic wastes and key equipment were introduced. Economy and technology for industrial applications were analyzed in this paper. The studies showed that the improved MCSG technology not only achieved the organic waste cleaning and reuse，but also had strong adaptability to the organic waste，and helped environmental protection，and provided economic benefits.

waste treatment；multicomponent slurry；gasification；syngas

X78；TQ544

：A

：1000–6613（2017）05–1940–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.049

2016-11-25；修改稿日期：2016-12-20。

及聯(lián)系人：羅進成（1983—），男，碩士，高級工程師，主要從事煤化工及環(huán)保技術(shù)的研發(fā)和推廣。E-mail：ljc123213@sina.com。