煤氣化過程中控制污染物產(chǎn)生的技術(shù)措施

朱志全

(陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719302)

0 引言

國家和地方環(huán)保法規(guī)的嚴(yán)格執(zhí)行，使得企業(yè)必須采取各種措施來滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，催生技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)。煤氣化行業(yè)的法規(guī)涵蓋各類污染物的排放限值，如顆粒物、硫化物、氨和重金屬等，還對(duì)廢水和固體廢物的處理和處置進(jìn)行規(guī)定。因此，煤氣化企業(yè)在選擇污染物控制技術(shù)時(shí)，需要考慮其技術(shù)的成熟度、效率和經(jīng)濟(jì)性，以滿足法規(guī)的要求。一方面，高效的控制技術(shù)可以幫助企業(yè)減少污染物排放，避免法規(guī)處罰，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的雙重利益。另一方面，采用先進(jìn)的控制技術(shù)也可以改善企業(yè)的環(huán)保形象，增強(qiáng)其社會(huì)責(zé)任感和競爭力。

1 煤氣化原理與產(chǎn)生污染物類別

1.1 煤氣化產(chǎn)物

煤氣化是一種將固態(tài)燃料轉(zhuǎn)化為氣態(tài)燃料的過程，被廣泛應(yīng)用于能源生產(chǎn)和化工行業(yè)，以煤炭為原料，利用高溫和適當(dāng)?shù)难趸瘎┉h(huán)境，將煤炭中的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的混合物，這種混合物稱為合成氣或煤氣。這種轉(zhuǎn)化過程在一定條件下進(jìn)行，通常需要高溫和高壓的環(huán)境。在煤氣化過程中，煤炭的碳元素與氧、水蒸氣或二氧化碳等氧化劑發(fā)生反應(yīng)，生成一種主要由一氧化碳和氫組成的氣體，這種氣體即為合成氣[1]。其中，一氧化碳和氫的比例取決于煤炭的種類、煤炭的處理過程以及氣化過程中的具體條件。此外，煤氣化過程中還會(huì)生成一些固體和液體的副產(chǎn)品，如焦炭、焦油、酚、苯、硫等，這些副產(chǎn)品的產(chǎn)生和性質(zhì)與煤炭的種類、煤炭的處理過程以及氣化過程中的具體條件等因素密切相關(guān)。煤氣化技術(shù)不僅能高效地利用煤炭資源，生成清潔、高效的氣態(tài)燃料，同時(shí)還可以有效地控制和減少污染物的排放，提高環(huán)境質(zhì)量。然而，煤氣化過程中的污染物控制仍然面臨許多挑戰(zhàn)，如何有效地減少固體和液體副產(chǎn)品的產(chǎn)生，如何有效地處理和利用這些副產(chǎn)品，如何進(jìn)一步提高氣化效率和降低氣化成本等，都亟待進(jìn)一步研究和解決。

1.2 煤氣化過程的化學(xué)反應(yīng)原理

在煤氣化過程中，主要的化學(xué)反應(yīng)可以分為兩類：一類是氧化反應(yīng)，另一類是還原反應(yīng)。氧化反應(yīng)主要涉及碳與氧的反應(yīng)，生成一氧化碳和二氧化碳；還原反應(yīng)則主要涉及一氧化碳和水蒸氣的反應(yīng)，生成氫和二氧化碳。實(shí)際上在煤氣化過程中，這兩類反應(yīng)會(huì)同時(shí)進(jìn)行，而且會(huì)相互影響，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。煤氣化過程中的化學(xué)反應(yīng)也受到許多因素的影響，包括反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、氧化劑的種類和量，以及煤炭的種類和處理過程[2]。其中，反應(yīng)溫度和壓力是決定反應(yīng)速率和產(chǎn)物組成的重要因素，通常需要通過精確控制以優(yōu)化煤氣化過程；氧化劑的種類和量則直接決定了反應(yīng)的類型和方向。例如，使用氧氣作為氧化劑可以提高反應(yīng)的溫度和速率，而使用水蒸氣則可以增加產(chǎn)物中的氫含量。煤炭的種類和處理過程則決定煤炭中元素組成和物理特性，影響到反應(yīng)的效率和產(chǎn)物的性質(zhì)。

1.3 煤氣化過程中主要產(chǎn)生的污染物類型

煤氣化過程不僅會(huì)產(chǎn)生價(jià)值較高的燃料氣體，也會(huì)產(chǎn)生一些污染物，根據(jù)其物理狀態(tài)和化學(xué)性質(zhì)，大致可以分為固體、液體和氣體三類。固體污染物主要包括煤矸石和煤渣，煤矸石主要由煤炭燃燒后未完全氧化的炭黑和礦物質(zhì)組成，其中可能含有硫、砷、鎘等重金屬，如果不妥善處理，會(huì)對(duì)土壤和地下水造成嚴(yán)重污染。煤渣則主要來自煤氣化過程中的固體副產(chǎn)品，其成分和性質(zhì)與煤炭的種類和煤氣化條件有關(guān)。液體污染物主要包括焦油和酚類物質(zhì)，焦油是煤氣化過程中的一個(gè)重要副產(chǎn)品，主要由多環(huán)芳烴、酚類物質(zhì)和其他有機(jī)化合物組成，焦油直接排放會(huì)對(duì)水體和土壤造成嚴(yán)重污染，酚類物質(zhì)則主要來自煤氣化過程中的水洗過程，其對(duì)水體和生物具有很高的毒性。氣體污染物則包括硫化物、氮氧化物、一氧化碳和揮發(fā)性有機(jī)化合物等，硫化物和氮氧化物是煤氣化過程中最重要的氣體污染物，在大氣中生成酸雨，對(duì)建筑物、植物和水體造成嚴(yán)重傷害，進(jìn)入呼吸道會(huì)對(duì)人體健康造成威脅，一氧化碳和揮發(fā)性有機(jī)化合物則是重要的溫室氣體，對(duì)全球氣候變化有重要影響。

2 煤氣化過程中的污染物控制技術(shù)

2.1 物理法控制技術(shù)

物理法控制技術(shù)主要包括煙氣冷卻、電除塵和布袋除塵等方法。煙氣冷卻是一種在煤氣化過程中常用的技術(shù)，主要用于降低煤氣的溫度，去除煤氣中部分污染物，通過冷卻，一部分微塵和化學(xué)污染物會(huì)凝結(jié)或者吸附在冷卻設(shè)備的表面，從而實(shí)現(xiàn)其從煤氣中的去除。此外，冷卻過程還可以使煤氣在進(jìn)一步的凈化和利用之前達(dá)到適宜的溫度，冷卻過程需要耗費(fèi)能源，對(duì)煤氣的整體能效和環(huán)境效益有一定影響，因此，冷卻設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作需要兼顧冷卻效果和能耗。電除塵則是一種利用靜電力來去除煙氣中微塵的技術(shù)，電除塵器中有高電壓電極，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的電場，當(dāng)煙氣通過電場時(shí)，微塵會(huì)被電場電離，產(chǎn)生帶電粒子，帶電粒子在電場的作用下會(huì)被吸附在電極表面，微塵的去除效率高；布袋除塵則是一種利用布袋作為過濾介質(zhì)來去除煙氣中微塵的技術(shù)，可以有效攔截微塵，使清潔的煤氣通過，達(dá)到除塵的目的。布袋除塵器的設(shè)計(jì)和材料選擇需要考慮煙氣的溫度、濕度和化學(xué)性質(zhì)，以及微塵的粒徑和濃度等因素，以確保布袋除塵器的穩(wěn)定運(yùn)行和長壽命。

2.2 化學(xué)法控制技術(shù)

化學(xué)法控制技術(shù)包括氨法脫硫、干法脫硫以及濕法脫硫等技術(shù)。氨法脫硫是一種利用氨與硫化物反應(yīng)生成硫酸銨的技術(shù)，硫酸銨可作為肥料使用，因此，氨法脫硫不僅可以去除硫化物，還可以實(shí)現(xiàn)硫的資源化利用。干法脫硫通過吸附劑吸附硫化物實(shí)現(xiàn)脫硫，干法脫硫中的吸附劑通常是活性炭或活性氧化鋁，具有很高的比表面積和吸附能力。當(dāng)吸附劑飽和后，可以通過再生過程恢復(fù)其吸附能力，實(shí)現(xiàn)吸附劑的循環(huán)使用。干法脫硫的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便，設(shè)備占地面積小。濕法脫硫通過溶液吸收硫化物來實(shí)現(xiàn)脫硫，濕法脫硫中的吸收液通常是堿性溶液，如氫氧化鈉或碳酸鈉溶液，與硫化物反應(yīng)生成硫酸鹽或硫酸[3]，在吸收液飽和后，可以通過再生過程恢復(fù)其吸收能力，實(shí)現(xiàn)吸收液的循環(huán)使用。該方法的脫硫效率高，可以去除煤氣中的大部分硫化物。

2.3 生物法控制技術(shù)

在煤氣化過程中的污染物治理中，生物法控制技術(shù)呈現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢和潛力。微生物處理技術(shù)是利用微生物的生物降解功能，將污染物轉(zhuǎn)化為無害或低毒性的物質(zhì)。在煤氣化產(chǎn)生的污染物中，有些有機(jī)物質(zhì)和重金屬可以被某些微生物利用作為營養(yǎng)源或能量源，通過其生物代謝過程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化或去除，能夠有效地減少污染物，還能實(shí)現(xiàn)資源回收，如硫化物可通過硫桿菌轉(zhuǎn)化為硫元素。生物膜處理技術(shù)則是利用生物膜對(duì)污染物的吸附和生物降解作用，來凈化煤氣或處理廢水。生物膜是由微生物在固定表面形成的稠密層，具有較高的污染物處理能力和穩(wěn)定性，生物膜中的微生物可以高效地降解有機(jī)物和轉(zhuǎn)化硫化物，實(shí)現(xiàn)污染物的去除，生物膜的形成和再生過程可以自我完成，減少了操作的復(fù)雜性。

2.4 綜合利用技術(shù)

在煤氣化過程中，為了更有效地控制和減少污染，采用綜合利用技術(shù)已經(jīng)成為一種重要的趨勢。煤矸石堆場的封閉和綠化是一種常用的煤矸石處理方法，通過封閉和綠化，可以有效減少煤矸石對(duì)周圍環(huán)境的影響，如防止煤矸石中的有害物質(zhì)通過風(fēng)化和洗滌作用進(jìn)入土壤和水體，降低煤矸石對(duì)空氣質(zhì)量的影響等；綠化則能進(jìn)一步改善堆場的景觀，實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)，有利于環(huán)境保護(hù)，改善社區(qū)環(huán)境，提升社區(qū)居民的生活質(zhì)量；廢水回用技術(shù)則是一種有效的水資源管理方法，通過對(duì)煤氣化過程中產(chǎn)生的廢水進(jìn)行處理和再利用，可以減少新水的需求，節(jié)約水資源，減少污水排放，通常包括預(yù)處理、主處理和后處理三個(gè)步驟。預(yù)處理主要是去除廢水中的大顆粒物質(zhì)，主處理是去除廢水中的有機(jī)物、無機(jī)物和微生物，后處理是調(diào)整廢水的pH 值、消毒和深度凈化，以滿足再利用的要求[4]。

3 污染物控制技術(shù)的比較與評(píng)估

在煤氣化過程中，選擇適當(dāng)?shù)奈廴疚锟刂萍夹g(shù)需要考慮多種因素，包括污染物的種類、濃度和特性，以及技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保性能和適用條件等。物理法的適用性主要受污染物粒度和濃度的影響，適用于處理粒度大、濃度高的污染物，如煤塵和煙氣中的大顆粒物質(zhì)，溶解在煤氣中的有機(jī)物和重金屬離子若采用物理法的去除效果可能較差。此外，物理法的效果也會(huì)受到設(shè)備性能和操作條件的影響，如電除塵的效果會(huì)受到電場強(qiáng)度和粒子電荷的影響，布袋除塵的效果會(huì)受到布袋材料和設(shè)計(jì)的影響等?；瘜W(xué)法的適用性主要受污染物的化學(xué)性質(zhì)和濃度的影響，適用于處理可通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無害或低毒性物質(zhì)的污染物，如硫化物和有機(jī)物。然而，化學(xué)法的運(yùn)行需要精細(xì)控制，以保證反應(yīng)的完全進(jìn)行，避免副產(chǎn)物的生成，化學(xué)法也會(huì)產(chǎn)生一些需要處理的化學(xué)廢棄物，需要考慮廢棄物處理的技術(shù)和成本。生物法的適用性主要受污染物的生物降解性和環(huán)境條件的影響，適用于處理可通過生物降解轉(zhuǎn)化為無害或低毒性物質(zhì)的有機(jī)物和重金屬離子，但生物法的運(yùn)行需要適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件，如溫度、pH 值和營養(yǎng)物供應(yīng)等，如果條件不適，可能導(dǎo)致微生物活性降低，處理效果下降。綜合利用技術(shù)的適用性主要受污染物的資源化潛力和技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性的影響，適用于處理可回收利用的污染物，如煤矸石和廢水，實(shí)施綜合利用技術(shù)需要考慮技術(shù)的可行性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，以及管理的復(fù)雜性和成本。

4 現(xiàn)代先進(jìn)的污染物控制技術(shù)

4.1 納米技術(shù)在污染物控制中的應(yīng)用

納米技術(shù)是近年來備受關(guān)注的一種新興技術(shù)，其在煤氣化過程中對(duì)污染物控制中的應(yīng)用展現(xiàn)了顯著的潛力。通過納米技術(shù)，可以設(shè)計(jì)并合成出具有特定性能的催化劑，這些催化劑在化學(xué)方法中發(fā)揮著重要作用。例如改變納米催化劑的形狀、大小和表面特性，增強(qiáng)催化劑對(duì)特定污染物的選擇性和活性，提高化學(xué)反應(yīng)的效率，減少副產(chǎn)物的生成，在硫化物和有機(jī)物的轉(zhuǎn)化過程中，納米催化劑的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的污染物去除效果。除了催化劑的應(yīng)用，納米材料也在污染物的吸附過程中發(fā)揮著重要的作用，納米材料通常具有高的表面積，可以提供大量的吸附位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高效的污染物吸附，納米材料的表面性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)可以通過精細(xì)的設(shè)計(jì)和調(diào)控，以提高其對(duì)特定污染物的吸附選擇性和穩(wěn)定性。在廢水處理方面，納米濾膜技術(shù)由于其特有的微觀結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)高效的物質(zhì)分離，對(duì)于廢水中的有機(jī)物、重金屬離子以及某些難以降解的污染物具有優(yōu)良的去除能力。

4.2 高溫煤氣清潔化技術(shù)

高溫煤氣清潔化技術(shù)是對(duì)于煤氣化過程中產(chǎn)生的含有大量雜質(zhì)的原生煤氣進(jìn)行清潔處理的重要技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)煤氣的高效利用和環(huán)境污染的最小化，有效減少污染物的排放，提高煤氣的熱效率，同時(shí)減少能源消耗。高溫煤氣清潔化技術(shù)可以通過在高溫下使用硫化物吸附劑，有效地將硫化物從煤氣中吸附分離出來，從而實(shí)現(xiàn)煤氣的脫硫，煤氣中的氨也可以通過高溫條件下的催化分解或吸附分離出來[5]。粉塵和重金屬則是通過高溫煤氣清潔化技術(shù)中的熱過濾器進(jìn)行分離的，熱過濾器利用其特殊的過濾介質(zhì)，在高溫下有效地將煤氣中的粉塵和重金屬粒子捕獲，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣的深度凈化。高溫煤氣清潔化技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠有效地減少煤氣化過程中的環(huán)境污染，提高煤氣的質(zhì)量和熱效率，而且還能夠通過雜質(zhì)的回收利用，實(shí)現(xiàn)能源和資源的高效利用。然而，這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還面臨著一些挑戰(zhàn)，如技術(shù)成熟度、操作復(fù)雜性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等，需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化，以推動(dòng)其廣泛應(yīng)用。

4.3 微波吸附技術(shù)

微波吸附技術(shù)通過微波能量的獨(dú)特作用，提高吸附過程的效率和效果，微波能量的輸入可以瞬間增加吸附介質(zhì)的溫度，增加介質(zhì)的活性，提升吸附的動(dòng)力學(xué)效果，縮短達(dá)到吸附平衡的時(shí)間。此外，微波照射還能改變吸附介質(zhì)的表面性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高吸附介質(zhì)的選擇性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。例如，通過微波處理，增加吸附介質(zhì)的表面粗糙度，改善其孔隙分布，增強(qiáng)其對(duì)特定污染物的吸附能力。在煤氣化過程中產(chǎn)生的污染物控制中，微波吸附技術(shù)可以有效地去除煤氣中的硫化物、有機(jī)物和重金屬離子等污染物。例如，微波輔助的活性炭吸附可以實(shí)現(xiàn)高效的硫化物吸附，而微波輔助的沸石吸附則可以實(shí)現(xiàn)高效的重金屬離子吸附。同時(shí)，通過選擇適當(dāng)?shù)奈⒉▍?shù)，如功率、頻率和時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附過程的精細(xì)控制，優(yōu)化吸附效果。然而微波設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作復(fù)雜，需要精細(xì)控制以避免過熱或者熱不均的問題，吸附介質(zhì)的再生和處理也是需要解決的問題，含有有害物質(zhì)的吸附介質(zhì)需要采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，避免二次污染?/p>

4.4 光催化材料

光催化材料，如二氧化鈦和氧化鋅，在污染物控制中的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和研究，其特點(diǎn)和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高效性、無二次污染以及可重復(fù)使用等方面，光催化材料的工作原理主要依賴于其在光照條件下能夠產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的活性自由基，氧化分解有機(jī)污染物和部分無機(jī)污染物。以二氧化鈦為例，屬于典型的半導(dǎo)體材料，具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和良好的光催化活性。在紫外光的照射下，二氧化鈦的價(jià)帶電子會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)，可以與水和氧反應(yīng)生成羥基自由基和超氧化物自由基，具有強(qiáng)氧化性，能夠氧化難降解的有機(jī)化合物。此外，光催化材料的應(yīng)用也有利于煤氣化廢水的深度凈化。廢水中的有機(jī)污染物和部分無機(jī)污染物經(jīng)過光催化氧化后，可被轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳等無害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“零排放”，不僅提高了廢水處理的效率，也保護(hù)了水資源的安全。然而，光催化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。比如，二氧化鈦和氧化鋅的光催化活性主要發(fā)揮在紫外光區(qū)，而紫外光只占太陽光的約5%，限制了光催化技術(shù)的應(yīng)用范圍。因此，如何擴(kuò)大光催化材料的光響應(yīng)范圍，提高其在可見光區(qū)的活性，成為當(dāng)前研究的重要方向。

5 煤氣化過程中的污染物控制政策與法規(guī)

環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為全球性的議題，各國政府和國際組織正在通過制定和實(shí)施煤氣化過程污染物控制政策與法規(guī)，以期實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。例如，美國環(huán)保署依據(jù)《清潔空氣法》制定了一系列的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煤氣化等重點(diǎn)行業(yè)的有害物質(zhì)排放進(jìn)行了嚴(yán)格限制。歐盟也制定相應(yīng)的政策，如《工業(yè)排放指令》明確規(guī)定了工業(yè)排放的最佳可行技術(shù)和排放限值，其中也包括了煤氣化過程中的污染物排放。中國的《大氣污染防治法》和《水污染防治法》等相關(guān)法律法規(guī)，對(duì)煤氣化產(chǎn)業(yè)的污染物排放和污染防治技術(shù)設(shè)定了嚴(yán)格的要求，在實(shí)施過程中，政府不僅強(qiáng)調(diào)了企業(yè)的主體責(zé)任，還鼓勵(lì)和支持清潔生產(chǎn)和污染控制技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。此外，各國政府和國際組織還積極推動(dòng)污染物排放權(quán)的交易制度，鼓勵(lì)企業(yè)通過購買和銷售排放權(quán)來達(dá)到減排目標(biāo)，既可以提高污染控制的經(jīng)濟(jì)效率，也有利于推動(dòng)清潔技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。在國際層面，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和世界衛(wèi)生組織等機(jī)構(gòu)也發(fā)布了多項(xiàng)關(guān)于污染物排放控制的公約和宣言，如《巴塞爾公約》對(duì)有害廢物的跨境轉(zhuǎn)移和處理設(shè)定了全球性的規(guī)則，為國際環(huán)保合作提供了法律框架。

6 結(jié)語

總的來說，各種污染物控制技術(shù)在煤氣化過程中都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和適用條件，但也都面臨著各自的挑戰(zhàn)。新興技術(shù)如納米技術(shù)、高溫煤氣清潔化技術(shù)和微波吸附技術(shù)，雖然在處理煤氣化過程中產(chǎn)生的污染物方面具有顯著的潛力，但其廣泛應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。因此，對(duì)于科研人員來說，如何優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)、發(fā)展新的污染物控制技術(shù)，以及如何在各種技術(shù)中選擇最適合的一種，是未來研究的重要方向，決策者則需要考慮技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的多方面因素，以實(shí)現(xiàn)煤氣化的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化。