王秀國，馬磊，楊麗霞

（兗礦集團煤化分公司，山東 鄒城 273500）

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

王秀國，馬磊，楊麗霞

（兗礦集團煤化分公司，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)保部門下達的節(jié)能減排目標的基礎(chǔ)上才能發(fā)展，才能實現(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，對此制定實施了一系列政策法規(guī)，并在“十一五”和“十二五”時期的有關(guān)發(fā)展規(guī)劃中明確提出將“節(jié)能減排指標作為約束性指標”。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)境損害的責任者嚴格實行賠償制度，依法追究刑事責任”。煤化工企業(yè)應認真履行肩負的政治和社會責任，把節(jié)能減排作為企業(yè)長遠發(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，堅持常抓不懈。落實節(jié)能減排的責任一是要堅持技術(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)的實際應用，把技術(shù)成果轉(zhuǎn)化成為企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 堅持節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新，是實現(xiàn)節(jié)能減排目標的根本途徑

煤化工產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中，應注重自主知識產(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項國家“863”計劃課題研發(fā)任務，成功開發(fā)出水煤漿氣化、低溫費托合成煤制油、高溫費托合成煤制油等10多項具有自主知識產(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項中國專利，達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。新型氣化爐技術(shù)先后向9家企業(yè)實施技術(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)過程中應排放的CO2氣體約4500m3/h；2）CO車間產(chǎn)生的CO2氣體約2300m3/h。應排放的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)過擴產(chǎn)改造醋酸產(chǎn)量已經(jīng)達到30萬t/a，可利用CO2氣體約14萬t。

2 利用先進的空氣凈化手段實現(xiàn)廢氣的綜合利用

利用凈化脫除二氧化碳氣生產(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，采用二氧化碳氣提工藝生產(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中。

目前，該廠三套尿素生產(chǎn)裝置總生產(chǎn)能力可達年產(chǎn)80萬t，通過計算可得到消耗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)的有機整合，整個聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的總能利用效率達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。同時燃氣輪機的燃料氣中摻燒近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)醋酸實現(xiàn)CO2利用。按照國泰公司2007年燃氣輪機發(fā)電量6萬kW·h計算，CO2年減排量約為11.7萬t（參照CDM基準線華北地區(qū)電網(wǎng)的排放系數(shù)為0.9066kgCO2/kW·h）。

實測主要技術(shù)指標達到：滿負荷時，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)甲醇項目，是我國近30年來第一個應用實例。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，該項目也是世界上第一個應用成功的實例。

（1）大力實施循環(huán)經(jīng)濟建設

該企業(yè)累計投資23.09億元，建設了裝機總?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型機組一臺，額定輸出功率為31.44MW，保守起見，功率因子按0.8計算，年運行時間按照7200h計算，廠自用電率按照9%計算，則發(fā)電機組正產(chǎn)運行年發(fā)電量為164,796MW·h。

由于該項目的建成發(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)基準公布因子，該項目可取代燃煤發(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 利用先進的設備替代傳統(tǒng)的設備，提高運行效率

先進的循環(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）高強度的熱量、質(zhì)量和動量傳遞過程；4）采用流化方式，煤進入爐膛后，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，熱交換強烈，散熱小。按照目前魯化循環(huán)流化床鍋爐蒸氣量進行折算，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為鍋爐煤折標煤量；2.5為CO2折標準煤系數(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為鍋爐煤折標煤量；2.5為CO2折標準煤系數(shù)）。

兗礦國宏化工有限責任公司、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準折算后的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。該集團針對高硫煤特點，對耐硫變換工藝、NHD脫硫脫碳工藝等進行了優(yōu)化，使得變換后的氣體經(jīng)冷卻分離后進入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。兗礦煤化工項目每年可回收7萬t硫磺。

5 堅持廢水治理并實現(xiàn)回用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟

（1）采用先進的污水治理技術(shù)，實現(xiàn)減排

兗礦集團煤化工企業(yè)均位于山東省南水北調(diào)沿線保護區(qū)內(nèi)，排放指標要求高（水污染綜合排放標準為COD60mg/L、氨氮15mg/L）。為確保達標排放，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），實現(xiàn)了污水最大限度地重復利用，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，遠遠低于山東省排放要求。

（2）提高中水綜合利用水平

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

通過采用先進的潔凈煤氣化技術(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，維護了生態(tài)環(huán)境，為實現(xiàn)煤炭資源型區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，促進地方經(jīng)濟穩(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