淺析煤化工過程的主要污染物及其控制

林祥娃

摘 要：煤化工過程中產(chǎn)生大量污染物，直接危害環(huán)境和人體健康，也限制著煤化工產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。本文通過對煤化工過程中不同工藝環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的污染物進行分析，對污染物的處理和控制方法進行探討，旨在降低煤化工污染物的排放，實現(xiàn)煤化工產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展。

關鍵詞：煤化工;生產(chǎn)工藝;污染物;控制

0 引言

煤炭作為國民生產(chǎn)生活過程中的重要能源資源，在國家經(jīng)濟社會發(fā)展中有著非常重要的地位。煤炭作為一種能源資源，通過煤化工處理，進而形成多種煤炭衍生品，使得煤炭資源服務于更多產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)煤炭資源的高效使用，在此過程中煤化工產(chǎn)業(yè)扮演著非常重要的角色。然而，煤化工過程產(chǎn)生的環(huán)境污染問題時刻困擾著煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，通過探討煤化工過程中主要污染物及其來源，并對其控制方法進行分析，對于促進煤化工產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展，保護周圍環(huán)境具有非常重要的意義。

1 煤化工生產(chǎn)工藝過程及現(xiàn)狀

1.1 煤化工概述

煤化工作為一種化工技術，是以煤炭作為原料，通過煤炭一系列的化學反應過程，最終使得煤炭轉(zhuǎn)化成為不同物理狀態(tài)的半成品或產(chǎn)品，進而進行再加工成為能源化工產(chǎn)品的過程。煤炭作為一種有機物，其化學結(jié)構(gòu)整體以芳香族為主的稠環(huán)單元作為分子核心，分子間通過橋鍵實現(xiàn)分子間的拼接，最終形成一種含有各種官能團的大分子結(jié)構(gòu)，煤化工過程則是通過物理加熱、化學催化等過程，最終實現(xiàn)煤炭向能源產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。

1.2 煤化工生產(chǎn)工藝流程

煤化工過程較為繁瑣，主要環(huán)節(jié)包括煤氣化過程、煤液化過程和煤焦化過程，其中，煤氣化過程主要是將煤炭在高溫氣化爐中與O2和H2O進行化學反應，進而生成合成氣（H2+CO），通過進一步反應形成甲醇和合成氨，甲醇產(chǎn)物可以作為汽油和柴油產(chǎn)品用于能源動力，此外甲醇則可以進一步反應生成烯烴，也可以通過烴基化形成醋酸，通過脫水處理形成二甲醚，還可以通過氧化反映形成甲醛。煤液化過程一方面可以通過直接加氫液化，將煤炭放置在高溫（430-465℃）和高壓（17-30MPa）環(huán)境中，在氫類催化劑作用下形成液態(tài)烴，用于汽油柴油等動力能源，另一方面還可以通過間接液化方式，采用先氣化再液化的過程，先將煤炭氣化形成合成氣，然后再在催化劑的反映下最終形成低碳混合醇和二甲醚。煤焦化過程則是再隔絕空氣的條件下，將煤炭加熱分解的過程，煤焦化后可形成焦爐氣、焦炭、煤焦油、粗笨等半成品，通過進一步分離提純，最終可形成甲烷、乙烯、電石、苯酚、甲苯等產(chǎn)物，進而用于化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 煤化工過程主要污染物

2.1 煤氣化過程的主要污染物

煤炭氣化過程是將煤炭資源與氣化劑通過反映形成合成氣的過程，煤氣化過程需要反應爐為氣化過程提供化學反應環(huán)境，常見的反應爐包括固定床（魯奇爐）、流化床（溫克勒爐）、氣流床（GE爐）等，不論何種反應爐，在煤氣化過程中產(chǎn)生的污染物主要有以下幾種：

2.1.1 廢氣

煤氣化過程中廢氣污染物的產(chǎn)生主要有兩大因素來源，第一，煤氣化反應爐在開車過程中受到外界因素影響，進而導致反應爐出現(xiàn)非正常停車狀況，由此在對反應爐進行啟閉過程中產(chǎn)生廢氣的散出;第二，反應爐開車過程中，煤炭物質(zhì)發(fā)生反應而產(chǎn)生的廢氣，當反應爐進行排氣處理時，如果煤化工工藝中缺少尾氣回收和凈化處理，就會產(chǎn)生廢氣污染物。

煤氣化過程中產(chǎn)生的廢氣中包含氨氣、硫氧化物、碳氧化物等，而且廢氣中還夾雜的有煤炭混合物在發(fā)生化學反應過程中飄逸出來的汞、鉛、砷等分子微粒，因此對人體和環(huán)境危害很大。

2.1.2 廢水

煤氣化過程中產(chǎn)生的廢水主要來自于煤氣化反應爐中煤氣的凈化和冷卻環(huán)節(jié)，產(chǎn)生的廢水中含有大量焦油和酚類物質(zhì)，對環(huán)境危害較為嚴重。通過實驗對比我們發(fā)現(xiàn)，第一，不同種類的煤炭原材料經(jīng)過煤氣化過程產(chǎn)生的廢水水質(zhì)不同，其中，褐煤在煤氣化過程中產(chǎn)生的焦油和氨含量較多，煙煤在煤氣化過程中產(chǎn)生的酚類較多;第二，不同反應爐下所產(chǎn)生的廢水雜質(zhì)的含量也不盡相同。

根據(jù)上表可以看出，通過魯奇爐固定床煤氣化工藝過程產(chǎn)生的廢水中COD含量較高，由此帶來的環(huán)境污染較為嚴重，通過溫克勒爐流化床煤氣化工藝過程產(chǎn)生的廢水中氨含量較高，對環(huán)境周邊植被的危害較大;通過GE爐氣流床煤氣化工藝過程產(chǎn)生的廢水中甲酸化合物含量較高，但是相比于其他兩種反應爐工藝流程，氣流床工藝產(chǎn)生的廢水水質(zhì)相對較好。

2.2 煤液化過程的主要污染物

煤液化過程則是將煤炭通過一系列化學反映，最終形成液態(tài)能源資源和半成品的過程，相比于煤氣化和煤焦化過程，煤液化過程產(chǎn)生的污染物相對較少，主要污染物有廢氣和固體廢棄物。

2.2.1 廢氣

煤液化過程產(chǎn)生的廢氣十分有限，因為煤炭直接液化過程中，在高溫高壓環(huán)境中，煤炭物質(zhì)在氫催化劑作用條件下，物質(zhì)內(nèi)部異質(zhì)分子基本情況下都被脫出，分子分散轉(zhuǎn)化形成硫、氨等物質(zhì)，進而被回收利用;煤炭間接液化過程中，煤炭在氣化形成合成氣時會產(chǎn)生碳氧化合物，但是經(jīng)過進一步燃燒反應，最終排出的是二氧化碳氣體，對環(huán)境污染較小。煤液化過程產(chǎn)生廢氣的主要原因就是廢氣的意外泄漏，廢氣泄漏使得反映過程中產(chǎn)生的合成氣直接逸散到空氣中造成環(huán)境污染。

2.2.2 固體廢棄物

煤液化過程中固體廢棄物的產(chǎn)生是最為主要的污染物，根據(jù)相關分析，煤液化過程中煤炭發(fā)生化學反應產(chǎn)生的廢渣主要由以下組成成分。

通過表格我們可以看出，煤液化過程產(chǎn)生的固體廢棄物中金屬氧化物占據(jù)的比例很大，這些金屬氧化物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對環(huán)境的影響較大。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計分析，煤炭直接液化工藝過程中，每液化1噸的煤炭物質(zhì)，就會產(chǎn)生0.3噸的固體廢棄物，煤炭間接液化工藝過程中產(chǎn)生的固體廢棄物含量也占據(jù)煤炭原料總量的40%左右，這些固體廢棄物中包含高碳、高灰、高硫分子和物質(zhì)，會對環(huán)境造成較為直接的影響。

2.3 煤焦化過程的主要污染物

煤焦化過程是一項較為復雜的煤化工工藝，其中包括備煤、配煤、粉碎、焦化、硫化、等過程，而這些過程中不同環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生污染物，使得煤焦化過程中產(chǎn)生的污染物的種類多，對環(huán)境污染嚴重。煤焦化過程中產(chǎn)生的污染物包括廢氣、廢水和廢渣三大類。

2.3.1 廢氣

煤焦化過程中備煤、配煤、焦化、回收等過程都很容易產(chǎn)生廢氣污染物，具體來說，煤焦化過程中在備煤和配煤環(huán)節(jié)，煤炭物質(zhì)在高溫環(huán)境中與空氣發(fā)生反應，進而會產(chǎn)生大量的煙塵，這些煙塵中所含硫氧化物、碳氧化物含量很高，對周圍環(huán)境污染很嚴重，而且，煙塵中所含的荒煤氣中含有大量的多環(huán)芳烴物質(zhì)，這種物質(zhì)對人體健康危害很嚴重。煤焦化過程出焦環(huán)節(jié)中，焦炭與空氣在高溫環(huán)境中相互反應，進而產(chǎn)生大量的碳氧化物和氮氧化物氣體，進而產(chǎn)生較為濃烈的黑煙，黑煙中還有酚類化合物、苯類化合物、碳氧化合物等多種分子顆粒，飄散到空氣中會造成非常嚴重的污染。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計分析，煤焦化過程中每生產(chǎn)出1噸焦炭就會產(chǎn)生400立方米的廢氣，因此需要引起重視。

2.3.2 廢水

煤焦化過程中制焦環(huán)節(jié)、熄焦環(huán)節(jié)和焦炭回收環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生廢水污染物，具體來說，煤焦化過程中在制焦環(huán)節(jié)產(chǎn)生的水蒸氣與空氣中散逸的煤碳分子相融合，在制焦產(chǎn)生的煤氣作用下由煤焦爐管道引出，經(jīng)過管道內(nèi)部冷卻液化成廢水。此外，煤焦化在進行煤氣凈化和蒸氮過程中都會產(chǎn)生大量的廢水，這些廢水中含有大量的酚類化合物、硫化物、氨基鹽化合物等，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計分析，煤焦化過程中產(chǎn)生的廢水中CODCr的濃度為3000-5000mg/L，對環(huán)境和人體健康危害極大。

2.3.3 廢渣

煤焦化過程中備煤、配煤和上煤環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生大量的廢渣，具體來說，煤焦化在制煤和配煤環(huán)節(jié)，煤化工工藝需要對原煤進行輸送和粉碎，在此過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，煤焦化上煤環(huán)節(jié)，推焦、熄焦和篩焦工藝流程中會產(chǎn)生煤塵、酸焦油、焦油渣等物質(zhì)，這些物質(zhì)與煤焦化產(chǎn)生的污泥相融合，最終形成廢渣污染物。根據(jù)相關統(tǒng)計分析，一個年產(chǎn)焦炭145萬噸的企業(yè)，平均每年所產(chǎn)生的粉塵有1300噸左右，產(chǎn)生的酸焦油500噸左右，產(chǎn)生的焦油渣3000噸左右，由此可見，煤焦化過程中廢渣的產(chǎn)量相對較大，對環(huán)境的危害較大。

3 煤化工過程污染物的控制

3.1 廢氣污染物的控制方法

煤化工過程中廢氣污染物的控制方法是多樣化的，其中主要的控制方法有以下幾種。第一，針對廢氣污染物中的煙塵，通過離心力和重力除塵、洗滌除塵和電除塵等方法實現(xiàn)煙塵中顆粒污染物的沉積排除，實現(xiàn)廢氣的凈化;第二，針對廢氣中的硫氧化物，需要對廢氣進行脫硫處理，廢氣的脫硫處理需要將廢氣進行催化燃燒，其中的催化劑包括石灰乳、氧化鎂、活性炭等，通過催化反應和活性炭的吸附作用，進而實現(xiàn)廢氣的脫硫處理;第三，針對廢氣中的氮氧化物，需要對廢氣進行脫硝基處理，此過程也需要將廢氣進行催化燃燒，也可以使用亞硝酸鈉進行中和反應處理;第四，針對廢氣中可燃物成分，可對廢氣進行直接焚燒的方法進行處理。除此之外，黃亮提出在廢氣脫硫脫硝工藝過程中，使用WSH-1催化燃燒催化劑能夠使得廢氣中非甲烷總烴含量達到國際先進水平，桂浩提出采用蓄熱焚燒爐（RTO）的方法，可以在實現(xiàn)廢氣凈化處理中降低廢氣中VOCs的濃度，節(jié)約一次性投資成本。

3.2 廢水污染物的控制方法

煤化工廢水污染物的控制主要是加強對煤焦化工藝過程的管理，當前，煤化工廢水的排放至少需要經(jīng)過三級處理。其中，第一級處理是采用除油、氣浮、萃取等物理方法對廢水進行預處理，廢水的一級預處理過程能夠去除廢水中20%～25%的污染物;第二級處理則是采用厭氧生物和好氧生物對廢水進行降解處理，該工藝方法也稱為A/O法，此外，還可以采用生物膜法、SBR法等工藝，進而對廢水中的COD、氨基、硝基等物質(zhì)進行脫除，據(jù)調(diào)查，通過合理的工藝和工藝結(jié)合，煤化工廢水二級處理后廢水中的酚類、硫氧化物、氮氧化物、COD去除率均達到95%以上;第三級處理則是對煤化工廢水的深度處理，在此過程中可以通過生物強化法、Fenton法、超臨界催化氧化法等工藝方法，可以對二級處理后生物出水所殘留的部分污染物進行降解凈化，進而可以使得廢水中有機污染物的徹底講解，達到工業(yè)循環(huán)用水的基本標準。

雖然煤化工廢水經(jīng)過三重凈化處理后能夠達到工業(yè)循環(huán)用水要求，但是，煤焦化過程所產(chǎn)生的廢水中仍存在諸多有毒有害物質(zhì)，劉璐則通過對廢水凈化工藝流程進行優(yōu)化，采用高級氧化處理方法，對廢水中的特征污染物進行遷徙轉(zhuǎn)化，進而削減廢水中有毒物質(zhì)，降低廢水毒性。

3.3 固態(tài)污染物的控制方法

在傳統(tǒng)煤化工工藝流程中，煤化工所產(chǎn)生的廢渣固態(tài)污染物往往通過直接掩埋和焚燒的處理方法，進而造成環(huán)境的二次污染。眾所周知，煤化工固態(tài)污染物中所含金屬氧化物具有一定的二次利用價值，如果加以合理利用會帶來很多經(jīng)濟價值。具體來說，通過收集在裝煤和配煤過程中所產(chǎn)生的煤渣和灰渣，煤焦化所產(chǎn)生的焦爐廢渣、煤氣化和煤液化所產(chǎn)生的廢渣，可以加工成型煤用于生活燃料所需，也可以加工成水泥、混凝土等建筑材料用于建筑行業(yè)，也可以制成空心微珠用于橡膠材料和涂料，還可以對廢渣中的微量金屬元素進行回收處理，進而實現(xiàn)煤化工固態(tài)污染物的良性控制和管理。

4 結(jié)論

煤化工工藝流程比較復雜，由此產(chǎn)生的污染物的組成和種類也較為復雜，對周圍環(huán)境和人體健康帶來不良的影響。通過本文探析可以看出，不同的工藝流程安排所產(chǎn)生的污染物類型不盡相同，不同污染物處理工藝對污染物的凈化水平也有較大差別，因此，煤化工產(chǎn)業(yè)應該在當前較為先進的污染物處理方法技術基礎上不斷創(chuàng)新技術，提高污染物的處理效率和水平，進而實現(xiàn)煤化工物料和資源的高效可持續(xù)利用，降低煤化工污染物對環(huán)境的污染。

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