建筑陶瓷行業發生爐煤氣站污染防治措施研究

薛知宜　李洪枚　王新春　譚玉菲　苑衛軍

摘 要：煤氣發生爐技術適應了我國“多煤少氣貧油”的能源資源實際，為我國能源安全和工業發展做出了巨大貢獻。然而，電解鋁、冶金和建筑陶瓷行業作為我國煤氣發生爐使用較為集中的行業，煤制氣過程造成的環境污染問題引起生態環境管理部門和煤氣站設施周邊群眾的關注。本研究結合資料調研和現場調研，收集了建筑陶瓷行業煤氣發生爐信息，分析其產排污環節和造成的主要污染問題，梳理并凝練提出污染防治技術和環境管理措施方面的政策建議，為深入推進陶瓷工業大氣污染防治攻堅戰提供決策支持，對進一步削減陶瓷工業大氣污染物排放、改善大氣環境質量具有顯著的社會效益與環境效益。

關鍵詞：建筑陶瓷;污染防治;煤氣發生爐;煤焦油;VOCs;含酚廢水

1 前 言

1985年至2000年間，我國從英國、美國、法國和意大利等國引進了10余套兩段式固定床低熱值煤氣發生爐，因其熱效率高于燃煤，選擇低熱值發生爐煤氣作為建筑陶瓷廠熱源是較明智的做法[1]。目前，我國建筑陶瓷行業窯爐燃料主要包括發生爐煤氣和天然氣，以及焦爐煤氣、液化氣等其他燃料，其中發生爐煤氣占全部燃料結構的比例最大，高達46%[2]。根據2017年行業初步調查結果，全國1366家建筑陶瓷生產企業中有838家企業使用煤氣發生爐[3]，約有近2000條陶瓷生產線采用發生爐煤氣為燃料。按照一般情況下每條生產線裝備一套煤氣發生爐推算，則全國共有約2000套煤氣發生爐，主要分布在廣東、江西、河南、廣西、遼寧、山東、湖北、湖南和陜西等，其中廣東、江西、河南和廣西約占總量的50%[4]。從能源安全角度看，煤氣發生爐技術在建筑陶瓷行業的應用，適應了我國“多煤少氣貧油”的國情。然而，發生爐煤氣站產生含酚廢水和煤焦油等污染物，成為使用煤氣發生爐的陶瓷產區生態環境部門環境管理的重點之一，也是困擾多個陶瓷產區可持續發展的熱點問題。本研究通過資料調研和現場調研的方式收集了建筑陶瓷行業煤氣發生爐信息，分析其產排污環節和造成的主要污染問題，以含酚廢水、煤焦油和揮發性有機物（VOCs）為重點，梳理出污染防治可行技術和措施，提出污染防治技術和環境管理措施方面的政策建議，為深入推進陶瓷工業大氣污染防治攻堅戰提供決策支持，對進一步削減陶瓷工業大氣污染物排放、改善大氣環境質量具有顯著的社會效益與環境效益。

2 建筑陶瓷工業煤氣生產工藝及主要產污環節

2.1建筑陶瓷工業煤氣生產工藝流程

陶瓷企業以煤為原料，飽和空氣為氣化劑，采用帶有干餾段的常壓固定床煤氣發生爐（簡稱兩段爐）連續制取工業用煤氣，按照直徑分類。單臺煤氣發生爐日耗煤量見表1[4]，理論制氣效率為3.2 Nm3 /kg煤，根據煤種實際制氣效率在2.6～3.55 Nm3 /kg煤。煤氣發生爐產生的熱、臟煤氣（俗稱濁煤氣），經凈化和降溫成為冷煤氣作為窯爐燃料。冷煤氣熱值一般可達6300 kJ/Nm3 （1500 kCal/Nm3）。

煤氣凈化設備包括豎管、旋風除塵器、電氣濾清器（濕式電氣除塵器、電除焦油器、靜電除塵器）、洗滌塔、間接冷卻器、除滴器等[5]。制氣的工藝流程如下：合格原料煤由提煤系統提升至主廠房儲煤倉，再經加煤機加入爐內。煤受到來自氣化段煤氣的加熱干燥和干餾，干餾后半焦狀態下的煤炭在氣化段與氣化劑（空氣+水蒸汽）發生反應，氣化段生成的煤氣分成上段煤氣和下段煤氣。

下段出口煤氣約占總煤氣量的60%，其熱值相對較低（不低于5440 kJ/m3） [5]，溫度較高（約450℃），煤在干餾段低溫干餾時間充足，進入氣化段的煤已變成半焦，因此生成的氣化煤氣幾乎不含焦油。下段煤氣導出通道底部距離煤炭高溫反應區較近，煤炭高溫熱爆產生的煤粉容易被下段煤氣裹攜上行，因此，下段煤氣攜帶煤粉量相對較大。下段煤氣經旋風除塵器除塵后進入強制風冷器，繼續除塵并降溫，然后進入間接冷卻器。

上段出口煤氣約占總煤氣量的40%，其熱值較高（不低于6700kJ/m3） [5]，溫度較低（80～120℃）。上段煤氣含有大量焦油，該焦油為低溫干餾產物，其流動性較好，可采用電捕焦油器捕集，作為燃料或化工原料。上段煤氣經電捕焦油器（電除焦油器）除焦后進入間接冷卻器。

上段煤氣和下段煤氣在間接冷卻器混合并降溫后，進入電捕輕油器（電除輕油器），捕除煤氣間接冷卻過程中析出的酚水和輕油，凈化后的冷煤氣（一般不高于35℃[5]）經加壓風機后送往窯爐。陶瓷行業發生爐煤氣不必進行脫硫處理，窯爐煙氣經治理后排放。

陶瓷企業用兩段式煤氣發生爐生產工藝流程及產排污環節見圖1。

2.2主要排污環節和主要污染物排放特征

煤氣站主要排污環節是煤氣放散管、加煤機、酚水池、焦油池、各類水封和排渣裝置等，主要的污染物是揮發性有機物（VOCs）、煤焦油、含酚廢水、煤渣、粉塵和噪聲，其中大氣污染物無組織排放、含酚廢水和煤焦油等固體廢物產污特征如下：

2.2.1大氣污染物無組織排放

大氣污染物無組織排放以VOCs、粉塵和放散煤氣為主。

（1）VOCs。

VOCs 是PM2.5和O3的共同前體物[6]。陶瓷企業煤氣站VOCs主要排放點為焦油系統（焦油池、焦油溝、焦油庫、清油池、焦油泵送）、煤氣凈化設備（豎管、風冷器、電捕焦油器、電捕輕油器及間冷器沖洗循環系統等煤氣凈化設備）的調節池、沉淀池、冷、熱循環水水溝、水泵房、廠區沖洗和煤氣管道的排水器水封等。根據GB 37822-2019相關規定，為表征VOCs總體排放情況，陶瓷企業煤氣站可采用非甲烷總烴作為污染物控制項目[7]。

（2）粉塵。

煤炭破碎機、篩分機和加煤機是主要的產塵點，配備有袋式除塵器，屬于有組織排放。陶瓷企業煤氣站的無組織排放粉塵污染，主要來源于儲煤場和煤炭卸車、堆取和各輸煤倒運操作產生的揚塵，其次是煤灰渣由爐柵驅動從灰盆自動排出后，由于清理不及時或采用下落式清渣操作產生的揚塵。

（3）放散煤氣。

放散煤氣過程中主要排放點包括煤氣放散管和煤氣爐加煤機放散。煤氣發生爐在烘爐、點火送氣、熱備或停爐過程中煤氣（煙氣）放散會產生相應的污染，烘爐、點火送氣、熱備或停爐過程產生的煙氣一般未進行有效處理。在正常生產過程中，加煤過程會造成煤氣放散，放散量與單位時間內的加煤次數、煤的含碳量和發生爐的產氣量有關[8]。放散煤氣主要成分為CO、N2和H2。

2.2.2含酚廢水

煤氣站的含酚污水來源于冷卻及凈化煤氣過程中的洗滌水和含酚冷凝水，

主要由酚類、油類、懸浮物等組成，其中酚類以一元酚為主，以苯酚含量最高，其次還有間對甲苯酚。主要污染物是化學需氧量（COD）、揮發酚、油類和懸浮物等，含酚廢水呈堿性，pH值一般在7～8.5之間[9]，主要與氣化用煤品種含氮量有關，陶瓷廠采用的煙煤中的氮在熱解過程中會轉化為NH3混于煤氣中，在煤氣冷卻過程中NH3溶于酚水，造成酚水呈堿性。上段煤氣冷凝水含酚量約為8500～10000mg/L，下段煤氣洗滌水含酚量10mg/L [10]。酚水產量與煤氣產量、煤的水分等相關，一般每生產10000Nm3煤氣可產生酚水100～250kg，或每噸原煤產生8%～12%。環境溫度影響酚水產生量，環境溫度降低，煤氣冷凝作用增大，酚水產量提高，因而，酚水產量冬季高于夏季，北方高于南方。按照建筑陶瓷行業使用2500萬噸制氣用煤計算，全行業含酚廢水年產生量至少250萬立方米。

現場調研發現，陶瓷企業煤氣凈化裝置及場站上部空間普遍無防雨設施，雨季會造成較為嚴重的雨污混流，當酚水池儲存能力不夠時，會造成含酚廢水外溢風險。

2.2.3 煤焦油

煤氣凈化和降溫過程中煤氣中的煤焦油冷凝析出，上段煤氣中的煤焦油主要通過電捕焦油器析出，上段煤氣和下段煤氣混合后經電捕輕油器進一步析出輕質焦油，煤焦油和輕質焦油一般分開儲存。此外，少量煤焦油還會沉降在水封水槽中。根據《國家危險廢物名錄》，煤焦油屬于危險廢物（代碼HW11-450-003-11）。焦油的產率僅與發生爐爐型結構和入爐煤的性質，如揮發份、H/C、氧含量、粘結性及礦物質的性質和含量等相關[11]。陶瓷廠煤氣發生爐焦油產生量一般為用煤量的3%～7%，中位值約為4%～5%。按照建筑陶瓷行業使用2500萬噸制氣用煤計算，全行業煤焦油年產生量至少100萬噸。

2.2.4 其他固體廢物

除煤焦油外，煤氣站產生的其他固體廢物主要有煤氣發生爐灰渣、各類煤氣水封沉積物和含酚廢水池污泥。煤炭氣化后從煤氣發生爐排出的灰渣量與煤炭灰分和煤炭氣化程度有關。煤氣凈化和降溫等裝置的煤氣水封水沉積物主要是煤泥和粉煤灰的混合物，其次還有少量煤焦油，其中，旋風除塵器水封中主要是輕質焦粉，產生量每爐、每班約30～40kg，其他水封沉積物中煤泥占比稍多。此外，酚水池沉淀物含有煤焦油、煤粉和酚類物質等，屬于危險廢物。

2.2.5 小結

根據現場調研[4]，含酚廢水、煤焦油等產量范圍見表2，以及采用發生爐煤氣的窯爐煙氣中SO2和NOx初始排放濃度常見范圍。

3 主要環境問題和污染防治技術

3.1存在的主要環境問題

根據2019年對19家采用發生爐煤氣的陶瓷企業的現場調研，陶瓷企業目前主要存在四大類12小類環境問題（見表3）[4]。

（1）煤氣發生爐煤焦油的利用

困擾陶瓷廠發生爐煤氣站環境治理的突出問題是煤焦油的利用，目前國家和地方尚未有廠內利用規程出臺，造成各地管控尺度不一，有的地區一律按照危廢對待，本廠不得利用，而有的地區則允許陶瓷廠內作為燃料使用。生態環境部發布的《國家危險廢物名錄（修訂稿）》（征求意見稿）中并未涉及豁免作為燃料使用的煤焦油。

（2）含酚廢水處置

陶瓷企業處置含酚廢水的主要途徑是配置水煤漿，水煤漿作為熱風爐燃料燃燒過程中，在溫度超過1100℃條件下焚毀去除含酚廢水中的有害成分。在冬季、秋冬季和冬春過渡季季節，企業還采用以下方式處置多余的含酚廢水，一是作為球磨機補充水或鏈排爐煤粉潤濕水，后續工藝中水分被蒸發排空，二是利用煤氣發生爐下段煤氣余熱（溫度450～500℃）將酚水蒸發、汽化后通過煙囪高空排放。將含酚廢水加熱后蒸發排放的方法，不能有效分解含酚廢水中的有害有機物物質。此外，停產后的水封水變廢水，該廢水含酚等有機物，普遍沒有處置，主要靠自然蒸發得以消減。

（3）大氣污染物無組織排放

煤氣站大氣污染物無組織排放管控整體上存在不足，廠區普遍存在明顯的含酚廢水和焦油揮發的異味。此外，加煤、點火和停爐過程中造成的煤氣放散，從目前調研結果看，尚無可用治理措施。

（4）酚水池和水封沉積物

酚水池和水封水沉積物含有酚類等物質，存在環境風險。目前，水封水沉積物處于管理的灰色地帶，需進一步明確是否按照危廢進行管理。目前有的企業把煤氣水封沉淀物與煤氣發生爐灰渣混合堆放，按照一般固廢進行利用，存在環境風險。

3.2 污染物排放要求

目前發生爐煤氣站執行的國家大氣污染物排放標準主要包括《陶瓷工業污染排放標準》（GB 25464）、《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297）和《揮發性有機物無組織排放控制標準》（GB 37822）。因各地生態環境部門均要求建筑陶瓷廠生產廢水零排放，因而煤氣站環境管理不涉及廢水排放標準。

煤氣作為窯爐燃料燃燒后產生的煙氣經窯爐煙氣污染處理設施治理后排放，窯爐煙氣污染物排放應滿足《陶瓷工業污染排放標準》（GB 25464-2010及其修改單）的要求。陶瓷企業生產廢水總排放口和車間或生產設施廢水排放口水污染排放應滿足GB 25464。然而，GB 25464并未對陶瓷企業煤氣站污染排放做專門規定，廢水污染物種沒有涵蓋含酚廢水，廢氣污染物種類未涉及VOCs和煤氣放散，對除窯爐和噴霧干燥塔之外設施的顆粒物排放僅有廠界無組織排放要求。

煤氣站VOCs無組織排放應滿足《揮發性有機物無組織排放控制標準》（GB 37822-2019）要求，地方生態環境主管部門可根據當地環境管理需要，對廠區內VOCs無組織排放狀況進行監控，監測項目為非甲烷總烴（NMHC），在廠房外設置監控點，監控點處1h平均濃度值和任意一次濃度值的排放限值和特別排放限值均提出要求，詳見表4。GB 37822-2019還規定，企業邊界及周邊VOCs監控要求執行GB 16297《大氣污染物綜合排放標準》，GB 16297還規定了顆粒物排氣速率，該標準目前有效版本是1996年，正在修訂中。調研顯示，未有企業提供VOCs監測數據。

煤氣站產生的煤焦油等危險固體廢物和煤灰煤渣等一般固體廢物管理應滿足國家關于危廢或一般固廢相關要求。在危險固體廢物方面，各地生態環境部門均把煤氣站的煤焦油、含酚廢水底泥列為危險廢物，而對煤氣水封泥渣是否應納入危廢固體管理則存在很大差異。

3.3 大氣污染物無組織排放防治技術

3.3.1 VOCs防治技術

焦油池、酚水池內加裝抽氣裝置是煤氣站最有效的VOCs治理技術，通過形成負壓，并將含VOCs的氣體引入到熱風爐或煤氣站內助燃鼓風進行燃燒處理（或其它燃燒設備），可有效降低VOCs排放，工藝流程見圖2，現場圖見圖3。

在實踐中，有企業嘗試把煤焦油池VOCs導入到煤氣發生爐做助燃風，但因發生過小閃爆事故，出于保障安全目的，這種方式已經很少采用。

3.3.2 粉塵防治技術

在產塵點設置除塵器、在儲煤場設置半封閉圍擋和采用噴霧降塵均是常見的粉塵治理方式。煤氣發生爐采用濕式排渣，及時清渣和灰渣不落地操作，可有效降低煤渣粉塵無組織排放。另外，在玻璃行業煤氣發生爐調研中發現，有玻璃企業把煤氣發生爐下部空間封閉，可有效地減少因風吹造成的揚塵[12]。

3.3.3 煤氣放散防治技術

煤氣站正常生產過程中煤氣放散主要發生在加煤機加煤和主管道吹掃操作過程中，各類環節容器的密封口不嚴會導致煤氣放散產生。大部分的企業主要通過以下幾種方式和措施減少煤氣放散的情況。一是選用倒鐘罩式等密閉性好的加煤機，淘汰滾筒式等敞開型加煤機，減少煤灰和煤氣逸出。二是精細化管理，在生產中對設備進行規律性的檢查和維護，加強設備運行監測，以便及時發現設備的密封性或性能問題，并及時對密封性變差的零部件進行維護和維修。

3.4 含酚水防治技術

雨污分流是減少含酚廢水總量的有效方式，在煤氣站搭建雨棚甚至把煤氣站封閉在通風良好的車間中的做法，在河北省和山東省等地多家玻璃廠使用[12]，效果良好。在匯集器、主管道、酚水池、焦油池和相關渠道進行密封，對煤氣凈化站場設置雨棚，將雨水影響降到最低水平，從而減少所需要處理的酚水量。

試驗室試驗表明[13]，采用內電解—水解酸化—好氧生化—固定化光合細菌生物濾塔工藝，處理煤氣發生爐中的含酚廢水能夠取得較好效果，出水水質指標達到《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）中的一級排放標準。淄博市于2006年投資1240萬元引進國外生物菌種和工藝流程， 建成日處理能力為550立方米/日的含酚廢水處理廠[10]，擬對建陶廠的含酚廢水進行集中處理，主要因工藝復雜、運行成本高等原因無法發揮作用，未在行業內得到推廣。

焚燒方式是陶瓷廠普遍采用的含酚廢水處置技術。為有效焚毀去除酚水中的有害有機物，GB50195-2013針對含酚廢水的治理，要求焚燒溫度在1100℃以上。建筑陶瓷企業酚水治理技術主要是制水煤漿，水煤漿在噴霧干燥器熱風爐中燃燒，熱風爐最高溫度一般控制在1100℃以上，從而焚毀含酚廢水中的有機物，實現無害化。

此外，作為煤氣發生爐汽化劑可有效處置含酚廢水[10]。利用濃縮蒸發-爐內焚燒法[14]，將酚水采取有效手段進行處理后，泵入相應的蒸發節點生成酚水蒸汽，與軟化水蒸汽一起作為氣化劑通入煤氣發生爐內，在爐內高溫氧化層對酚類物質進行焚燒處置，可以有效處置含酚廢水。實踐證明，以發生爐水夾套作為蒸發節點，可以完全處置煤氣站產生的含酚廢水，可作為含酚廢水處置的首選技術[15]。

3.5 煤焦油的防治技術

陶瓷廠煤氣發生爐焦油產量大，尤其在廣東佛山等主要建筑陶瓷產區，有煤焦油處置資質單位的處置能力遠不能滿足當地陶瓷企業的需要。因此對煤氣發生爐焦油渣的處理需要尋找其他有效的回收利用或者是環保處理辦法，以求環保和收益并存[16]。陶瓷企業探索出內熱風爐內焚燒技術、煤焦油渣篩分和利用等技術。

（1）陶瓷廠內熱風爐 ?焚燒技術

本技術的工藝流程是：貯存于焦油池的焦油經過沉淀過濾，水分達標（12%～15%）后，抽至煤氣站焦油罐中加熱，原料車間焦油泵開啟后，采用齒輪泵將焦油經輸送管道泵至原料車間儲油罐，再由特制的噴槍噴入噴霧干燥塔的熱風爐，點明火進行燃燒，從而實現煤焦油的熱值利用。原料車間停焦油泵后，用含酚廢水沖洗干凈焦油輸送管道，最后關閉焦油泵進出口閥門。工藝流程參見圖2。從電捕輕、電捕焦工序到焦油池、輸送管道都應有伴熱，以降低煤焦油粘度，提高煤焦油的可輸送性，防凝結堵塞管道，減少管道清理負擔。

煤焦油在廠內循環利用，既起到了節約水煤漿、減少能源消耗的作用，又能減少社會處理煤焦油的壓力，噴霧干燥塔的煙氣經處理后能滿足GB25464要求。本技術適用于周邊缺少煤焦油專業處置機構的產區，得到佛山市生態環境局認可[17]。

（2）煤焦油渣的篩分利用技術

本技術的工藝流程是：煤焦油先經油水分離器進行靜態加熱處理，將水份排出回收用于制作水煤漿;對煤焦油進行過篩處理，合格煤焦油供陶瓷釉料熔塊廠做燃料使用。過篩后焦油渣投入到煤氣發生爐中間煤倉，進入煤氣發生爐后經干燥干餾層自上而下移動，隨著爐內溫度逐步升高，其中焦油由液態轉化為氣態，隨煤氣上行并轉化為霧態，隨上段煤氣排出，經電捕焦油器回收。焦油二次焦化后剩余的殘渣混同煤塊經氣化段1000～1200℃燃燒，實現對煤焦油渣的回收無害化處理。該系統采用自動化程序控制，可對廢油渣進行定時定量對每臺發生爐精準投加。另外，焦油渣車間油水分離器產生的VOCs廢氣被抽到煤氣發生爐爐底，與氣化劑一起送入爐內氧化層進行焚燒處置。

3.6 其他固體廢物防治技術

煤氣發生爐灰渣作為一般固體廢物可用于制磚、鋪路等常規應用，各類煤氣水封沉積物和含酚廢水池污泥在陶瓷廠一般用于制作水煤漿，用作噴霧干燥塔熱風爐燃料。

3.7小結

根據調研情況看，各地都在探索煤氣發生爐污染防治措施，陶瓷廠煤氣發生爐七類22項污染防治措施匯總見表5。

4 結論與思考

建筑陶瓷廠煤氣生產過程產生的煤焦油、VOCs和含酚廢水等環境污染物對生態環境及社會產生了諸多影響。實踐表明，建筑陶瓷廠配備的煤氣站環境污染可防、可控。然而，目前為止，我國還缺乏針對陶瓷等工業煤氣站生產過程污染防治技術指南，造成各地執法尺度不一，企業莫衷一是。建議生態環境部門對涉及VOCs、含酚廢水和煤焦油防治技術進行技術評估，并提出合理、有效、成熟和可靠的系統性和完整性的防治方案，盡快編制煤氣發生爐污染防治可行技術指南;同時，采用煤制氣的建筑陶瓷企業應加強自律，落實污染防治主體責任，切實提高污染防治能力，整體提高發生爐煤氣站污染防治水平，在減少污染排放的同時實現能源安全，滿足環境管理要求和實現產業的可持續發展。

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Gasifier Station Pollution Prevention and Control in Ceramic Tile Industry

XUE Zhi-yi1， LI Hong-mei1， WANG Xin-chun2， TAN Yu-fei3， YUAN Wei-jun

（1.Capital University of Economic and Business， School of Engineering Management， Beijing100071， China;

2.Institute of Technical Information for Building Materials Industry， Beijing100024， China;

3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing100012， China）

4.Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co.， Ltd ?Tangshan 063000，Hebei. ）

Abstract： Coal gasifier technology has been played an important role of energy security and industrial development for China， whose energy resource structure is typically rich in coalbut poor in oil & gas. However， pollution from gasifier station in such sectors as the electrolytic aluminum， iron & steel and ceramic tile who are mostly dependent on coal gasifier gas， has been drawn concerns from environmental authorities and residents nearby. The research focuses on the ceramic tile sector gasifier station pollution prevention and control. Based on the data collected from filed survey and literature study， pollutants source and types are analyzed， the feasible technologies and measures are screened out， policy suggestions on pollution prevention technology and environmental management measures are also proposed.

Keywords： Gasifier station; Ceramic tile; Pollution prevention and control; Coaltar;VOCs;Phenolic wastewater

作者簡介：薛知宜，女，1998生，本科，從事大氣污染控制技術研究

通訊作者：王新春，碩士，教授級高級工程師，mailsoft@sohu.com

基金支持：2019年北京高等學校高水平人才交叉培養“實培計劃”項目（京教函〔2019〕485號）