GE 水煤漿加壓氣化制合成氨工藝污染源分析探討

林偉

（福建省金皇環保科技有限公司，福建 福州350000）

氨主要用于生產硝酸、尿素和其他化學肥料，可用作有機化工產品的氨化原料，還可用作冷凍劑。近些年，煤化工在全球范圍內得到了迅速發展，通過煤氣化制合成氨產品得到極大發展，但對環境的污染問題也同樣得到關注。

目前世界范圍內已經工業化的煤氣化技術有十幾種，根據氣化爐的操作狀態不同，按照流體力學狀態分類，通常工業上將氣化爐歸為三類，即固定床、流化床、氣流床三種類型，其中氣流床加壓氣化是目前使用最廣泛的氣化技術，又可分為水煤漿加壓氣化技術和粉煤加壓氣化技術。研究表明，氣流床煤氣化技術水平較高，具有較優的煤氣化指標，且符合國家節能減排戰略，是目前煤氣化技術發展的主要方向[1]。水煤漿加壓氣化技術國際上以德士古（GE）氣化工藝為典型代表，因此本次以該工藝為主要路線分析污染源，提出有效的污染防治措施供相關單位參考。

1 生產工藝分析及技術選擇

以福州某煤氣化項目為例，該項目產品主要為液氨，同時生產部分氫氣及一氧化碳氣體產品。利用煤為原料，原料煤經氣化后，部分粗煤氣經變換、凈化后，采用低壓合成技術生產液氨產品，同時部分凈化氣經PSA 生產少量氫氣產品；另一部分粗煤氣經凈化后，采用深冷分離技術生產少量一氧化碳產品。項目內容包括：空分單元、煤氣化單元、變換單元、低溫甲醇洗單元、液氮洗單元、氨合成單元、PSA 制氫單元、CO 深冷分離單元、硫回收單元及相應的公用工程和輔助裝置。各主要工藝設備及參數選擇如下：

1.1 空分裝置，選用新型全低壓系列，分子篩凈化節能工藝，規模為75,000Nm3/h（O2）。

1.2 煤氣化采用6.5MPa 的水煤漿加壓氣化工藝技術，設置三臺單噴嘴水煤漿氣化爐（直徑3200mm），兩開一備。并預留一臺氣化爐位置。

1.3 變換采用中變串低變耐硫變換流程。

1.4 脫硫脫碳采用低溫甲醇洗脫除H2S 和部分CO2。

1.5 氣體精制采用液氮洗工藝。

圖1 GE 水煤漿加壓氣化制合成氨工藝產污節點圖

1.6 氨合成采用低壓氨合成工藝。

1.7 氫氣提純采用PSA 制氫工藝，氫氣的純度不低于99.9%。

1.8 一氧化碳提純采用深冷分離工藝，一氧化碳純度不低于98.0%。

1.9 硫回收采用先進的濕法制硫酸技術，副產濃硫酸同時尾氣達標排放。

2 產污環節及污染源分析

本次結合該煤氣化項目（合成氨產能30 萬噸/年），重點分析廢氣、廢水及固廢污染源，各污染源產生情況見表1，產污節點見圖1。

3 污染防治措施分析

3.1 廢氣治理措施

3.1.1 氣化工段廢氣治理措施

廢氣G1 和G2：原煤破碎、篩分、煤倉粉塵經集氣收集由布袋除塵后高空排放。布袋式除塵器是使含塵氣流通過袋狀濾料將粉塵分離捕集的裝置，在各行業的除塵凈化中得到廣泛應用。其主要特點為：對細粉塵的除塵效率高，處理含微米或亞微米數量級的粉塵粒子的氣體效率可達99.99%，可用在凈化要求高的場合；適應性強，可捕集各類性質的粉塵，且不因粉塵比電阻等性質而影響除塵效率；可制成直接設于室內產塵設備旁的小型機組，也可制成大型的除塵器室；便于回收物料，沒有污泥

處理，廢水污染以及腐蝕等問題，維護簡單；較低的爆炸危險。該技術處理方法技術成熟，運用廣泛。

表1 GE 水煤漿加壓氣化制合成氨工藝污染物排放一覽表

續表1 GE 水煤漿加壓氣化制合成氨工藝污染物排放一覽表

廢氣G3：酸性氣分離罐閃蒸氣中主要成分為N2、CO2、H2O，還含有少量的CO、H2S、H2、氨等污染物，連續排放，正常時送硫回收制酸裝置，事故時送火炬燃燒排放。

3.1.2 變換工段廢氣治理

廢氣G4：變換工段冷凝液汽提塔不凝氣，送至硫回收尾氣處理工段，處理后尾氣中SO2含量<100mg/Nm3，經60m 高煙囪排入大氣。

3.1.3 低溫甲醇洗工段廢氣治理

廢氣G5：低溫甲醇洗單元尾氣主要含CO2、N2，甲醇以及微量H2S 等，采用甲醇逆流洗滌+水洗滌后排放至大氣，根據同類項目類比分析，通過加大甲醇洗的噴淋量、水洗塔的噴淋水量，增強吸收效果，可確保凈化尾氣H2S 排放濃度為小于5mg/m3，甲醇濃度小于50mg/m3，通過100m 排氣筒高空排放，達到《石油化學工業污染物排放標準》（GB 31571-2015）中表5 的特別排放限值和《惡臭污染物排放標準》（GB14554-93）中的標準限值。

3.1.4 PSA 工段廢氣治理

廢氣G6：本單元廢氣污染源主要為PSA 解吸氣，主要含H2、CO、CH4等，連續排放，廢氣中CO 和H2含量較高，送變換單元回收利用。

3.1.5 液氮洗工段廢氣治理

廢氣G7：本單元廢氣污染源主要為液氮洗尾氣，主要含少量H2、CO、CH4，以及氮氣、Ar 等，連續排放，廢氣中CO 和H2含量較高，該廢氣送變換單元回收利用。

3.1.6 氨合成工段廢氣治理

廢氣G8：本單元廢氣污染源主要為液氨閃蒸氣，主要組成為NH3：35.81v%，H2：39.78 v%，AR：0.56 v%，N2：23.85 v%，送氨水裝置處理。氨水裝置采用水作為吸收劑，而氨氣極容易溶于水，不僅技術成熟、工藝可靠、經濟上合理，而且屬于化工清潔生產技術，目前廣泛應用于含氨尾氣處理。

3.1.7 CO 深冷分離工段廢氣治理

廢氣G9：本單元廢氣污染源主要為冷箱閃蒸氣，主要組成為CO：31.63v%，H2：65.78v%，CH4：0.88 v%，AR：1.5 v%，N2：0.2v%，廢氣中CO 和H2含量較高，送變換單元回收利用。

3.1.8 硫回收工段廢氣治理

廢氣G10：本裝置的主要任務是從含硫化氫的酸性氣體中回收元素硫，減少工程含硫污染物的排放，從而滿足國家的環保要求。本工程硫回收裝置采用WSA 制硫酸工藝，排放的污染物為SO2、H2SO4霧等，硫的回收率可達99.9%以上。WSA 工藝由三部分組成：原料氣的催化焚燒或熱焚燒、SO2氧化成SO3，H2O與SO3在濕式成酸塔中吸收并濃縮成產品酸。該工藝可以直接生產商品級濃硫酸（濃度98%），價值高，可以自用；同時產生大量的過熱蒸汽，可以直接并入工廠蒸汽管網，經濟效益十分顯著。目前，煤化工裝置采用托普索WSA 濕法制硫酸工藝技術的有新疆廣匯能源有限公司、內蒙古東華能源有限公司、兗礦新疆煤化工有限公司、貴州天福化工有限責任公司、中鹽安徽紅四方股份有限公司等。為了進一步降低酸性氣WSA 濕法制酸尾氣中的污染物排放，對WSA 濕法制酸尾氣采用成熟的雙氧水（H2O2）深度氧化的處理措施，通過雙氧水對尾氣中殘余的SO2深度氧化，可直接得到SO3，并冷凝得到硫酸，并入硫酸產品中，處理后的尾氣中SO2可以≤35mg/Nm3，該處理辦法并不顯著增加投資，也不顯著增加運行費用，且具有工業運行實例，污染物排放能夠滿足《石油煉制工業污染物排放標準》（GB31570-2015）表4 大氣污染物特別排放限值的要求。

3.1.9 火炬處理系統

為保證在任何情況下含有H2、H2S、CH4、NH3等有毒、易燃氣體均不直接排放，設置火炬處理系統。事故及非正常排放廢氣經火炬燃燒后，廢氣中的CO、H2等可燃組分可被氧化成為H2O和CO2。為防止火炬因氣量太小或遇強風熄滅，需設置自動監控系統、自動點火裝置。

3.1.10 貯煤、備煤系統粉塵控制

該過程主要是煤粉塵對周邊環境的影響，可采取以下措施進行治理：a.原煤通過專用的全封閉輸煤廊道送至全封閉煤庫，同時采用噴水霧等措施。b.原煤破碎、篩分、煤倉粉塵經集氣收集由布袋除塵后高空排放。c.轉運站、棧橋、碎煤機室、煤倉間等地易產生煤粉沉集，建議采用水力清掃，沖洗水排入煤水處理池經沉淀澄清后循環利用。

3.2 廢水治理措施

3.2.1 裝置內廢水預處理

氣化灰水處理：氣化工段設置渣水處理系統，對氣化產生的灰水進行預處理，從氣化爐激冷室和合成氣洗滌塔底部來的灰水在減壓后送入高壓閃蒸罐，然后進入低壓閃蒸罐和真空閃蒸罐進一步閃蒸。真空閃蒸罐底部的液體和固體混合物自流進入沉降槽，在沉降槽中加入絮凝劑來促進灰渣的沉降。大部分灰水循環送回到工藝過程中，一部分灰水排到廢水處理裝置，用來控制灰水系統中溶解的固體的累積。

3.2.2 污水處理站

工程的排水包括工藝生產廢水、沖洗廢水、生活污水、公輔設施廢水和初期雨水等，統一收集至污水處理站處理。污水處理工藝流程技術簡述：SBR 生化處理系統又稱序批式活性污泥法，SBR 工藝通過好氧、低氧、厭氧各階段交替反應過程，形成降解有機物的異養型菌群、反硝化菌群及進行硝化反應的自養型硝化菌群等多種菌體共存的微生物體系，在不同階段，通過外部條件的控制使其交替處于好氧和缺氧的環境條件中適時補充碳源- 甲醇，在有機物濃度高與低的條件下，分別發生不同的生物化學作用，某些菌種成為相對主導菌種，在交替變化過程中，完成除碳、硝化、反硝化過程，達到去除其相關的有害物質，使污水得以凈化。SBR 池出水可以達到《合成氨工業水污染物排放標準》（GB13458-2013）中表2 的間接排放標準，SBR 池出水排入園區污水處理廠進一步處理。

3.3 固廢治理措施

項目產生的固體廢物主要包括廢催化劑類、煤氣化渣、污水處理污泥、生活垃圾等。按照“減量化、資源化、無害化”原則，對固體廢物進行分類收集、處理和處置。固體廢物經上述處理措施處理后可全部得到妥善處理。

4 優化建議

4.1 現在隨著環保壓力的增大及人們對環境保護的重視，因此許多科研工作者也在探究合成氨生產裝置污水實現零排放，如嵇朋飛和郝廣德[2]提出的合成氨生產裝置濃鹽水零排放工藝路線為：軟化預處理+ 高效反滲透（HERO）+納濾分鹽+MVR蒸發結晶或低溫多效蒸發結晶。但該污水治理措施投資大、運行成本高，因此一方面應繼續加大污水處理技術研發，降低投資和運行費用，另一方面，提高企業節約用水意識，尋（轉下頁）求節水新技術，開辟節水新路徑，確保合成氨生產裝置污水零排放系統效益最佳。

4.2 重視清潔生產工作，清潔生產與末端治理的結合是合成氨行業水污染防治的關鍵[3]。企業對環保工作逐漸重視，轉變思想觀念，不斷重視和推進清潔生產工作，從源頭和生產過程控制污染物產生和排放，降低企業成本，做到“節能、降耗、減污、增效”。

4.3 對于地下水污染防治，各污染區防滲按照《石油化工工程防滲技術規范》(GB/T 50934-2013)的相關要求設計，將廠區劃分為重點污染防治區和一般污染防治區。同時各污水管網宜采用架管敷設，便于可視化管理。

5 結論

各污染源采用針對的污染防治措施，在廢氣方面，針對顆粒物采用布袋除塵工藝，硫化氫等酸性氣體送硫回收裝置制硫酸，含CO 和氫氣尾氣送變換單元回收利用，含氨尾氣送氨水裝置回收，對WSA 濕法制酸尾氣采用成熟的雙氧水（H2O2）深度氧化的處理措施，從而大大減少廢氣污染物的排放；在廢水方面，采用SBR 生化處理工藝，可滿足《合成氨工業水污染物排放標準》（GB13458-2013）中表2 的間接排放標準要求；在固廢方面，按照“減量化、資源化、無害化”原則，對固體廢物進行分類收集、處理和處置。GE 水煤漿加壓氣化制合成氨工藝各單元采用的工藝為目前主流的生產工藝，資源利用率高，各污染物在采取上述措施的情況下可滿足當前環保政策的要求。