煤氣化過程中控制污染物產生的技術措施

朱志全

(陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719302)

0 引言

國家和地方環保法規的嚴格執行，使得企業必須采取各種措施來滿足排放標準，催生技術創新和改進。煤氣化行業的法規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，還對廢水和固體廢物的處理和處置進行規定。因此，煤氣化企業在選擇污染物控制技術時，需要考慮其技術的成熟度、效率和經濟性，以滿足法規的要求。一方面，高效的控制技術可以幫助企業減少污染物排放，避免法規處罰，從而實現經濟和環保的雙重利益。另一方面，采用先進的控制技術也可以改善企業的環保形象，增強其社會責任感和競爭力。

1 煤氣化原理與產生污染物類別

1.1 煤氣化產物

煤氣化是一種將固態燃料轉化為氣態燃料的過程，被廣泛應用于能源生產和化工行業，以煤炭為原料，利用高溫和適當的氧化劑環境，將煤炭中的有機物質轉化為氣態的混合物，這種混合物稱為合成氣或煤氣。這種轉化過程在一定條件下進行，通常需要高溫和高壓的環境。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生反應，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，煤氣化過程中還會生成一些固體和液體的副產品，如焦炭、焦油、酚、苯、硫等，這些副產品的產生和性質與煤炭的種類、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。煤氣化技術不僅能高效地利用煤炭資源，生成清潔、高效的氣態燃料，同時還可以有效地控制和減少污染物的排放，提高環境質量。然而，煤氣化過程中的污染物控制仍然面臨許多挑戰，如何有效地減少固體和液體副產品的產生，如何有效地處理和利用這些副產品，如何進一步提高氣化效率和降低氣化成本等，都亟待進一步研究和解決。

1.2 煤氣化過程的化學反應原理

在煤氣化過程中，主要的化學反應可以分為兩類：一類是氧化反應，另一類是還原反應。氧化反應主要涉及碳與氧的反應，生成一氧化碳和二氧化碳；還原反應則主要涉及一氧化碳和水蒸氣的反應，生成氫和二氧化碳。實際上在煤氣化過程中，這兩類反應會同時進行，而且會相互影響，形成一個動態平衡。煤氣化過程中的化學反應也受到許多因素的影響，包括反應溫度、反應壓力、氧化劑的種類和量，以及煤炭的種類和處理過程[2]。其中，反應溫度和壓力是決定反應速率和產物組成的重要因素，通常需要通過精確控制以優化煤氣化過程；氧化劑的種類和量則直接決定了反應的類型和方向。例如，使用氧氣作為氧化劑可以提高反應的溫度和速率，而使用水蒸氣則可以增加產物中的氫含量。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，影響到反應的效率和產物的性質。

1.3 煤氣化過程中主要產生的污染物類型

煤氣化過程不僅會產生價值較高的燃料氣體，也會產生一些污染物，根據其物理狀態和化學性質，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組成，其中可能含有硫、砷、鎘等重金屬，如果不妥善處理，會對土壤和地下水造成嚴重污染。煤渣則主要來自煤氣化過程中的固體副產品，其成分和性質與煤炭的種類和煤氣化條件有關。液體污染物主要包括焦油和酚類物質，焦油是煤氣化過程中的一個重要副產品，主要由多環芳烴、酚類物質和其他有機化合物組成，焦油直接排放會對水體和土壤造成嚴重污染，酚類物質則主要來自煤氣化過程中的水洗過程，其對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、一氧化碳和揮發性有機化合物等，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，對建筑物、植物和水體造成嚴重傷害，進入呼吸道會對人體健康造成威脅，一氧化碳和揮發性有機化合物則是重要的溫室氣體，對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

2.1 物理法控制技術

物理法控制技術主要包括煙氣冷卻、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，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，一部分微塵和化學污染物會凝結或者吸附在冷卻設備的表面，從而實現其從煤氣中的去除。此外，冷卻過程還可以使煤氣在進一步的凈化和利用之前達到適宜的溫度，冷卻過程需要耗費能源，對煤氣的整體能效和環境效益有一定影響，因此，冷卻設備的設計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，電除塵器中有高電壓電極，可以產生強烈的電場，當煙氣通過電場時，微塵會被電場電離，產生帶電粒子，帶電粒子在電場的作用下會被吸附在電極表面，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來去除煙氣中微塵的技術，可以有效攔截微塵，使清潔的煤氣通過，達到除塵的目的。布袋除塵器的設計和材料選擇需要考慮煙氣的溫度、濕度和化學性質，以及微塵的粒徑和濃度等因素，以確保布袋除塵器的穩定運行和長壽命。

2.2 化學法控制技術

化學法控制技術包括氨法脫硫、干法脫硫以及濕法脫硫等技術。氨法脫硫是一種利用氨與硫化物反應生成硫酸銨的技術，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，還可以實現硫的資源化利用。干法脫硫通過吸附劑吸附硫化物實現脫硫，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。當吸附劑飽和后，可以通過再生過程恢復其吸附能力，實現吸附劑的循環使用。干法脫硫的優點是操作簡便，設備占地面積小。濕法脫硫通過溶液吸收硫化物來實現脫硫，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其吸收能力，實現吸收液的循環使用。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

在煤氣化過程中的污染物治理中，生物法控制技術呈現出其獨特的優勢和潛力。微生物處理技術是利用微生物的生物降解功能，將污染物轉化為無害或低毒性的物質。在煤氣化產生的污染物中，有些有機物質和重金屬可以被某些微生物利用作為營養源或能量源，通過其生物代謝過程實現轉化或去除，能夠有效地減少污染物，還能實現資源回收，如硫化物可通過硫桿菌轉化為硫元素。生物膜處理技術則是利用生物膜對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定性，生物膜中的微生物可以高效地降解有機物和轉化硫化物，實現污染物的去除，生物膜的形成和再生過程可以自我完成，減少了操作的復雜性。

2.4 綜合利用技術

在煤氣化過程中，為了更有效地控制和減少污染，采用綜合利用技術已經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周圍環境的影響，如防止煤矸石中的有害物質通過風化和洗滌作用進入土壤和水體，降低煤矸石對空氣質量的影響等；綠化則能進一步改善堆場的景觀，實現生態修復，有利于環境保護，改善社區環境，提升社區居民的生活質量；廢水回用技術則是一種有效的水資源管理方法，通過對煤氣化過程中產生的廢水進行處理和再利用，可以減少新水的需求，節約水資源，減少污水排放，通常包括預處理、主處理和后處理三個步驟。預處理主要是去除廢水中的大顆粒物質，主處理是去除廢水中的有機物、無機物和微生物，后處理是調整廢水的pH 值、消毒和深度凈化，以滿足再利用的要求[4]。

3 污染物控制技術的比較與評估

在煤氣化過程中，選擇適當的污染物控制技術需要考慮多種因素，包括污染物的種類、濃度和特性，以及技術的經濟效益、環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，溶解在煤氣中的有機物和重金屬離子若采用物理法的去除效果可能較差。此外，物理法的效果也會受到設備性能和操作條件的影響，如電除塵的效果會受到電場強度和粒子電荷的影響，布袋除塵的效果會受到布袋材料和設計的影響等。化學法的適用性主要受污染物的化學性質和濃度的影響，適用于處理可通過化學反應轉化為無害或低毒性物質的污染物，如硫化物和有機物。然而，化學法的運行需要精細控制，以保證反應的完全進行，避免副產物的生成，化學法也會產生一些需要處理的化學廢棄物，需要考慮廢棄物處理的技術和成本。生物法的適用性主要受污染物的生物降解性和環境條件的影響，適用于處理可通過生物降解轉化為無害或低毒性物質的有機物和重金屬離子，但生物法的運行需要適當的環境條件，如溫度、pH 值和營養物供應等，如果條件不適，可能導致微生物活性降低，處理效果下降。綜合利用技術的適用性主要受污染物的資源化潛力和技術的經濟性的影響，適用于處理可回收利用的污染物，如煤矸石和廢水，實施綜合利用技術需要考慮技術的可行性、經濟性和環保性，以及管理的復雜性和成本。

4 現代先進的污染物控制技術

4.1 納米技術在污染物控制中的應用

納米技術是近年來備受關注的一種新興技術，其在煤氣化過程中對污染物控制中的應用展現了顯著的潛力。通過納米技術，可以設計并合成出具有特定性能的催化劑，這些催化劑在化學方法中發揮著重要作用。例如改變納米催化劑的形狀、大小和表面特性，增強催化劑對特定污染物的選擇性和活性，提高化學反應的效率，減少副產物的生成，在硫化物和有機物的轉化過程中，納米催化劑的應用能夠實現更高效的污染物去除效果。除了催化劑的應用，納米材料也在污染物的吸附過程中發揮著重要的作用，納米材料通常具有高的表面積，可以提供大量的吸附位點，從而實現高效的污染物吸附，納米材料的表面性質和孔隙結構可以通過精細的設計和調控，以提高其對特定污染物的吸附選擇性和穩定性。在廢水處理方面，納米濾膜技術由于其特有的微觀結構，能實現高效的物質分離，對于廢水中的有機物、重金屬離子以及某些難以降解的污染物具有優良的去除能力。

4.2 高溫煤氣清潔化技術

高溫煤氣清潔化技術是對于煤氣化過程中產生的含有大量雜質的原生煤氣進行清潔處理的重要技術，旨在實現煤氣的高效利用和環境污染的最小化，有效減少污染物的排放，提高煤氣的熱效率，同時減少能源消耗。高溫煤氣清潔化技術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，從而實現煤氣的脫硫，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中的熱過濾器進行分離的，熱過濾器利用其特殊的過濾介質，在高溫下有效地將煤氣中的粉塵和重金屬粒子捕獲，從而實現對煤氣的深度凈化。高溫煤氣清潔化技術的應用不僅能夠有效地減少煤氣化過程中的環境污染，提高煤氣的質量和熱效率，而且還能夠通過雜質的回收利用，實現能源和資源的高效利用。然而，這項技術的開發和應用還面臨著一些挑戰，如技術成熟度、操作復雜性、經濟性和環保性等，需要進一步研究和優化，以推動其廣泛應用。

4.3 微波吸附技術

微波吸附技術通過微波能量的獨特作用，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的溫度，增加介質的活性，提升吸附的動力學效果，縮短達到吸附平衡的時間。此外，微波照射還能改變吸附介質的表面性質和孔隙結構，對于提高吸附介質的選擇性和穩定性至關重要。例如，通過微波處理，增加吸附介質的表面粗糙度，改善其孔隙分布，增強其對特定污染物的吸附能力。在煤氣化過程中產生的污染物控制中，微波吸附技術可以有效地去除煤氣中的硫化物、有機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現高效的硫化物吸附，而微波輔助的沸石吸附則可以實現高效的重金屬離子吸附。同時，通過選擇適當的微波參數，如功率、頻率和時間，可以實現對吸附過程的精細控制，優化吸附效果。然而微波設備的設計和操作復雜，需要精細控制以避免過熱或者熱不均的問題，吸附介質的再生和處理也是需要解決的問題，含有有害物質的吸附介質需要采取適當的處理措施，避免二次污染。

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用已經得到了廣泛的關注和研究，其特點和優勢主要體現在高效性、無二次污染以及可重復使用等方面，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生強氧化性的活性自由基，氧化分解有機污染物和部分無機污染物。以二氧化鈦為例，屬于典型的半導體材料，具有穩定的化學性質和良好的光催化活性。在紫外光的照射下，二氧化鈦的價帶電子會被激發到導帶，形成電子-空穴對，可以與水和氧反應生成羥基自由基和超氧化物自由基，具有強氧化性，能夠氧化難降解的有機化合物。此外，光催化材料的應用也有利于煤氣化廢水的深度凈化。廢水中的有機污染物和部分無機污染物經過光催化氧化后，可被轉化為水和二氧化碳等無害物質，實現了真正意義上的“零排放”，不僅提高了廢水處理的效率，也保護了水資源的安全。然而，光催化技術在實際應用中也面臨一些挑戰。比如，二氧化鈦和氧化鋅的光催化活性主要發揮在紫外光區，而紫外光只占太陽光的約5%，限制了光催化技術的應用范圍。因此，如何擴大光催化材料的光響應范圍，提高其在可見光區的活性，成為當前研究的重要方向。

5 煤氣化過程中的污染物控制政策與法規

環境保護已經成為全球性的議題，各國政府和國際組織正在通過制定和實施煤氣化過程污染物控制政策與法規，以期實現可持續發展的目標。例如，美國環保署依據《清潔空氣法》制定了一系列的污染物排放標準，對煤氣化等重點行業的有害物質排放進行了嚴格限制。歐盟也制定相應的政策，如《工業排放指令》明確規定了工業排放的最佳可行技術和排放限值，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》等相關法律法規，對煤氣化產業的污染物排放和污染防治技術設定了嚴格的要求，在實施過程中，政府不僅強調了企業的主體責任，還鼓勵和支持清潔生產和污染控制技術的研發和應用。此外，各國政府和國際組織還積極推動污染物排放權的交易制度，鼓勵企業通過購買和銷售排放權來達到減排目標，既可以提高污染控制的經濟效率，也有利于推動清潔技術的創新和應用。在國際層面，聯合國環境規劃署和世界衛生組織等機構也發布了多項關于污染物排放控制的公約和宣言，如《巴塞爾公約》對有害廢物的跨境轉移和處理設定了全球性的規則，為國際環保合作提供了法律框架。

6 結語

總的來說，各種污染物控制技術在煤氣化過程中都有其獨特的優點和適用條件，但也都面臨著各自的挑戰。新興技術如納米技術、高溫煤氣清潔化技術和微波吸附技術，雖然在處理煤氣化過程中產生的污染物方面具有顯著的潛力，但其廣泛應用還需要進一步的研究和優化。因此，對于科研人員來說，如何優化現有技術、發展新的污染物控制技術，以及如何在各種技術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、環境和經濟的多方面因素，以實現煤氣化的環保和經濟效益的最優化。