煤化工废气

当前，我国现代煤化工技术创新实现重大突破，示范工程取得显著成效，现代煤化工产业步入发展快车道，其对实现煤炭清洁利用目标、丰富化工原料来源、调整能源供应模式、保障国家能源安全等具有深远现实意义，但在现代煤化工各生产工艺环节中排放大量挥发性有机物(Volatile OrganicCompounds，简称VOCs)，对当前大气质量产生多重环境效应。

VOCs作为PM2.5和O3重要前体物和参与物，其不仅能与SO2、NOx等发生光化学反应形成光化学烟雾，也能与大气中的·OH 和O3等强氧化剂反应生成二次有机气溶胶，严重污染区域大气环境且危害人体健康，因此煤化工VOCs安全高效控制与减排亟待解决。针对煤化工VOCs污染控制难题，本文综述了现阶段煤化工VOCs排放现状、管控措施、控制技术及筛选与评价方法，并对其减排提出了建议。

一、煤化工产业发展背景

近年来，由于受到宏观政策引导和市场拉动作用，现代煤化工产业得到快速发展，大型装备制造能力显著提升，自主化率达到90%以上;

气化、液化、甲醇制烯烃/乙二醇等技术工艺整体达到世界领先水平;煤化工基地化、园区化初具规模，相继布局形成蒙东、蒙西、新疆准东、新疆伊犁、宁东、陕北、云贵等产业集群区，有效提高煤炭资源集中利用程度，主要煤化工基地及其产业布局见表1；

二、煤化工行业废气污染物分析

1、　煤制焦过程废气：焦化废气主要来源装煤、炼焦、生化回收等过程。装煤初期，煤料在高温条件下与空气接触，形成大量黑烟及烟尘、荒煤气含有害多环芳烃。炼焦时，废气来自化学转化过程中未完全炭化的细煤粉及其析出的挥发成分、焦油、飞灰和泄漏的粗煤气。另一方面来自出焦时灼热的焦炭与空气接触生成的CO、CO2、NOx等，主要污染物包括苯系物（如苯并芘）、酚、氰、硫氧化物以及炭氢化合物等。

2、　煤制气过程废气：煤制气废气来源主要是开车过程中气化炉的结渣、火层倾斜等非正常停车而造成的逸散，另外，还有炉内的排空气形成部分废气、固定床气化炉的卸压废气、粗煤气净化工序中的部分尾气、硫和酚类物质回收装置的尾气及酸性气体、氨回收吸收塔的排放气。这些废气的主要成分包括炭氧化物、硫氧化物、氨气、苯并芘、CO、CH4等，有些还夹杂了煤中的砷、镉、汞、铅等有害物质，对环境及人体健康有较大伤害。

3、　煤制油过程废气：煤的液化可分为直接液化和间接液化。煤直接液化时，经过氢反应，所有异质原子基本被脱除，无颗粒物，回收硫可以获得元素硫，氮大多转化为氨。煤间接液化时，催化合成过程中的排放物不多，未反应的尾气主是要CO可以在燃烧器中燃烧，排放的废气中CO2和硫很少，也没有颗粒物的形成。煤液化过程对环境造成的影响较小，主要污染物是液化残渣，这是一种高炭、高灰和高硫物质，在某些工艺中占到液化原料煤总量的40%左右，需要进一步处理。

4、　煤燃烧过程废气：煤燃烧过程中主要污染物有粉尘、烟雾、SO2、为主的硫化物、N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4等氮氧化物、Hg、Cd、Pb、Cr、As、Se、F等有害微量元素、CO2等。煤直接燃烧的能量利用率低，环境污染严重。

三、VOCs排放量估算及预测

VOCs相比SO2、NOx等常规大气污染物具有成分复杂、种类繁多、来源广泛、涉及众多行业领域等特点，且排放类型以无组织为主，排放量难以核算。由于此前未将VOCs纳入环境监测体系，相关统计数据缺失，根据估算，2010年和2014年我国VOCs理论排放量约为1363万t和1700万t，年均复合增长率达到5.68%，预计2020年我国VOCs排放量将达到2466万t，可见VOCs减排形势严峻，2010-2014年VOCs理论排放量及2020年预测排放量如图3所示；

3、煤化工VOCs排放现状

煤化工作为VOCs减排重点行业，涉及气化、液化、炼焦以及低温干馏等诸多化学工艺，典型现代煤化工生产工艺如图4所示。

气化过程中产生的VOCs主要是由于结渣、火层倾斜等原因导致气化炉非正常停车，造成炉内大量气体逸散，此外在气化炉的卸压废气、粗煤气净化工序中的尾气、硫酚类物质回收装置的酸性气体以及氨回收吸收塔的排放气中VOCs含量也比较高。液化根据化学工艺可分为直接液化和间接液化，相比气化过程其VOCs产生量较少，但在液化原油及液化残渣中易挥发泄露VOCs。炼焦及低温干馏产生的VOCs一部分来自化学转化过程中未完全炭化的细煤粉及其析出的挥发组分、焦油、飞灰和泄漏的粗煤气，另一部分来自出焦时灼热的焦炭与空气接触生成的气态污染物，主要成分是苯系物、酚、氰、硫氧化物以及碳氢化合物等。

煤化工企业产生的有机废气主要来自于低温甲醇洗装置排放的二氧化碳尾气，这些尾气甲烷浓度较高，燃烧热值高，非甲烷总烃质量流率大；有机物成分含：氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、硫化氢、甲硫醇、羟基硫、硫化碳如果直接排放，不仅对环境产生污染，更是对能源的浪费；一般情况下VOC浓度达到3% –4% LEL时，RTO氧化炉运行基本无需补入天然气；因此低温甲醇洗有机废气通过RTO处理后，可将RTO燃烧室高温烟气进行余热回收，一般使用余热蒸汽锅炉。

低温甲醇洗装置排放废气惰性气体体积比含量大，氧气含量低，有机物浓度高，为了满足RTO使用条件，根据有机物浓度使用空气比例稀释，同时利用空气中的氧气给有机物提供氧化剂，再由风机送入RTO蓄热室预热、氧化；通过阀门切换再经过另一床层蓄热室热量交换后，由于RTO自身热回收效率高达95%以上，当有机废气浓度高时，可通过RTO氧化室高温热旁通引出高温烟气（900多℃）导入余热锅炉（通常使用蒸汽锅炉），实现RTO自身的热量平衡，既能避免氧化室出现高温跳机，又能实现多余热量回收利用功能。RTO热能回收不仅解决了低温甲醇洗装置排放废气环境污染的问题，而且通过蒸汽回收给企业增加收益，减少了能源的消耗。

2018年4月9日，国内首个采用蓄热式热氧化（RTO）技术的煤化工VOCs治理项目开工，项目建成后每小时可处理废气量超70万立方米，可让煤化工的废气问题得到一定程度的解决，煤化工行业RTO设备的运行前景也得到较大的改善。