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        煤制甲醇工藝及三廢處理問題探討

        2023-08-20 05:58:44董贊勇
        當(dāng)代化工研究 2023年15期
        關(guān)鍵詞:吸收劑廢渣煤制

        *董贊勇

        (兗礦新疆煤化工有限公司 新疆 830011)

        引言

        煤是我國主要的能源資源之一,其資源儲(chǔ)量豐富、分布廣泛,被譽(yù)為“黑色石油”。煤制甲醇技術(shù)是一種將煤作為原料,經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng),制取甲醇的方法。相比于傳統(tǒng)的甲醇制備方法,煤制甲醇技術(shù)具有原料資源豐富、成本低廉、技術(shù)路線短等優(yōu)點(diǎn),受到越來越多的關(guān)注和研究。然而,煤制甲醇過程中會(huì)產(chǎn)生大量的三廢問題,包括廢水、廢氣、廢渣。這些三廢問題對(duì)環(huán)境和人類健康都會(huì)造成嚴(yán)重的影響。因此,如何有效地處理煤制甲醇過程中產(chǎn)生的三廢問題,成為了煤制甲醇技術(shù)研究的重要課題之一。

        1.煤制甲醇工藝流程和原理

        (1)煤氣化

        煤氣化是將煤轉(zhuǎn)化為一種含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷等氣體的混合氣體,即合成氣的過程。煤氣化通常采用水煤氣反應(yīng)或干熄氣反應(yīng)。水煤氣反應(yīng)是將煤與水蒸氣在高溫高壓下反應(yīng),生成一氧化碳和氫氣,反應(yīng)式為:

        (2)合成氣凈化

        合成氣凈化是將從煤氣化中得到的合成氣進(jìn)行凈化處理,去除其中的雜質(zhì)和有害物質(zhì),以滿足后續(xù)甲醇合成反應(yīng)的要求。合成氣凈化主要包括除塵、除硫、除氯、除氮、除二氧化碳等過程。

        (3)甲醇合成

        甲醇合成是將經(jīng)過凈化的合成氣在催化劑的作用下,進(jìn)行甲醇的合成反應(yīng),反應(yīng)式為:

        甲醇合成反應(yīng)通常采用低溫高壓的條件,反應(yīng)溫度一般在200℃以下,反應(yīng)壓力在10~100MPa之間。

        (4)甲醇精制

        甲醇合成后得到的產(chǎn)物中含有大量的雜質(zhì),需要進(jìn)行精制處理,以提高甲醇的純度和質(zhì)量。甲醇精制主要包括蒸餾、吸附、脫水、脫醛等過程。

        以上是煤制甲醇的主要工藝流程,其原理是利用煤作為原料,經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成合成氣,然后將合成氣進(jìn)行凈化處理,最后在催化劑的作用下進(jìn)行甲醇的合成反應(yīng)[1],最終得到高純度的甲醇產(chǎn)品。

        2.煤制甲醇過程中的三廢問題

        (1)廢水

        煤制甲醇過程中產(chǎn)生的廢水主要是來自甲醇精制過程中的廢水,其中含有甲醇、甲醛、苯、氨、氫氧化鈉等有機(jī)物和無機(jī)物。這些物質(zhì)對(duì)水體有毒性和污染性,直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

        (2)廢氣

        煤制甲醇過程中產(chǎn)生的廢氣主要是來自煤氣化和甲醇合成過程中的廢氣。其中煤氣化過程中產(chǎn)生的廢氣主要是一氧化碳、氫氣、二氧化碳、氮?dú)獾葰怏w,其中一氧化碳和氫氣對(duì)環(huán)境具有毒性和爆炸性[2]。甲醇合成過程中產(chǎn)生的廢氣主要是未反應(yīng)的合成氣和甲醇蒸汽,其中未反應(yīng)的合成氣中含有一氧化碳等有害氣體,甲醇蒸汽中含有甲醇和甲醛等有機(jī)物,這些物質(zhì)對(duì)環(huán)境和人體健康都具有一定的危害。

        (3)廢渣

        煤制甲醇過程中產(chǎn)生的廢渣主要是來自甲醇精制過程中的廢渣,包括脫水劑、吸附劑、煤灰、活性炭等。其中煤灰和活性炭含有一定的有機(jī)物和無機(jī)物,對(duì)土壤和水體有一定的污染性。

        3.煤制甲醇過程中的三廢處理措施

        (1)廢水處理

        ①生物處理技術(shù)

        生物處理是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的廢水處理技術(shù),它利用特定的微生物將廢水中的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì),從而達(dá)到凈化廢水的目的。生物處理技術(shù)在煤制甲醇廢水處理中的應(yīng)用主要包括好氧和厭氧處理兩種方式[3]。在好氧處理中,微生物通過氧化代謝將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水等無害物質(zhì),同時(shí)產(chǎn)生能量以維持微生物生長。好氧處理的優(yōu)點(diǎn)是處理效果穩(wěn)定、能耗低、投資成本低。但需要對(duì)處理廢水的溫度、pH值、氧氣含量等因素進(jìn)行嚴(yán)格控制。在厭氧處理中,微生物在缺氧的情況下將有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分解,產(chǎn)生甲烷等有機(jī)氣體。厭氧處理的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效地降低氧氣的消耗量,降低處理成本。但厭氧處理需要進(jìn)行一定的前處理,如篩選適合的微生物、控制溫度等。除了好氧和厭氧處理之外,生物膜反應(yīng)器也是一種常見的生物處理技術(shù),通過在支架或膜的表面固定微生物,降解廢水中的有機(jī)物質(zhì)和污染物質(zhì)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于處理效率高、能耗低、占地面積小。

        ②化學(xué)處理技術(shù)

        化學(xué)處理通常采用氧化、加氫還原等方法。氧化方法可以將有機(jī)物質(zhì)氧化成無害物質(zhì),如二氧化碳、水等,主要包括臭氧氧化、高級(jí)氧化、紫外線輻射等方法。廢水中的化學(xué)藥劑殘留可能對(duì)環(huán)境和人體健康造成不良影響,化學(xué)處理技術(shù)需要控制藥劑投加量和藥劑殘留量。對(duì)于煤制甲醇過程中產(chǎn)生的廢水,化學(xué)處理技術(shù)需要針對(duì)廢水中的污染物質(zhì)進(jìn)行選擇。例如,對(duì)于含有較高濃度的有機(jī)物質(zhì)的廢水,可以選擇臭氧氧化或高級(jí)氧化等方法;對(duì)于含有氨氮的廢水,則可以選擇硫酸鐵法或還原鐵法等加氫還原方法。

        ③膜分離技術(shù)

        膜分離技術(shù)是一種高效的廢水處理技術(shù),它利用半透膜將廢水中的物質(zhì)進(jìn)行分離和去除,從而達(dá)到凈化廢水的目的。膜分離技術(shù)在煤制甲醇過程中的廢水處理中得到了廣泛應(yīng)用。膜分離技術(shù)主要包括微濾、超濾、納濾和反滲透等方法。膜分離技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)廢水資源化,減少對(duì)環(huán)境的污染,具有良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。然而,膜分離技術(shù)也存在一些局限性。膜分離技術(shù)成本較高,需要進(jìn)行長時(shí)間的運(yùn)行和維護(hù),增加了投資成本。分離過程中會(huì)出現(xiàn)膜堵塞和膜破損等問題,需要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和更換。

        (2)廢氣處理技術(shù)

        ①吸收技術(shù)

        吸收技術(shù)是煤制甲醇過程中廢氣處理的一種重要方法。煤制甲醇過程中,產(chǎn)生的廢氣中含有一定濃度的有害物質(zhì),如二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物等。這些有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生不良影響,需要進(jìn)行有效的處理。吸收技術(shù)可以將廢氣中的有害物質(zhì)吸收到吸收劑中,達(dá)到凈化廢氣的目的。吸收技術(shù)主要包括濕法吸收和干法吸收兩種方式。濕法吸收是將廢氣通過噴淋或滴流的方式與吸收劑接觸,使有害物質(zhì)被吸收到液相中。濕法吸收的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)U氣中多種有害物質(zhì)進(jìn)行同時(shí)吸收,且吸收效率較高。但濕法吸收中產(chǎn)生的廢液需要進(jìn)行后續(xù)處理[4]。干法吸收則是將廢氣與固體吸收劑接觸,有害物質(zhì)在吸收劑表面吸附或化學(xué)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)廢氣的凈化。干法吸收的優(yōu)點(diǎn)是無需處理廢液,但吸收效率較低。針對(duì)煤制甲醇過程中產(chǎn)生的廢氣,吸收技術(shù)需要選擇適合的吸收劑。例如,對(duì)于廢氣中含有的二氧化硫,可以使用堿性吸收劑(如氫氧化鈉、碳酸鈉等)進(jìn)行吸收;對(duì)于氮氧化物,可以選擇硝酸吸收劑(如硝酸等)進(jìn)行吸收。同時(shí),在吸收技術(shù)中也需要控制吸收劑的投加量和吸收劑的再生過程,以提高吸收效率和減少成本。

        ②氧化技術(shù)

        氧化技術(shù)主要包括熱氧化、光氧化、等離子體氧化、臭氧氧化等。其中,臭氧氧化技術(shù)是一種常用的氧化技術(shù),可以將廢氣中的有害物質(zhì)氧化分解成無害物質(zhì)。臭氧氧化技術(shù)將臭氧與廢氣中的有害物質(zhì)反應(yīng),產(chǎn)生氧化物,使有害物質(zhì)得以分解和去除。該技術(shù)適用于廢氣中有機(jī)物濃度較高的情況。然而,氧化技術(shù)的應(yīng)用也存在一些局限性。針對(duì)煤制甲醇過程中的廢氣處理,氧化技術(shù)可以有效去除廢氣中的有害物質(zhì),但需要針對(duì)具體情況選擇適合的氧化技術(shù)。例如,對(duì)于含有VOCs的廢氣,可以選擇熱氧化或光氧化等技術(shù);對(duì)于含有SO2或NOx的廢氣,則可以選擇臭氧氧化或等離子體氧化等技術(shù)。此外,氧化技術(shù)中也需要對(duì)氧化劑的投加量和氧化劑的回收和再利用等問題進(jìn)行考慮,以提高處理效率和降低處理成本。

        ③催化還原技術(shù)

        催化還原技術(shù)相對(duì)于其他廢氣處理技術(shù),具有成本較低、效率較高等優(yōu)點(diǎn)。此外,催化劑的再生利用也可以降低成本。針對(duì)煤制甲醇過程中的廢氣處理,催化還原技術(shù)可以有效去除廢氣中的有害物質(zhì),特別是氮氧化物(NOx)的處理效果比較突出。煤制甲醇過程中,氮氧化物的排放量較高,需要進(jìn)行有效的處理以減少對(duì)環(huán)境和人體健康的影響[5]。選擇性催化還原技術(shù)是一種針對(duì)氮氧化物的有效處理方法。在這種技術(shù)中,將廢氣中的氮氧化物與氨水進(jìn)行接觸,通過選擇性催化劑將其催化還原成氮?dú)夂退?,達(dá)到凈化廢氣的目的。這種技術(shù)具有處理效率高、催化劑使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),但也存在一些問題,如催化劑選擇、氨氣的使用和產(chǎn)生的副產(chǎn)物等問題。除了選擇性催化還原技術(shù),非選擇性催化還原技術(shù)也可以用于煤制甲醇廢氣處理中,但需要根據(jù)廢氣中有害物質(zhì)的種類和濃度進(jìn)行選擇。在使用催化還原技術(shù)進(jìn)行廢氣處理時(shí),需要控制催化劑的使用量和使用壽命,以降低成本。同時(shí),催化劑的再生利用也可以降低處理成本。

        (3)廢渣處理

        ①固化技術(shù)

        固化技術(shù)是一種將廢渣通過物理或化學(xué)方式固化成塊狀或固體狀,以減少廢渣的體積和危害的廢棄物處理技術(shù)。固化技術(shù)的應(yīng)用可以有效減少廢渣對(duì)環(huán)境和人體健康的影響,同時(shí)也可以減少廢渣的體積和占用的儲(chǔ)存和運(yùn)輸空間。煤制甲醇過程中的廢渣在產(chǎn)生后需要進(jìn)行有效的處理,以降低其對(duì)環(huán)境和人體健康的危害。針對(duì)煤制甲醇過程中的廢渣處理,固化技術(shù)是一種有效的處理技術(shù),可以將廢渣固化成塊狀或固體狀,減少其體積和危害,易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。但需要根據(jù)具體情況選擇適合的固化技術(shù)和固化劑,并進(jìn)行儲(chǔ)存和處置。同時(shí),也需要注意固化技術(shù)的成本問題,以提高處理效率和降低成本。

        ②穩(wěn)定化技術(shù)

        穩(wěn)定化技術(shù)是將廢渣中的有害物質(zhì)穩(wěn)定化為無害物質(zhì)的廢棄物處理技術(shù)。該技術(shù)主要適用于含有有毒有害物質(zhì)的廢渣,如重金屬、放射性物質(zhì)等。在穩(wěn)定化技術(shù)中,通常采用化學(xué)或物理方法,將廢渣中的有害物質(zhì)與固化劑或吸附劑進(jìn)行反應(yīng)或吸附,使其轉(zhuǎn)化為化學(xué)上相對(duì)穩(wěn)定的物質(zhì),達(dá)到降低廢渣毒性和危害的效果。常見的穩(wěn)定化技術(shù)包括水泥固化、熱處理、浸漬法等。在煤制甲醇過程中,穩(wěn)定化技術(shù)可以有效處理產(chǎn)生的廢渣,如催化劑廢料、反應(yīng)器襯里、冷凝器廢渣等。這些廢渣中含有有毒有害物質(zhì),如重金屬等,需要進(jìn)行有效的處理以減少其對(duì)環(huán)境和人體健康的影響。

        4.結(jié)束語

        煤制甲醇工藝中的三廢處理是一個(gè)復(fù)雜而重要的問題。選擇合適的處理技術(shù)和方法,未來需要在煤制甲醇工藝中三廢處理的技術(shù)和方法上不斷進(jìn)行創(chuàng)新和探索,以實(shí)現(xiàn)煤制甲醇工藝的可持續(xù)發(fā)展。

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