1. Lo sviluppo dell'industria chimica del carbone in Cina
Il processo chimico del carbone è il processo industriale di conversione del carbone in prodotti gassosi, liquidi e solidi o prodotti semilavorati, e quindi di ulteriore lavorazione in prodotti chimici ed energetici. Inclusi coking, gassificazione del carbone, liquefazione del carbone, ecc.
La coking è il metodo più antico e ancora il più importante in vari processi chimici di lavorazione del carbone. Il suo scopo principale è quello di produrre coke metallurgico, producendo al contempo sottoprodotti come gas di carbone e idrocarburi aromatici come benzene, toluene, xilene, naftalene, ecc.
La gassificazione del carbone svolge anche un ruolo importante nell'industria chimica del carbone, utilizzata per la produzione di gas urbano e vari gas combustibili (ampiamente utilizzati in settori quali macchinari e materiali da costruzione). È una fonte di energia pulita che contribuisce al miglioramento degli standard di vita delle persone e alla protezione ambientale; è inoltre utilizzata nella produzione di gas di sintesi (come materia prima per la sintesi di ammoniaca, metanolo, ecc.) ed è una materia prima per la sintesi di vari prodotti quali combustibili liquidi.
La liquefazione diretta del carbone, nota anche come liquefazione del carbone mediante idrogenazione ad alta pressione, può produrre petrolio artificiale e prodotti chimici. In periodi di carenza di petrolio, i prodotti di liquefazione del carbone possono sostituire l'attuale petrolio naturale.
Le caratteristiche della dotazione energetica della Cina sono "mancanza di petrolio e gas, risorse di carbone relativamente abbondanti" e prezzi del carbone relativamente bassi. L'industria chimica del carbone in Cina sta affrontando un'enorme domanda di mercato e opportunità di sviluppo.
La nuova industria chimica del carbone svolgerà un ruolo importante nell'utilizzo sostenibile dell'energia in Cina e rappresenta un'importante direzione di sviluppo per i prossimi 20 anni. Ciò è di grande importanza per la Cina per ridurre l'inquinamento ambientale causato dalla combustione del carbone, ridurre la dipendenza dal petrolio importato e garantire la sicurezza energetica.
La nuova industria chimica del carbone produce principalmente energia pulita e prodotti che possono sostituire i prodotti petrolchimici, come gas naturale, gasolio, benzina, cherosene per aviazione, gas di petrolio liquefatto, materie prime di etilene, materie prime di polipropilene, combustibili alternativi (metanolo, etere dimetilico), ecc. Se combinata con tecnologie energetiche e chimiche, può formare un'industria emergente di integrazione chimica dell'energia del carbone.
Attualmente, nuovi progetti chimici del carbone in Cina si stanno sviluppando rapidamente e stanno fiorendo ovunque. Solo nello Xinjiang, ci sono 14 progetti di conversione del carbone in gas naturale in costruzione o pianificati. Secondo statistiche incomplete, la capacità di produzione in costruzione e pianificata di conversione del carbone in olefina in Cina ha raggiunto i 28 milioni di tonnellate, la conversione del carbone in petrolio ha raggiunto i 40 milioni di tonnellate, la conversione del carbone in gas naturale ha raggiunto i 150 miliardi di metri cubi e la conversione del carbone in glicole etilenico ha superato i 5 milioni di tonnellate. Dopo che tutti questi progetti saranno completati, la Cina diventerà il più grande produttore mondiale di nuova industria chimica del carbone.
2、 Il significato dello scarico zero delle acque reflue chimiche del carbone
2.1 Conservazione dell'acqua
La nuova industria chimica del carbone consuma un'enorme quantità di acqua. Per i progetti chimici del carbone su larga scala, il consumo di acqua per tonnellata di prodotto è di oltre dieci tonnellate e il consumo annuo di acqua è solitamente di decine di milioni di metri cubi. Il rapido sviluppo dell'industria chimica del carbone ha innescato uno squilibrio tra domanda e offerta di risorse idriche regionali. Le risorse di carbone della Cina sono concentrate principalmente nel nord e nel nord-ovest, dove le risorse idriche sono gravemente carenti. Attualmente, in queste aree sono emerse controversie sui diritti idrici. Se questa situazione continua a svilupparsi, influenzerà il normale sviluppo dell'industria e dell'agricoltura locali e porterà anche molti problemi sociali.
L'eliminazione totale dello scarico di acque reflue chimiche derivanti dall'estrazione del carbone e il loro massimo riutilizzo possono far risparmiare risorse idriche e alleviare la grave carenza di risorse idriche.
2.2 Proteggere l'ambiente ecologico ed evitare l'inquinamento delle acque e delle falde acquifere
Le aziende chimiche del carbone consumano una grande quantità di acqua e le acque reflue che scaricano provengono principalmente da processi come la cokeria del carbone, la purificazione del gas e il riciclaggio e la raffinazione di prodotti chimici. Questo tipo di acque reflue ha un volume elevato e una qualità dell'acqua complessa, contenente una grande quantità di inquinanti organici come fenoli, zolfo e ammoniaca, nonché inquinanti tossici come bifenile, piridina indolo e chinolina, che sono altamente tossici. Nelle aree con abbondanti risorse di carbone, come la regione di Yili nello Xinjiang, Ningxia, Mongolia Interna e altre basi chimiche del carbone, l'implementazione di emissioni zero può proteggere efficacemente l'ambiente ecologico ed evitare l'inquinamento delle acque e delle falde acquifere.
2.3 Significato delle emissioni zero
"Emissioni zero" si riferisce al trattamento delle acque reflue di produzione, dei liquami e delle acque reflue pulite generate durante l'industria chimica del carbone, tutte riutilizzate senza scaricare le acque reflue all'esterno, note come "emissioni zero". Per i progetti chimici del carbone attualmente in costruzione o pianificati nella regione nord-occidentale, le "emissioni zero" sono particolarmente importanti, il che non solo risolve alcuni problemi di risorse idriche, ma non causa nemmeno inquinamento e danni all'ambiente e all'ecologia locali.
3. Caratteristiche delle acque reflue della gassificazione del carbone
Fonte e caratteristiche delle acque reflue di gassificazione: durante la gassificazione del carbone, parte dell'azoto, dello zolfo, del cloro e dei metalli contenuti nel carbone vengono parzialmente convertiti in ammoniaca, cianuro e composti metallici durante la gassificazione; il monossido di carbonio reagisce con il vapore acqueo per produrre una piccola quantità di acido formico, che poi reagisce con l'ammoniaca per produrre acido formico ammoniaca. La maggior parte di queste sostanze nocive si dissolvono nell'acqua di lavaggio, nell'acqua di lavaggio del gas, nell'acqua separata dopo la separazione del vapore e nello scarico del serbatoio durante il processo di gassificazione, e alcune vengono scaricate durante la pulizia delle condutture delle apparecchiature.
Per la tecnologia di gassificazione del carbone, attualmente ci sono tre tipi principali: letto fisso, letto fluidizzato e letto fluidizzato; Per i tipi di forni, ci sono vari tipi come forni di gassificazione a intervalli a letto fisso, forni di fusione delle ceneri, forni Texaco e forni Ende. La qualità dell'acqua di drenaggio dei processi di gassificazione a letto fisso, letto fluidizzato e letto fluidizzato è mostrata nella seguente tabella:
4、 Tecnologia di trattamento delle acque reflue di gassificazione del carbone
4.1 Qualità dell'acqua delle acque reflue della gassificazione del carbone dopo il recupero dell'ammoniaca fenolica
Le acque reflue generate dai tre processi di gassificazione hanno un elevato contenuto di ammoniaca; Il contenuto di fenolo prodotto dal processo a letto fisso è elevato, mentre gli altri due sono relativamente bassi; Il processo a letto fisso ha un elevato contenuto di catrame, mentre gli altri due hanno un contenuto di catrame inferiore; I composti dell'acido formico prodotti nel processo del forno a flusso di gas sono relativamente elevati, mentre gli altri due processi non ne producono molto; Il cianuro viene prodotto in tutti e tre i processi; Il processo a letto fisso produce l'inquinante organico più elevato (COD) e causa l'inquinamento più grave, mentre gli altri due processi hanno un inquinamento minore.
Le acque reflue derivanti dai tre processi sopra menzionati non possono essere sottoposte direttamente a trattamento biochimico senza pretrattamento, soprattutto a causa dell'elevato contenuto di ammoniaca e di fenolo nel forno Lurgi.
Per le acque reflue provenienti dalla fornace Lurgi, è richiesto un dispositivo di recupero di fenolo-ammoniaca per il pretrattamento e il recupero; le acque reflue di gassificazione provenienti da processi a letto fluido e a letto fluido richiedono un pretrattamento di recupero dell'ammoniaca. La qualità dell'acqua di ciascuna acqua reflua dopo il pretrattamento è la seguente:
4.2 Processo di trattamento biochimico delle acque reflue di gassificazione del carbone (processo a letto fisso)
La concentrazione di CODcr delle acque reflue di gassificazione del processo a letto fisso è elevata, appartiene alle acque reflue organiche e contiene una grande quantità di azoto ammoniacale e fenolo. Ha una certa cromaticità e le seguenti caratteristiche:
(1) La concentrazione di materia organica nelle acque reflue è elevata, con un valore B/C di circa 0,33, ed è possibile utilizzare la tecnologia di trattamento biochimico.
(2) Le acque reflue contengono composti organici recalcitranti come monofenoli, polifenoli e altre sostanze contenenti anelli benzenici ed eterocicli, che hanno una certa tossicità biologica. Queste sostanze sono difficili da decomporre in ambienti aerobici e richiedono l'apertura dell'anello e la degradazione in ambienti anaerobici/facoltativi.
(3) La concentrazione di azoto ammoniacale nelle acque reflue è elevata, rendendone difficile il trattamento. Pertanto, è necessario utilizzare processi di trattamento con forti capacità di nitrificazione e denitrificazione. Tecnologia di trattamento delle acque reflue di gassificazione del carbone
(4) Le acque reflue contengono olio galleggiante, olio disperso, olio emulsionato e sostanze oleose disciolte, con i principali componenti dell'olio disciolto che sono composti aromatici come i fenoli. L'olio emulsionato deve essere rimosso tramite flottazione ad aria, mentre le sostanze fenoliche solubili devono essere rimosse tramite metodi biochimici e di adsorbimento.
(5) Poiché le acque reflue contengono sostanze inibitrici tossiche come fenoli, polifenoli e azoto ammoniacale, è necessario migliorare la capacità antitossica dei microrganismi attraverso l'addomesticamento e selezionare processi appropriati per aumentare la resistenza all'impatto del sistema.
(6) L'impatto dello scarico anomalo delle acque reflue, quando si verificano problemi nel processo di produzione, può portare allo scarico di elevate concentrazioni di inquinanti nelle acque reflue anomale, che non possono entrare direttamente nel sistema di trattamento biochimico e richiedono misure come la regolamentazione degli incidenti.
(7) Le acque reflue presentano un'elevata cromaticità e contengono alcune sostanze con gruppi di sviluppo del colore.
Pertanto, al fine di garantire la qualità dell'effluente dal trattamento delle acque reflue di processo, viene selezionato un processo di trattamento biochimico con l'obiettivo principale di rimuovere CODcr, BOD5, azoto ammoniacale, ecc. (considerando principalmente nitrificazione e denitrificazione) per le acque reflue di processo, viene selezionato un processo di pretrattamento con lo scopo principale di rimuovere l'olio e decolorare e viene selezionato un processo di miglioramento post-trattamento con l'obiettivo principale di trattamento fisico-chimico. Il processo adottato è il seguente:
4.3 Processo di trattamento biochimico per le acque reflue di gassificazione (letto fluido e letto fluido)
Le acque reflue generate da processi a letto fluido e a letto fluido hanno un basso COD e buone proprietà biochimiche (in particolare le acque reflue generate da processi a letto fluido). La caratteristica principale di queste acque reflue è l'elevato azoto ammoniacale e devono essere selezionati processi di trattamento con buoni effetti di nitrificazione e denitrificazione.
Tuttavia, il trattamento biochimico rimuove solo inquinanti organici, olio, ammoniaca, fenoli, cianuri, ecc. dalle acque reflue e non riesce a rimuovere i sali.
5、 Zero scarico delle acque reflue della gassificazione del carbone
5.1 Classificazione del drenaggio chimico del carbone
Il drenaggio dell'industria chimica del carbone in produzione comprende: acque reflue di produzione, acque reflue domestiche, liquami puliti, acque piovane iniziali, ecc. Le principali acque reflue di produzione sono le acque reflue di gassificazione; le acque reflue pulite provengono principalmente dallo scarico di acqua circolante e dall'acqua salata concentrata scaricata dalle stazioni di desalinizzazione; le acque piovane iniziali vengono raccolte principalmente nei primi dieci minuti delle aree contaminate.
Le quantità maggiori di acqua nel drenaggio sopra menzionato sono acque reflue pulite e acque reflue di produzione. In genere, si ritiene di raccogliere le acque reflue pulite separatamente dalle acque reflue di produzione, dalle acque reflue domestiche, dalle acque piovane iniziali, ecc., che sono divise in due categorie: acque pulite e acque reflue.
5.2 Riutilizzo delle acque reflue
Il processo di produzione chimica del carbone richiede una grande quantità di acqua circolante e la scala della stazione di acqua circolante è generalmente ampia, richiedendo una grande quantità di acqua supplementare. Quando si considera il riutilizzo di acque reflue pulite e di effluenti di trattamento delle acque reflue, si considera generalmente di riutilizzarli come acqua supplementare per le stazioni di acqua circolante.
Sebbene l'effluente dell'impianto di trattamento delle acque reflue rimuova una grande quantità di inquinanti organici, ammoniaca, fenoli e altre sostanze, il suo contenuto di sale non è diminuito. Il contenuto di sale nelle acque reflue pulite e nell'acqua salata concentrata delle stazioni di desalinizzazione è generalmente 4-5 volte superiore a quello dell'acqua grezza. Pertanto, per riutilizzare le acque reflue, è necessario un trattamento di desalinizzazione, altrimenti il sale circolerà e si accumulerà nel sistema.
5.3 Tipi di processi di riutilizzo delle acque recuperate
Attualmente, i processi di desalinizzazione dell'acqua applicati in Cina includono la desalinizzazione chimica (vale a dire la desalinizzazione a scambio ionico), la tecnologia di separazione a membrana, il trattamento dell'acqua tramite distillazione e processi di desalinizzazione che combinano metodi a membrana e a scambio ionico.
(1) Processo di desalinizzazione a scambio ionico
La tecnologia di trattamento dell'acqua a scambio ionico è piuttosto matura e adatta ad applicazioni con basso contenuto di sale nell'acqua. Tuttavia, quando si trattano acque ad alto contenuto di cloruro, sale, durezza, salmastre e acqua di mare, questa tecnologia presenta gli svantaggi di consumare una grande quantità di acido e alcali durante la rigenerazione della resina e di inquinare l'ambiente con il suo liquido scaricato.
(2) Processo di dissalazione a membrana
Con il progresso della ricerca sulle membrane, la tecnologia di separazione a membrana si è sviluppata rapidamente e il campo di utilizzo delle membrane sta diventando sempre più esteso. È diventata un'alta tecnologia industrializzata, con i vantaggi di un funzionamento semplice, apparecchiature compatte, ambiente di lavoro sicuro, risparmio energetico e risparmio chimico. Il suo principale processo di separazione è la tecnologia dell'osmosi inversa e le tecnologie di ultrafiltrazione e filtrazione fine sono utilizzate come processi di pretrattamento per l'osmosi inversa. Può essere combinata in vari processi in base alle diverse qualità dell'acqua grezza.
(3) Processo di desalinizzazione che combina il metodo a membrana e il metodo di scambio ionico
Il sistema di desalinizzazione composto dal metodo della membrana a osmosi inversa e dal metodo dello scambio ionico è attualmente un sistema di trattamento dell'acqua di desalinizzazione ampiamente utilizzato. In questo sistema, l'osmosi inversa funge da sistema di pre-desalinizzazione per lo scambio ionico, rimuovendo oltre il 95% del sale e la stragrande maggioranza di altre impurità come colloidi, materia organica, batteri, ecc. dall'acqua grezza; il sale rimanente nell'acqua prodotta tramite osmosi inversa viene rimosso tramite successivi sistemi di scambio ionico.
5.4 Selezione del processo di riutilizzo delle acque reflue
L'acqua mista proveniente dagli impianti di depurazione e dalle acque reflue pulite viene riutilizzata, con un volume d'acqua generalmente elevato e un basso contenuto di sale tra 1000-3000 mg/L. Se si utilizza direttamente il metodo di distillazione, richiede una grande quantità di fonte di calore e spreca energia, il che non è adatto. A causa della presenza di alcuni inquinanti organici nelle acque reflue, l'utilizzo di resina a scambio ionico può intasare la resina. Inoltre, poiché i requisiti di qualità dell'acqua per l'acqua riciclata non sono elevati, lo scambio ionico non è adatto; Con il miglioramento della tecnologia di separazione a membrana e dei processi di produzione delle membrane, la durata utile delle membrane è in costante aumento e il prezzo di utilizzo è in costante diminuzione. L'uso delle membrane sta diventando sempre più popolare. Si raccomanda di dare priorità all'uso di metodi a doppia membrana (ultrafiltrazione + osmosi inversa) nel processo principale di riutilizzo delle acque reflue e di pretrattare le acque reflue in base alle diverse caratteristiche della qualità dell'acqua per soddisfare le condizioni per l'uso di doppie membrane.
5.5 Concentrazione della membrana di acqua salata concentrata
Molte aziende, sia a livello nazionale che internazionale, stanno studiando la concentrazione a membrana dell'acqua salata concentrata prodotta con il metodo a doppia membrana per ottenere un contenuto di sale da 60000 a 80000 mg/L. Questo ha lo scopo di aumentare il più possibile il contenuto di sale nelle acque reflue, ridurre la scala degli evaporatori successivi, diminuire gli investimenti e risparmiare energia.
I processi comunemente utilizzati a livello internazionale includono il processo di concentrazione a membrana HERO di Aquatech, il processo di concentrazione a membrana a nanofiltrazione di GE, il processo di concentrazione a membrana OPUS di Veolia e il processo di concentrazione a membrana vibrante di Maiwang. Il processo di cui sopra ha ottenuto successo nella concentrazione del sale all'estero. Anche alcune aziende nazionali stanno ricercando processi di concentrazione a membrana, ma al momento non ci sono risultati o esempi ingegneristici del loro utilizzo.
5.6 Evaporazione
Dopo aver raggiunto una concentrazione di sale da 60000 a 80000 mg/L in acqua salina concentrata, si procede all'evaporazione. Nei paesi stranieri, il processo di evaporazione per le acque reflue adotta generalmente la "tecnologia di evaporazione a ricircolo con compressione meccanica del vapore a film cadente", che è attualmente la soluzione tecnica più affidabile ed efficace per il trattamento di acque reflue ad alto contenuto di sale al mondo. Quando si utilizza la tecnologia di evaporazione a ricircolo con compressione meccanica per il trattamento delle acque reflue, l'energia termica richiesta per l'evaporazione delle acque reflue è fornita principalmente dall'energia termica rilasciata o scambiata durante la condensazione del vapore e il raffreddamento della condensa. Durante il funzionamento, non vi è alcuna perdita di calore latente. L'unica energia consumata durante il funzionamento è la pompa dell'acqua, il compressore del vapore e il sistema di controllo che azionano la circolazione e il flusso di acque reflue, vapore e condensa nell'evaporatore.
Quando si utilizza il vapore come energia termica, sono necessarie 554 kcal di energia termica per evaporare ogni chilogrammo di acqua. Quando si utilizza la tecnologia di evaporazione a compressione meccanica, il consumo energetico tipico per il trattamento di una tonnellata di acque reflue saline è di 20-30 kWh di elettricità, il che significa che sono necessarie solo 28 kcal o meno di energia termica per evaporare un chilogrammo di acqua. L'efficienza di un singolo evaporatore a compressione meccanica è teoricamente equivalente a quella di un sistema di evaporazione multieffetto a 20 effetti. L'adozione della tecnologia di evaporazione multieffetto può migliorare l'efficienza, ma aumenta l'investimento in attrezzature e la complessità operativa. Gli evaporatori possono generalmente aumentare il contenuto di sale nelle acque reflue fino a oltre il 20%. Solitamente inviato a uno stagno di evaporazione per evaporazione naturale e cristallizzazione; in alternativa, può essere inviato a un cristallizzatore per la cristallizzazione e l'essiccazione in un solido, quindi inviato per lo smaltimento.
6、 Introduzione ai casi di progetti domestici a zero emissioni
Progetto da carbone a gas naturale da 2 miliardi di metri cubi di Yili Xintian
Ø Progetto Tuke Fertilizer Fase I del carbone medio Ordos Energy and Chemical Co., Ltd. con una produzione annua di 1 milione di tonnellate di ammoniaca sintetica e 1,75 milioni di tonnellate di urea
Ø China Power Investment Corporation Yinan 3 × 2 miliardi di Nm 3/a Progetto di conversione del carbone in gas naturale Fase I Progetto da 2 miliardi di Nm 3/a
Progetto di liquefazione diretta del carbone Shenhua
Prestazioni del progetto a zero emissioni
6.1 Yili Xintian Produzione annuale 2 miliardi di metri cubi Progetto di conversione del carbone in gas naturale (appalto generale)
Ø Processo di gassificazione: tecnologia di gassificazione a letto fisso pressurizzato di carbone frantumato (forno Luqi)
Ø Prodotto del progetto: Produzione annuale di 2 miliardi di Nm3 di gas naturale
Ø Contenuto del sistema di trattamento delle acque reflue:
Impianto di depurazione: 1200m3/h
Riutilizzo delle acque reflue:
① Unità di riutilizzo delle acque reflue biochimiche: 1200 m3/h
② Unità di riutilizzo delle acque reflue contenenti sale: 1200 m3/h
③ Unità di evaporazione multieffetto: 300m3/h
6.2 Progetto Tuke Fertilizer (EPC) di carbone medio Ordos Energy and Chemical Co., Ltd
Ø Processo di gassificazione: tecnologia di gassificazione a pressione per scorie di carbone frantumate (BGL)
Ø Prodotti del progetto: 1 milione di tonnellate/anno di ammoniaca sintetica e 1,75 milioni di tonnellate/anno di urea
Ø Contenuto del sistema di trattamento delle acque reflue:
Impianto di depurazione: 360m3/h
Dispositivo di trattamento dell'acqua recuperata: 1200m3/h
Dispositivo di trattamento dell'acqua salata concentrata: 200m3/h
Tecnologia di elaborazione:
Flusso del processo di trattamento delle acque reflue
6.3 China Power Investment Corporation Yinan 3 × 2 miliardi di Nm 3/a Progetto di conversione del carbone in gas naturale Fase I Progetto da 2 miliardi di Nm 3/a (Progettazione generale + progettazione di base)
Processo di gassificazione: tecnologia di gassificazione a letto fluido con ossigeno puro (forno GSP)
Ø Prodotto del progetto: Produzione annuale di 2 miliardi di Nm3 di gas naturale
Ø Contenuto del sistema di trattamento delle acque reflue:
Impianto di depurazione: 280m3/h
Dispositivo di trattamento dell'acqua recuperata: 900m3/h
Dispositivo di trattamento dell'acqua salata concentrata: 120m 3/h
Ø Tecnologia di lavorazione:
Dispositivo di trattamento delle acque reflue: pretrattamento+biochimica secondaria+trattamento avanzato
Dispositivo di trattamento dell'acqua recuperata: pretrattamento+ultrafiltrazione+osmosi inversa
Dispositivo di trattamento dell'acqua salata concentrata: concentrazione della membrana + cristallizzazione per evaporazione
6.4 Progetto di liquefazione diretta del carbone Shenhua (carbone in petrolio)
Ø Contenuto del sistema di trattamento delle acque reflue:
Sezione di trattamento biochimico: comprendente il sistema di acque reflue oleose e il sistema di acque reflue ad alta concentrazione
Sezione di trattamento del sale: comprendente il sistema di acque reflue contenenti sale, il sistema di acque reflue di preparazione del catalizzatore, il sistema di trattamento del concentrato dell'evaporatore
Ø Scala di elaborazione:
Sistema di scarico acque oleose: 204m3/h
Sistema fognario ad alta concentrazione: 150m 3/h
Sistema fognario contenente sale: 286m3/h
Sistema di scarico preparazione catalizzatore: 103m3/h
Sistema di trattamento dell'acqua salata concentrata: evaporatore, cristallizzazione, area di vasca di evaporazione di circa 12 metri quadrati
