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煤化工VOCs控排分析

更新時間:2019-04-04 11:24 來源:《中國煤炭》 作者: 閱讀:2542 網友評論0

摘要:針對煤化工VOCs污染控制難題,介紹了煤化工VOCs排放現狀和當前國內外管控措施,系統地分析了VOCs控制技術,論述了技術篩選與評價方法,提出了煤化工VOCs的減排思路。煤化工在各生產工藝環節排放大量VOCs,嚴重污染區域大氣環境質量且危害人體健康,煤化工全工藝流程應落實清潔生產實現VOCs全過程管控,開展污染源調查,建立高分辨動態污染物排放清單,設立運行臺賬,實現源頭減排,完善篩選與評價方法,形成最佳控制技術庫。  

當前,我國現代煤化工技術創新實現重大突破,示范工程取得顯著成效,現代煤化工產業步入發展快車道,其對實現煤炭清潔利用目標、豐富化工原料來源、調整能源供應模式、保障國家能源安全等具有深遠現實意義,但在現代煤化工各生產工藝環節中排放大量揮發性有機物(VolatileOrganicCompounds,簡稱VOCs),對當前大氣質量產生多重環境效應。VOCs作為PM2.5和O3重要前體物和參與物,其不僅能與SO2、NOx等發生光化學反應形成光化學煙霧,也能與大氣中的·OH和O3等強氧化劑反應生成二次有機氣溶膠,嚴重污染區域大氣環境且危害人體健康,因此煤化工VOCs安全高效控制與減排亟待解決。針對煤化工VOCs污染控制難題,本文綜述了現階段煤化工VOCs排放現狀、管控措施、控制技術及篩選與評價方法,并對其減排提出了建議。  

1煤化工產業發展背景  

1.1發展現狀  

近年來,由于受到宏觀政策引導和市場拉動作用,現代煤化工產業得到快速發展,大型裝備制造能力顯著提升,自主化率達到90%以上;氣化、液化、甲醇制烯烴/乙二醇等技術工藝整體達到世界領先水平;煤化工基地化、園區化初具規模,相繼布局形成蒙東、蒙西、新疆準東、新疆伊犁、寧東、陜北、云貴等產業集群區,有效提高煤炭資源集中利用程度,主要煤化工基地及其產業布局見表1。  

1.2發展趨勢  

隨著《煤炭深加工產業示范“十三五”規劃》(國能科技〔2017〕43號)和《現代煤化工產業創新發展布局方案》(發改產業〔2017〕553號)等文件的相繼頒布,現代煤化工產業發展定位清晰。“十三五”期間,煤化工產業進入升級示范階段,將成為我國現代能源體系的重要組成部分。  

據統計,2016年我國煤制油和煤制天然氣產能分別達到658萬t和31億m3,預計2018年相應產能將增長至1026萬t和79億m3,未來5年若年均復合增長率分別按15.24%和46.19%估算,到2022年我國煤制油和煤制天然氣產能將達到1810萬t和362億m3,2018-2022年煤制油及煤制天然氣產量預測分析如圖1和圖2所示。  

2VOCs排放與管控現狀  

2.1VOCs排放量估算及預測  

VOCs相比SO2、NOx等常規大氣污染物具有成分復雜、種類繁多、來源廣泛、涉及眾多行業領域等特點,且排放類型以無組織為主,排放量難以核算。由于此前未將VOCs納入環境監測體系,相關統計數據缺失,根據估算,2010年和2014年我國VOCs理論排放量約為1363萬t和1700萬t,年均復合增長率達到5.68%,預計2020年我國VOCs排放量將達到2466萬t,可見VOCs減排形勢嚴峻,2010-2014年VOCs理論排放量及2020年預測排放量如圖3所示。  

2.2煤化工VOCs排放現狀  

煤化工作為VOCs減排重點行業,涉及氣化、液化、煉焦以及低溫干餾等諸多化學工藝,典型現代煤化工生產工藝如圖4所示。  

氣化過程中產生的VOCs主要是由于結渣、火層傾斜等原因導致氣化爐非正常停車,造成爐內大量氣體逸散,此外在氣化爐的卸壓廢氣、粗煤氣凈化工序中的尾氣、硫酚類物質回收裝置的酸性氣體以及氨回收吸收塔的排放氣中VOCs含量也比較高。液化根據化學工藝可分為直接液化和間接液化,相比氣化過程其VOCs產生量較少,但在液化原油及液化殘渣中易揮發泄露VOCs。煉焦及低溫干餾產生的VOCs一部分來自化學轉化過程中未完全炭化的細煤粉及其析出的揮發組分、焦油、飛灰和泄漏的粗煤氣,另一部分來自出焦時灼熱的焦炭與空氣接觸生成的氣態污染物,主要成分是苯系物、酚、氰、硫氧化物以及碳氫化合物等。  

2.3法律法規與政策體系  

美國、日本、歐盟等發達國家及地區對VOCs防控較早,法律體系相對健全,其管控機制見表2。近年來,我國VOCs減排工作穩步推進,法律法規相繼出臺,行業標準有序制定,政策體系日趨完善,VOCs部分重要法律法規及核心內容見表3,VOCs政策體系如圖5所示。  

當前,為了進一步踐行綠色發展理念,促進大氣環境質量持續改善,自2018年1月1日起,我國實施《環境保護稅法》,應稅污染物收費參照納稅模式,由“企業主動申報+環保部門核定收費”轉變為“企業自行核算主動申報+環保部門抽查收費”。由于VOCs種類繁多且性質各異,目前其并未全部列入應稅范圍,但苯、甲苯等有機廢氣在征收稅目之中,未來VOCs分批納入征稅范圍將是發展趨勢。  

3煤化工VOCs控制技術  

3.1控制方案  

煤化工VOCs根據來源可分為有組織排放廢氣和無組織排放廢氣,其中有組織排放廢氣與煤化工化學工藝及工序工況條件密切相關,通過對污染源定位分析,排放總量可以核算;而無組織排放廢氣污染源分析困難,且逸散、泄露的VOCs由于具有較強揮發性和反應活性,易擴散、遷移、轉化,排放總量無法估算。申改燕等研究人員研究發現設備動靜密封點泄漏和煤化工廢水集輸、儲存、處理過程逸散是產生VOCs的兩大主要無組織排放源,針對無組織排放廢氣要做好泄漏檢測與修復以及敞開液面加蓋密封工作,將無組織排放VOCs收集成為有組織集中處理。  

控制煤化工VOCs通過采取源頭削減、過程控制、末端治理全過程控制實現VOCs減排,并將各生產工藝過程中排放的VOCs納入監測體系,VOCs控制方案如圖6所示。  

由圖6可以看出,源頭削減即在煤化工各生產工藝前端嚴格管控原料使用過程,規范揮發性有機溶劑操作流程,避免原料中VOCs逸散到周圍環境;過程控制即對煤化工各生產工藝進行優化改進,減少生產路徑VOCs排放量,避免發生VOCs泄露、異常排放等突發性事故;末端治理主要針對有組織排放廢氣,根據VOCs成分、含量、性質等工況條件綜合分析,選擇治理VOCs最佳工藝路線。  

3.2關鍵技術  

3.2.1泄漏檢測與修復技術  

泄漏檢測與修復(LeakDetectionAndRepair,簡稱LDAR)是利用固定或者移動檢測設備(包括光離子化、非分散紅外等)對各類反應釜、管道、泵、法蘭等易泄漏位置進行定期監測,及時發現問題采取相應措施,避免原料損耗、減少VOCs排放。LDAR技術流程包括需求分析、方案編制、確定允許泄露值和泄露檢測頻率、展開定性檢測和定量分析、及時對泄露點進行修復及復檢、檢測與修復評估。  

3.2.2治理技術  

治理技術主要分為回收和銷毀兩類,回收技術是采用物理方法,通過改變溫度、壓力或使用吸附劑、滲透膜等方式來富集分離VOCs,包括吸收、吸附、冷凝、膜分離等,經過回收的VOCs可直接或經簡單純化后返回工藝過程再次利用以減少原料消耗,或者集中進行分離提純。銷毀技術是通過化學或生化反應將VOCs氧化分解為CO2、H2O等無毒無害小分子化合物,包括燃燒、低溫等離子體、光催化和生物法等,其技術原理及優缺點比較見表4。  

4技術篩選與評價  

4.1技術篩選  

在煤化工不同工藝環節根據廢氣中的VOCs成分、含量等實際工況條件選擇最佳技術工藝。對于高濃度VOCs廢氣,宜采用吸附、冷凝、膜分離等技術將有用成分回收利用,輔助其他控制技術實現達標排放;對于中等濃度VOCs廢氣,宜采用吸附技術對其進行回收,或采用燃燒技術凈化后達標排放且應回收利用燃燒中產生的熱量;對于低濃度VOCs廢氣,當有回收價值時,宜采用吸附技術對有機溶劑回收后達標排放。當無回收價值時,宜采用燃燒、低溫等離子體、生物技術等凈化后達標排放。不同濃度條件下(高濃度>5000mg/m3,低濃度<3000mg/m3)VOCs控制技術性能比較見表5。  

4.2技術評價  

煤化工VOCs治理技術評價,首先要對煤化工各工藝流程VOCs排放現狀進行調查研究,建立污染物排放清單,結合煤化工各工藝流程VOCs污染物排放特征和理化性質篩選符合應用背景條件的控制技術對其進行評價,全面了解不同相關人員(如決策者、運營者、公眾)對各指標的關注程度,客觀構建評價指標體系,按照層次分析法排出各備選評價技術的優劣順序,最終選出最佳控制技術。VOCs控制技術評價步驟如圖7所示。  

5結論與展望  

隨著生態文明建設全面推進和大氣污染治理工作深入開展,煤化工VOCs控制與減排工作可以采取以下措施。  

(1)對煤化工行業全工藝流程落實清潔生產,強化源頭污染控制,加強過程管控,通過實施工藝改進減少無組織排放,避免泄露等異常排放,對難以回收利用VOCs按照相關要求強制末端治理,嚴格要求達標排放。  

(2)對煤化工行業全工藝流程開展污染源調查,建立高分辨動態污染物排放清單,基于物聯網等現代化技術建立VOCs智能監測與快速動態溯源平臺,將VOCs治理與監控納入日常生產管理體系,完善監測管理體系。  

(3)設立VOCs污染防治設施運行臺賬,明確排氣筒數量、位置、污染物種類、排放量、濃度、排放規律、排放情況等信息,制定VOCs治理年度計劃、任務目標和考核指標,確保VOCs治理管理體系有效運行。  

(4)結合煤化工行業各工藝流程VOCs污染物排放特征和理化性質,制定煤化工行業標準,細化各污染物排放指標,相關部門加強管理力度,建立責任機制,推進實施《環境保護稅法》。  

(5)根據煤化工VOCs成分、含量等排放特征選擇控制技術工藝,當使用回收、銷毀單一治理技術難以實現VOCs達標排放時,可使用組合技術工藝達到經濟高效控制目標,逐漸形成最佳技術庫并完善其評價方法。

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