煤气化过程中控制污染物产生的技术措施

朱志全

(陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719302)

0 引言

国家和地方环保法规的严格执行，使得企业必须采取各种措施来满足排放标准，催生技术创新和改进。煤气化行业的法规涵盖各类污染物的排放限值，如颗粒物、硫化物、氨和重金属等，还对废水和固体废物的处理和处置进行规定。因此，煤气化企业在选择污染物控制技术时，需要考虑其技术的成熟度、效率和经济性，以满足法规的要求。一方面，高效的控制技术可以帮助企业减少污染物排放，避免法规处罚，从而实现经济和环保的双重利益。另一方面，采用先进的控制技术也可以改善企业的环保形象，增强其社会责任感和竞争力。

1 煤气化原理与产生污染物类别

1.1 煤气化产物

煤气化是一种将固态燃料转化为气态燃料的过程，被广泛应用于能源生产和化工行业，以煤炭为原料，利用高温和适当的氧化剂环境，将煤炭中的有机物质转化为气态的混合物，这种混合物称为合成气或煤气。这种转化过程在一定条件下进行，通常需要高温和高压的环境。在煤气化过程中，煤炭的碳元素与氧、水蒸气或二氧化碳等氧化剂发生反应，生成一种主要由一氧化碳和氢组成的气体，这种气体即为合成气[1]。其中，一氧化碳和氢的比例取决于煤炭的种类、煤炭的处理过程以及气化过程中的具体条件。此外，煤气化过程中还会生成一些固体和液体的副产品，如焦炭、焦油、酚、苯、硫等，这些副产品的产生和性质与煤炭的种类、煤炭的处理过程以及气化过程中的具体条件等因素密切相关。煤气化技术不仅能高效地利用煤炭资源，生成清洁、高效的气态燃料，同时还可以有效地控制和减少污染物的排放，提高环境质量。然而，煤气化过程中的污染物控制仍然面临许多挑战，如何有效地减少固体和液体副产品的产生，如何有效地处理和利用这些副产品，如何进一步提高气化效率和降低气化成本等，都亟待进一步研究和解决。

1.2 煤气化过程的化学反应原理

在煤气化过程中，主要的化学反应可以分为两类：一类是氧化反应，另一类是还原反应。氧化反应主要涉及碳与氧的反应，生成一氧化碳和二氧化碳；还原反应则主要涉及一氧化碳和水蒸气的反应，生成氢和二氧化碳。实际上在煤气化过程中，这两类反应会同时进行，而且会相互影响，形成一个动态平衡。煤气化过程中的化学反应也受到许多因素的影响，包括反应温度、反应压力、氧化剂的种类和量，以及煤炭的种类和处理过程[2]。其中，反应温度和压力是决定反应速率和产物组成的重要因素，通常需要通过精确控制以优化煤气化过程；氧化剂的种类和量则直接决定了反应的类型和方向。例如，使用氧气作为氧化剂可以提高反应的温度和速率，而使用水蒸气则可以增加产物中的氢含量。煤炭的种类和处理过程则决定煤炭中元素组成和物理特性，影响到反应的效率和产物的性质。

1.3 煤气化过程中主要产生的污染物类型

煤气化过程不仅会产生价值较高的燃料气体，也会产生一些污染物，根据其物理状态和化学性质，大致可以分为固体、液体和气体三类。固体污染物主要包括煤矸石和煤渣，煤矸石主要由煤炭燃烧后未完全氧化的炭黑和矿物质组成，其中可能含有硫、砷、镉等重金属，如果不妥善处理，会对土壤和地下水造成严重污染。煤渣则主要来自煤气化过程中的固体副产品，其成分和性质与煤炭的种类和煤气化条件有关。液体污染物主要包括焦油和酚类物质，焦油是煤气化过程中的一个重要副产品，主要由多环芳烃、酚类物质和其他有机化合物组成，焦油直接排放会对水体和土壤造成严重污染，酚类物质则主要来自煤气化过程中的水洗过程，其对水体和生物具有很高的毒性。气体污染物则包括硫化物、氮氧化物、一氧化碳和挥发性有机化合物等，硫化物和氮氧化物是煤气化过程中最重要的气体污染物，在大气中生成酸雨，对建筑物、植物和水体造成严重伤害，进入呼吸道会对人体健康造成威胁，一氧化碳和挥发性有机化合物则是重要的温室气体，对全球气候变化有重要影响。

2 煤气化过程中的污染物控制技术

2.1 物理法控制技术

物理法控制技术主要包括烟气冷却、电除尘和布袋除尘等方法。烟气冷却是一种在煤气化过程中常用的技术，主要用于降低煤气的温度，去除煤气中部分污染物，通过冷却，一部分微尘和化学污染物会凝结或者吸附在冷却设备的表面，从而实现其从煤气中的去除。此外，冷却过程还可以使煤气在进一步的净化和利用之前达到适宜的温度，冷却过程需要耗费能源，对煤气的整体能效和环境效益有一定影响，因此，冷却设备的设计和操作需要兼顾冷却效果和能耗。电除尘则是一种利用静电力来去除烟气中微尘的技术，电除尘器中有高电压电极，可以产生强烈的电场，当烟气通过电场时，微尘会被电场电离，产生带电粒子，带电粒子在电场的作用下会被吸附在电极表面，微尘的去除效率高；布袋除尘则是一种利用布袋作为过滤介质来去除烟气中微尘的技术，可以有效拦截微尘，使清洁的煤气通过，达到除尘的目的。布袋除尘器的设计和材料选择需要考虑烟气的温度、湿度和化学性质，以及微尘的粒径和浓度等因素，以确保布袋除尘器的稳定运行和长寿命。

2.2 化学法控制技术

化学法控制技术包括氨法脱硫、干法脱硫以及湿法脱硫等技术。氨法脱硫是一种利用氨与硫化物反应生成硫酸铵的技术，硫酸铵可作为肥料使用，因此，氨法脱硫不仅可以去除硫化物，还可以实现硫的资源化利用。干法脱硫通过吸附剂吸附硫化物实现脱硫，干法脱硫中的吸附剂通常是活性炭或活性氧化铝，具有很高的比表面积和吸附能力。当吸附剂饱和后，可以通过再生过程恢复其吸附能力，实现吸附剂的循环使用。干法脱硫的优点是操作简便，设备占地面积小。湿法脱硫通过溶液吸收硫化物来实现脱硫，湿法脱硫中的吸收液通常是碱性溶液，如氢氧化钠或碳酸钠溶液，与硫化物反应生成硫酸盐或硫酸[3]，在吸收液饱和后，可以通过再生过程恢复其吸收能力，实现吸收液的循环使用。该方法的脱硫效率高，可以去除煤气中的大部分硫化物。

2.3 生物法控制技术

在煤气化过程中的污染物治理中，生物法控制技术呈现出其独特的优势和潜力。微生物处理技术是利用微生物的生物降解功能，将污染物转化为无害或低毒性的物质。在煤气化产生的污染物中，有些有机物质和重金属可以被某些微生物利用作为营养源或能量源，通过其生物代谢过程实现转化或去除，能够有效地减少污染物，还能实现资源回收，如硫化物可通过硫杆菌转化为硫元素。生物膜处理技术则是利用生物膜对污染物的吸附和生物降解作用，来净化煤气或处理废水。生物膜是由微生物在固定表面形成的稠密层，具有较高的污染物处理能力和稳定性，生物膜中的微生物可以高效地降解有机物和转化硫化物，实现污染物的去除，生物膜的形成和再生过程可以自我完成，减少了操作的复杂性。

2.4 综合利用技术

在煤气化过程中，为了更有效地控制和减少污染，采用综合利用技术已经成为一种重要的趋势。煤矸石堆场的封闭和绿化是一种常用的煤矸石处理方法，通过封闭和绿化，可以有效减少煤矸石对周围环境的影响，如防止煤矸石中的有害物质通过风化和洗涤作用进入土壤和水体，降低煤矸石对空气质量的影响等；绿化则能进一步改善堆场的景观，实现生态修复，有利于环境保护，改善社区环境，提升社区居民的生活质量；废水回用技术则是一种有效的水资源管理方法，通过对煤气化过程中产生的废水进行处理和再利用，可以减少新水的需求，节约水资源，减少污水排放，通常包括预处理、主处理和后处理三个步骤。预处理主要是去除废水中的大颗粒物质，主处理是去除废水中的有机物、无机物和微生物，后处理是调整废水的pH 值、消毒和深度净化，以满足再利用的要求[4]。

3 污染物控制技术的比较与评估

在煤气化过程中，选择适当的污染物控制技术需要考虑多种因素，包括污染物的种类、浓度和特性，以及技术的经济效益、环保性能和适用条件等。物理法的适用性主要受污染物粒度和浓度的影响，适用于处理粒度大、浓度高的污染物，如煤尘和烟气中的大颗粒物质，溶解在煤气中的有机物和重金属离子若采用物理法的去除效果可能较差。此外，物理法的效果也会受到设备性能和操作条件的影响，如电除尘的效果会受到电场强度和粒子电荷的影响，布袋除尘的效果会受到布袋材料和设计的影响等。化学法的适用性主要受污染物的化学性质和浓度的影响，适用于处理可通过化学反应转化为无害或低毒性物质的污染物，如硫化物和有机物。然而，化学法的运行需要精细控制，以保证反应的完全进行，避免副产物的生成，化学法也会产生一些需要处理的化学废弃物，需要考虑废弃物处理的技术和成本。生物法的适用性主要受污染物的生物降解性和环境条件的影响，适用于处理可通过生物降解转化为无害或低毒性物质的有机物和重金属离子，但生物法的运行需要适当的环境条件，如温度、pH 值和营养物供应等，如果条件不适，可能导致微生物活性降低，处理效果下降。综合利用技术的适用性主要受污染物的资源化潜力和技术的经济性的影响，适用于处理可回收利用的污染物，如煤矸石和废水，实施综合利用技术需要考虑技术的可行性、经济性和环保性，以及管理的复杂性和成本。

4 现代先进的污染物控制技术

4.1 纳米技术在污染物控制中的应用

纳米技术是近年来备受关注的一种新兴技术，其在煤气化过程中对污染物控制中的应用展现了显著的潜力。通过纳米技术，可以设计并合成出具有特定性能的催化剂，这些催化剂在化学方法中发挥着重要作用。例如改变纳米催化剂的形状、大小和表面特性，增强催化剂对特定污染物的选择性和活性，提高化学反应的效率，减少副产物的生成，在硫化物和有机物的转化过程中，纳米催化剂的应用能够实现更高效的污染物去除效果。除了催化剂的应用，纳米材料也在污染物的吸附过程中发挥着重要的作用，纳米材料通常具有高的表面积，可以提供大量的吸附位点，从而实现高效的污染物吸附，纳米材料的表面性质和孔隙结构可以通过精细的设计和调控，以提高其对特定污染物的吸附选择性和稳定性。在废水处理方面，纳米滤膜技术由于其特有的微观结构，能实现高效的物质分离，对于废水中的有机物、重金属离子以及某些难以降解的污染物具有优良的去除能力。

4.2 高温煤气清洁化技术

高温煤气清洁化技术是对于煤气化过程中产生的含有大量杂质的原生煤气进行清洁处理的重要技术，旨在实现煤气的高效利用和环境污染的最小化，有效减少污染物的排放，提高煤气的热效率，同时减少能源消耗。高温煤气清洁化技术可以通过在高温下使用硫化物吸附剂，有效地将硫化物从煤气中吸附分离出来，从而实现煤气的脱硫，煤气中的氨也可以通过高温条件下的催化分解或吸附分离出来[5]。粉尘和重金属则是通过高温煤气清洁化技术中的热过滤器进行分离的，热过滤器利用其特殊的过滤介质，在高温下有效地将煤气中的粉尘和重金属粒子捕获，从而实现对煤气的深度净化。高温煤气清洁化技术的应用不仅能够有效地减少煤气化过程中的环境污染，提高煤气的质量和热效率，而且还能够通过杂质的回收利用，实现能源和资源的高效利用。然而，这项技术的开发和应用还面临着一些挑战，如技术成熟度、操作复杂性、经济性和环保性等，需要进一步研究和优化，以推动其广泛应用。

4.3 微波吸附技术

微波吸附技术通过微波能量的独特作用，提高吸附过程的效率和效果，微波能量的输入可以瞬间增加吸附介质的温度，增加介质的活性，提升吸附的动力学效果，缩短达到吸附平衡的时间。此外，微波照射还能改变吸附介质的表面性质和孔隙结构，对于提高吸附介质的选择性和稳定性至关重要。例如，通过微波处理，增加吸附介质的表面粗糙度，改善其孔隙分布，增强其对特定污染物的吸附能力。在煤气化过程中产生的污染物控制中，微波吸附技术可以有效地去除煤气中的硫化物、有机物和重金属离子等污染物。例如，微波辅助的活性炭吸附可以实现高效的硫化物吸附，而微波辅助的沸石吸附则可以实现高效的重金属离子吸附。同时，通过选择适当的微波参数，如功率、频率和时间，可以实现对吸附过程的精细控制，优化吸附效果。然而微波设备的设计和操作复杂，需要精细控制以避免过热或者热不均的问题，吸附介质的再生和处理也是需要解决的问题，含有有害物质的吸附介质需要采取适当的处理措施，避免二次污染。

4.4 光催化材料

光催化材料，如二氧化钛和氧化锌，在污染物控制中的应用已经得到了广泛的关注和研究，其特点和优势主要体现在高效性、无二次污染以及可重复使用等方面，光催化材料的工作原理主要依赖于其在光照条件下能够产生强氧化性的活性自由基，氧化分解有机污染物和部分无机污染物。以二氧化钛为例，属于典型的半导体材料，具有稳定的化学性质和良好的光催化活性。在紫外光的照射下，二氧化钛的价带电子会被激发到导带，形成电子-空穴对，可以与水和氧反应生成羟基自由基和超氧化物自由基，具有强氧化性，能够氧化难降解的有机化合物。此外，光催化材料的应用也有利于煤气化废水的深度净化。废水中的有机污染物和部分无机污染物经过光催化氧化后，可被转化为水和二氧化碳等无害物质，实现了真正意义上的“零排放”，不仅提高了废水处理的效率，也保护了水资源的安全。然而，光催化技术在实际应用中也面临一些挑战。比如，二氧化钛和氧化锌的光催化活性主要发挥在紫外光区，而紫外光只占太阳光的约5%，限制了光催化技术的应用范围。因此，如何扩大光催化材料的光响应范围，提高其在可见光区的活性，成为当前研究的重要方向。

5 煤气化过程中的污染物控制政策与法规

环境保护已经成为全球性的议题，各国政府和国际组织正在通过制定和实施煤气化过程污染物控制政策与法规，以期实现可持续发展的目标。例如，美国环保署依据《清洁空气法》制定了一系列的污染物排放标准，对煤气化等重点行业的有害物质排放进行了严格限制。欧盟也制定相应的政策，如《工业排放指令》明确规定了工业排放的最佳可行技术和排放限值，其中也包括了煤气化过程中的污染物排放。中国的《大气污染防治法》和《水污染防治法》等相关法律法规，对煤气化产业的污染物排放和污染防治技术设定了严格的要求，在实施过程中，政府不仅强调了企业的主体责任，还鼓励和支持清洁生产和污染控制技术的研发和应用。此外，各国政府和国际组织还积极推动污染物排放权的交易制度，鼓励企业通过购买和销售排放权来达到减排目标，既可以提高污染控制的经济效率，也有利于推动清洁技术的创新和应用。在国际层面，联合国环境规划署和世界卫生组织等机构也发布了多项关于污染物排放控制的公约和宣言，如《巴塞尔公约》对有害废物的跨境转移和处理设定了全球性的规则，为国际环保合作提供了法律框架。

6 结语

总的来说，各种污染物控制技术在煤气化过程中都有其独特的优点和适用条件，但也都面临着各自的挑战。新兴技术如纳米技术、高温煤气清洁化技术和微波吸附技术，虽然在处理煤气化过程中产生的污染物方面具有显著的潜力，但其广泛应用还需要进一步的研究和优化。因此，对于科研人员来说，如何优化现有技术、发展新的污染物控制技术，以及如何在各种技术中选择最适合的一种，是未来研究的重要方向，决策者则需要考虑技术、环境和经济的多方面因素，以实现煤气化的环保和经济效益的最优化。