近日，延長石油集團西北化工研究院(以下簡稱西北院)與陜西陜化煤化工集團有限公司簽訂廢液資源化利用項目合作協議。該項目采用西北院自主開發(fā)的新一代多元料漿氣化技術，以1,4-丁二醇裝置產生的有機廢液制取合成氣。這是該技術應用于有機廢液(固)處置利用的第八個工業(yè)化項目。
西北化工研究院研發(fā)中心大樓
沒有金剛鉆，不攬瓷器活。西北院20世紀60年代末列入煤氣化技術“國家隊”，近年來順應國家綠色、低碳發(fā)展的戰(zhàn)略部署，跨領域轉型進軍環(huán)保行業(yè)，將煤氣化技術與有機廢棄物處置相結合，用化工過程解決環(huán)保問題，實現工業(yè)有機廢棄物高效清潔利用，達到環(huán)境與經濟效益雙贏目標，處于行業(yè)低碳綠色可持續(xù)發(fā)展前列。
原始創(chuàng)新一躍而起
作為我國最早以煤氣化技術為主導研究方向的科研單位，西北院的前身——原化學工業(yè)部化肥工業(yè)研究所先后承擔了國家“六五”“七五”“八五”科技攻關等重大科研項目，打破了大型煤氣化技術長期對外依賴的被動局面，奠定了在煤化工技術方面的優(yōu)勢地位。
55年前，按照國家總體部署，一批胸懷壯志的科技人員從繁華大都市上海來到西安這片古老而又煥發(fā)生機的西北熱土，以滿腔熱忱開啟了科技創(chuàng)業(yè)征程。在原化工部的領導下，他們先后完成大型合成氨配套工藝和催化劑國產化等科研任務。按照國家科技發(fā)展規(guī)劃，他們以敢為人先的進取精神，大膽攻關當時國內尚屬空白的氣流床煤氣化技術。
歷經多年艱苦的基礎研究、模型研究、小試及中試探索，1985年，我國首套水煤漿氣化中試裝置在西北院建成。此后，西北院憑借工業(yè)放大技術積淀，利用中試裝置承擔了國內大型煤化工裝置引進煤氣化技術煤種試燒的重任，并主持攻克了一系列關鍵技術難題，有力促進了行業(yè)發(fā)展。
20世紀90年代后期，為配合國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，西北院探索氣化原料多樣化，承擔了原中國石化總公司和中國石油氣公司科研項目，將氣化原料拓展到石油焦、石油瀝青等其他含碳物質;隨后又承擔科技部專項“多元料漿新型氣化技術開發(fā)研究”。2001年，隨著浙江蘭溪化肥廠年產3萬噸合成氨裝置點火運行，西北院孕育了多年的多元料漿新型氣化技術終于“破繭而出”，實現了工業(yè)化應用。
2004年6月，“多元料漿新型氣化技術開發(fā)研究”項目通過中國石油和化學工業(yè)協會組織的技術成果鑒定。專家認為該成果形成了具有特色的多元料漿氣化技術，生產裝置長周期穩(wěn)定運行，屬國內首創(chuàng)，達到國際同類技術先進水平。同年11月，采用這項技術的年產30萬噸合成氨國產化裝置在山東開車成功。這是我國自主開發(fā)的新型煤氣化技術首次在大型煤化工項目中應用，實現了幾代化工人夢寐以求的濕法氣流床氣化技術國產化的夙愿。
彼時，煤化工產業(yè)在中國方興未艾，多元料漿氣化技術以其獨有的先進性、適用性和成熟穩(wěn)定性，打破了國外在大型煤氣化技術領域的壟斷，在煤氣化圈內一舉成名，成為新建煤化工項目的主流優(yōu)選技術之一。迄今為止，國內已有50多家企業(yè)的150余臺氣化爐采用多元料漿氣化技術，覆蓋西北、西南、東北、華北、華東、華中等地，單爐日投煤量從100噸跨越到2500噸。
協同處置一舉多得
當前，綠色、低碳可持續(xù)發(fā)展已成為全球共識，國家對生態(tài)文明建設的重視程度前所未有，節(jié)能減排、低碳綠色成為石油和化工行業(yè)高質量發(fā)展的“硬核”道理。
能源化工企業(yè)在生產過程中產生大量的有機廢水、固廢，農藥、醫(yī)藥、皮革、精細化工、釀造等企業(yè)產生的有機廢液、廢渣。這些廢棄物大多具有易揮發(fā)、成分復雜、難以降解、污染環(huán)境等特點，采用傳統方法處理效率低，成本高、易產生二次污染，且資源未得到有效利用。同時，由于有機廢棄物的處置不合理，屢屢引發(fā)環(huán)境污染事件，企業(yè)被推向社會的“風口浪尖”。
富含碳、氫、氧等有效成分但難以一次成漿的高濃度有機廢液和固廢，能不能與多元料漿協同氣化，用化工過程解決環(huán)保問題?善于創(chuàng)新的西北院科研人員向新的領域發(fā)起挑戰(zhàn)。
2010年，剛剛進入延長石油集團的西北院再次迎來創(chuàng)新發(fā)展良機。作為西北地區(qū)首個全球500強企業(yè)和國內少有的同時擁有油、氣、煤資源的能源化工企業(yè)，延長石油在碳氫資源綜合利用領域走在世界前列。在延長石油集團的支持下，西北院對多元料漿氣化技術進行創(chuàng)新升級，將有機廢液(固)處理與多元料漿氣化技術有機耦合，成功開發(fā)有機廢液(固)資源化清潔利用技術，開辟了“化工+環(huán)保治理”融合發(fā)展的新路徑，再次獲得業(yè)界關注。
“有機廢液、廢固改性成均質可泵送流體后，通過專用多通道工藝噴嘴與水煤漿一起進入氣化爐，在約1350℃的高溫、純氧作用下，有機物分子被完全分解，轉化為以一氧化碳、氫氣為主的化工合成原料氣，有機物轉化率高達99.99%。未轉化的組分經高溫熔融后快速激冷，形成玻璃態(tài)無害化廢渣，實現廢液(固)中碳氫有用組分的資源再利用。”西北院副總工程師韋孫昌談起技術原理時娓娓道來。
他說，有機廢液(固)與水煤漿通過元素和能量互補，原料有效利用率更高。與單純的水煤漿氣化相比，合成氣中的一氧化碳、氫氣含量提高2～4個百分點，減少原料煤10%～50%、制漿用水50%～100%，節(jié)約了常規(guī)化石能源和水資源，不但有效解決了廢液、廢固處理難題，而且廢液(固)經高溫反應、快速激冷后無氮氧化合物、二氧化硫、顆粒物等二次污染物產生，生產過程清潔環(huán)保，消除了企業(yè)環(huán)保壓力，增加了經濟效益。
2020年12月，有機固廢高效氣化及產品深度利用技術與裝備國家重點研發(fā)計劃項目負責人參觀鳳登環(huán)保裝置模型
據介紹，該技術可“通吃”各種工業(yè)尾油、有機廢溶劑、煉油殘渣、高濃度有機廢水，尤其適合于處置煤化工、石油化工、醫(yī)藥、印染、造紙等企業(yè)產生的有機廢液、廢固，通過氣化轉化生成的一氧化碳、氫氣，可生產合成氨、醇類、油品、代用天然氣等產品。針對不同原料特點，開發(fā)出多種工藝技術，特別是熱值高或不易制漿的廢液，通過調變改性形成均質流體直接進入氣化爐。制漿廢液中如含有親水性表面活性物質，不但對制漿有促進作用，還可節(jié)省制漿添加劑用量。
該技術投資少、建設周期短，經濟效益顯著，特別適合工業(yè)園區(qū)產生的有機廢棄物的集中處置和資源化再利用，氣化產生的有效氣又可供給園內企業(yè)使用，在園區(qū)內實現閉環(huán)運行，推動循環(huán)綠色發(fā)展。以處理有機廢液20噸/時為例，按常規(guī)處置成本1800元/噸計算，每年處理費用高達2.88億元。采用該技術建設一套10萬標準立方米/時有效氣裝置僅需投資約3.5億元，較常規(guī)煤制氣裝置年可節(jié)約原煤13.9萬噸、水8萬噸、氧氣1500萬標準立方米，僅節(jié)省原料費用達7500萬元/年，當年即可收回全部投資，經濟效益顯著。
西北院的成功實踐引起業(yè)內高度關注。2017年2月中旬，中國石油和化學工業(yè)聯合會會長李壽生到西北院考察調研，對煤氣化技術與有機廢液、廢固資源化利用結合的創(chuàng)舉予以高度評價，認為該技術可帶動傳統產業(yè)轉型升級，希望加快工業(yè)應用，推動行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。
2018年1月，“水煤漿氣化爐協同處置固體廢物技術”被列入《國家先進污染防治技術目錄(固體廢物處理處置領域)》。同年11月，西北院被石化聯合會、中國化工環(huán)保協會認定為“高濃度有機廢液氣化處置及資源化工程中心”依托單位。
工程實踐一鳴驚人
2001年，多元料漿氣化技術在豐登化工(蘭溪化肥廠)首次實現工業(yè)化應用，讓這家當時舉步維艱的氮肥企業(yè)起死回生。
在與西北院多年的合作過程中，豐登化工嘗到了有機廢水、廢液(廢固)資源化利用的甜頭，也看到了巨大商機，于是把目光鎖定在以有機廢液、廢固資源化利用為核心技術的“化工+環(huán)?！碑a業(yè)上。此后，西北院為豐登化工提供了持續(xù)不斷的技術“輸氧”，逐步拓展廢棄物使用范圍，推動其迅速成長為技術先進、產業(yè)前衛(wèi)、經濟效益豐盈的化工“小巨人”。西北院與豐登公司的合作，成為業(yè)內研企合作、創(chuàng)新助企的典范。
2014年，豐登化工采用西北院多通道噴嘴氣化工藝技術對3.5萬噸合成氨/年氣化裝置進行改造，成功實現有機廢液/廢固無害化、資源化工業(yè)應用。該項目主要原料來自周邊化工、造紙、醫(yī)藥、皮革、印染等企業(yè)產生的有機廢水及廢固，僅需少部分外購原料煤，原料成本低廉，轉化為化工產品的同時，收取部分“三廢”處置費，利潤可觀。項目實施后第一年，僅處理高濃度有機廢液和有機廢水、廢固就新增利潤約3200萬元。
2017年4月，由西北院氣化技術許可+總承包的紹興化工高濃度廢液資源化、無害化處理裝置一次投料成功。該裝置利用來自制藥、腈綸廠的有機廢水、廢固生產合成氨，每年可創(chuàng)造利潤近億元。這是西北院由單純的技術許可向工程總包的首次成功轉型。
同年，中國環(huán)境科學學會在北京召開鑒定會，對西北院與豐登化工共同完成的“水煤漿氣化及高溫熔融協同處置廢物關鍵技術與工程示范”成果進行評審。專家組認為，該項目在水煤漿氣化工藝的基礎上，通過開發(fā)具有自主知識產權的關鍵技術及裝備，首次實現了不同性狀的危險廢物無害化處置與資源化利用，并成功應用于工程實踐，研究成果整體達到國際先進水平，對有機類廢物處置和利用具有很好的推廣價值。
這項廢棄物協同處置技術一時走紅，國內相關企業(yè)紛紛慕名而至。中化集團、中國節(jié)能環(huán)保集團、中國化學生態(tài)環(huán)境公司等央企到訪西北院考察交流。國內知名環(huán)保企業(yè)也紛紛與西北院探討合作模式。
位于陜西榆林的某化工企業(yè)，由于焦化裝置副產的焦末無法找到合適利用途徑，被迫長期低負荷運行，企業(yè)效益陷入低谷。該企業(yè)采用西北院技術對年產30萬噸合成氨裝置實施有機廢水、半焦資源化利用改造，將焦末與甲醇廢水、火炬凝液、變換凝液、焦化廢水摻混制漿，每天處理廢水840噸。2014年投運后，不但解決了焦末有效利用的難題，節(jié)省了大量新鮮水，而且焦化裝置實現滿負荷運行，經濟效益顯著提升，挽救了企業(yè)。
迄今為止，西北院有機廢液(固)資源化利用技術在國內許可轉讓并實現工業(yè)化應用的項目已有7套，涉及煤化工、精細化工、環(huán)保處置等多個領域。
資源利用一脈相承
2016年7月30日，延長榆林能化渣油催化裂解(DCC)重油綜合利用項目一次投料成功，標志著西北院首創(chuàng)的煤—劣質重油共氣化制合成氣技術成功實現工業(yè)化應用，西北院再一次成為“吃螃蟹者”。
此前，國內外尚無煤與劣質重油共氣化的工業(yè)嘗試。為高效利用榆林能化DCC裝置副產的裂解重油，西北院研發(fā)團隊融匯有機廢液(固)資源化利用技術原理，結合DCC裝置運行情況，創(chuàng)新提出了重油—煤漿共氣化技術方案。研發(fā)團隊通過爭分奪秒地艱辛付出，僅用9個月就攻克諸多技術難題，研發(fā)成功煤—劣質重油共氣化四通道噴嘴制合成氣工藝技術。
科技創(chuàng)新永無止境。煤炭具有碳多氫少的特點，如果與氫多碳少的氣態(tài)烴資源共同氣化制化工合成原料氣，將實現碳氫互補和高效利用、能量耦合，促進實現“雙碳”戰(zhàn)略目標。
結合延長石油集團擁有油、氣、煤等資源稟賦，西北院科研團隊憑著敏銳的洞察力，著手煤與天然氣共氣化理論研究，創(chuàng)造性地提出將水煤漿與天然氣通過多通道噴嘴引入同一氣化爐進行氣化的技術路線。歷經理論研究、模擬計算、核心設備及安全控制技術研發(fā)、模型試驗、放大驗證等系列攻堅，該科研團隊驗證了煤與天然氣共氣化實現能量耦合與元素互補、協同增效的可行性。
煤與天然氣共氣化中試裝置
在延長石油集團的鼎力支持下，西北院在陜西興平建成投煤量1500千克/時、天然氣量750～1500標準立方米/時的煤與天然氣共氣化中試裝置，并于2018年10月完成中試研究。試驗結果表明，原料煤中碳的轉化率超過98%，天然氣有效轉化率大于99%，合成氣中有效氣含量超過92%。與現有工藝路線相比，千立方米有效氣氧耗降低約5%，煤耗降低約2%，天然氣消耗降低約1%，標志著西北院成為國內首家掌握固、液、氣三種原料氣流床共氣化技術的專利技術商，并為廢氣資源化利用提供了可行性方案。
2018年12月，西北院完成年產180萬噸甲醇裝置煤與天然氣共氣化工藝包設計，為工業(yè)化推廣提供了工程化依據。該技術亦可用于天然氣調峰，為上游天然氣行業(yè)穩(wěn)定運行提供技術支撐。
“‘雙碳’目標倒逼行業(yè)綠色轉型，這是依靠科技賦能、用技術手段實現減碳、固碳的重大機遇期。我們憑借煤氣化技術優(yōu)勢，瞄準廢棄物資源化利用這個領域，提出一套‘西北院方案’，用化工技術解決環(huán)保問題，既提高了能源利用效率，直接減少碳排放，還能為企業(yè)創(chuàng)造價值，實現社會、經濟和環(huán)保效益共贏，促進煤化工產業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展?！蔽鞅痹狐h委書記、執(zhí)行董事張勇表示。近年來，西北院依托延長石油集團堅持自主創(chuàng)新，打造原創(chuàng)技術策源地，參與“延長石油秦創(chuàng)原科技創(chuàng)新與成果轉化中心”建設，加快煤氣化技術迭代，開發(fā)了煤—重油共氣化、 煤液化殘渣以及焦末氣化、煤—天然氣共氣化、煤漿提濃和煤氣化細渣提碳等技術，持續(xù)為行業(yè)轉型升級發(fā)揮作用，為實現“雙碳”目標提供技術支撐，貢獻創(chuàng)新力量。
雄關漫道真如鐵，而今邁步從頭越。走過半個多世紀的西北院，正邁向高質量發(fā)展的新征程。
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隨著我國經濟、社會的快速發(fā)展，石油、化工、醫(yī)藥、精細化工等企業(yè)產生的有機廢液、廢渣不斷增加。據粗略統計，我國每年產生難以處理的碳基危險廢棄物近億噸。這些有機廢物成分復雜、化學需氧量濃度高、易揮發(fā)、降解性差、色度高、有毒、易致癌，一直是環(huán)境治理的老大難。
常規(guī)的有機廢液處理技術包括物理法、化學法、物理+化學法或生化法。有機固廢處置方式通常有衛(wèi)生填埋、堆肥法、焚燒。這些方法雖各有優(yōu)勢，發(fā)揮了一定作用，但不同程度存在處理范圍小、周期長、能耗大、處理成本高、可能產生二次污染的局限性，成為制約企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。
在當前“雙碳”戰(zhàn)略新時代背景下，有機廢棄物并不是完全無用的廢料，無害化處置無疑有助于建立減污降碳協同增效機制，推動社會經濟綠色低碳循環(huán)發(fā)展，實現資源高效利用的綠色變革。
西北院研究開發(fā)的有機廢液(固)資源化清潔利用技術，利用有機廢棄物中的碳、氫有效元素，耦合多元料漿高溫熔融氣化、快速激冷的技術特點，構建了有機廢棄物資源化的系統解決方案，達到了污染物消減、資源化清潔利用以及降低化石能源消耗的“一石三鳥”目的，應用前景廣闊，對實現“雙碳”目標意義重大。
來源：中國化工報
