近日，延長石油集團(tuán)西北化工研究院(以下簡稱西北院)與陜西陜化煤化工集團(tuán)有限公司簽訂廢液資源化利用項目合作協(xié)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(shù)，以1,4-丁二醇裝置產(chǎn)生的有機(jī)廢液制取合成氣。這是該技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)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(jì)60年代末列入煤氣化技術(shù)“國家隊”，近年來順應(yīng)國家綠色、低碳發(fā)展的戰(zhàn)略部署，跨領(lǐng)域轉(zhuǎn)型進(jìn)軍環(huán)保行業(yè)，將煤氣化技術(shù)與有機(jī)廢棄物處置相結(jié)合，用化工過程解決環(huán)保問題，實現(xiàn)工業(yè)有機(jī)廢棄物高效清潔利用，達(dá)到環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益雙贏目標(biāo)，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(shù)為主導(dǎo)研究方向的科研單位，西北院的前身——原化學(xué)工業(yè)部化肥工業(yè)研究所先后承擔(dān)了國家“六五”“七五”“八五”科技攻關(guān)等重大科研項目，打破了大型煤氣化技術(shù)長期對外依賴的被動局面，奠定了在煤化工技術(shù)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(jī)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(lǐng)導(dǎo)下，他們先后完成大型合成氨配套工藝和催化劑國產(chǎn)化等科研任務(wù)。按照國家科技發(fā)展規(guī)劃，他們以敢為人先的進(jìn)取精神，大膽攻關(guān)當(dāng)時國內(nèi)尚屬空白的氣流床煤氣化技術(shù)。
歷經(jīng)多年艱苦的基礎(chǔ)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(shù)積淀，利用中試裝置承擔(dān)了國內(nèi)大型煤化工裝置引進(jìn)煤氣化技術(shù)煤種試燒的重任，并主持攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，有力促進(jìn)了行業(yè)發(fā)展。
20世紀(jì)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(dān)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(zhì);隨后又承擔(dān)科技部專項“多元料漿新型氣化技術(shù)開發(fā)研究”。2001年，隨著浙江蘭溪化肥廠年產(chǎn)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(shù)終于“破繭而出”，實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。
2004年6月，“多元料漿新型氣化技術(shù)開發(fā)研究”項目通過中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會組織的技術(shù)成果鑒定。專家認(rèn)為該成果形成了具有特色的多元料漿氣化技術(shù)，生產(chǎn)裝置長周期穩(wěn)定運行，屬國內(nèi)首創(chuàng)，達(dá)到國際同類技術(shù)先進(jìn)水平。同年11月，采用這項技術(shù)的年產(chǎn)30萬噸合成氨國產(chǎn)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(shù)首次在大型煤化工項目中應(yīng)用，實現(xiàn)了幾代化工人夢寐以求的濕法氣流床氣化技術(shù)國產(chǎn)化的夙愿。
彼時，煤化工產(chǎn)業(yè)在中國方興未艾，多元料漿氣化技術(shù)以其獨有的先進(jìn)性、適用性和成熟穩(wěn)定性，打破了國外在大型煤氣化技術(shù)領(lǐng)域的壟斷，在煤氣化圈內(nèi)一舉成名，成為新建煤化工項目的主流優(yōu)選技術(shù)之一。迄今為止，國內(nèi)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(shù)，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(xié)同處置一舉多得
當(dāng)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(shè)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(zhì)量發(fā)展的“硬核”道理。
能源化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的有機(jī)廢水、固廢，農(nóng)藥、醫(yī)藥、皮革、精細(xì)化工、釀造等企業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢液、廢渣。這些廢棄物大多具有易揮發(fā)、成分復(fù)雜、難以降解、污染環(huán)境等特點，采用傳統(tǒng)方法處理效率低，成本高、易產(chǎn)生二次污染，且資源未得到有效利用。同時，由于有機(jī)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(fēng)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(jī)廢液和固廢，能不能與多元料漿協(xié)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(lǐng)域發(fā)起挑戰(zhàn)。
2010年，剛剛進(jìn)入延長石油集團(tuán)的西北院再次迎來創(chuàng)新發(fā)展良機(jī)。作為西北地區(qū)首個全球500強(qiáng)企業(yè)和國內(nèi)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?xì)滟Y源綜合利用領(lǐng)域走在世界前列。在延長石油集團(tuán)的支持下，西北院對多元料漿氣化技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新升級，將有機(jī)廢液(固)處理與多元料漿氣化技術(shù)有機(jī)耦合，成功開發(fā)有機(jī)廢液(固)資源化清潔利用技術(shù)，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(guān)注。
“有機(jī)廢液、廢固改性成均質(zhì)可泵送流體后，通過專用多通道工藝噴嘴與水煤漿一起進(jìn)入氣化爐，在約1350℃的高溫、純氧作用下，有機(jī)物分子被完全分解，轉(zhuǎn)化為以一氧化碳、氫氣為主的化工合成原料氣，有機(jī)物轉(zhuǎn)化率高達(dá)99.99%。未轉(zhuǎn)化的組分經(jīng)高溫熔融后快速激冷，形成玻璃態(tài)無害化廢渣，實現(xiàn)廢液(固)中碳?xì)溆杏媒M分的資源再利用?！蔽鞅痹焊笨偣こ處燀f孫昌談起技術(shù)原理時娓娓道來。
他說，有機(jī)廢液(固)與水煤漿通過元素和能量互補(bǔ)，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(jīng)高溫反應(yīng)、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(chǎn)生，生產(chǎn)過程清潔環(huán)保，消除了企業(yè)環(huán)保壓力，增加了經(jīng)濟(jì)效益。
2020年12月，有機(jī)固廢高效氣化及產(chǎn)品深度利用技術(shù)與裝備國家重點研發(fā)計劃項目負(fù)責(zé)人參觀鳳登環(huán)保裝置模型
據(jù)介紹，該技術(shù)可“通吃”各種工業(yè)尾油、有機(jī)廢溶劑、煉油殘渣、高濃度有機(jī)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(chǎn)生的有機(jī)廢液、廢固，通過氣化轉(zhuǎn)化生成的一氧化碳、氫氣，可生產(chǎn)合成氨、醇類、油品、代用天然氣等產(chǎn)品。針對不同原料特點，開發(fā)出多種工藝技術(shù)，特別是熱值高或不易制漿的廢液，通過調(diào)變改性形成均質(zhì)流體直接進(jìn)入氣化爐。制漿廢液中如含有親水性表面活性物質(zhì)，不但對制漿有促進(jìn)作用，還可節(jié)省制漿添加劑用量。
該技術(shù)投資少、建設(shè)周期短，經(jīng)濟(jì)效益顯著，特別適合工業(yè)園區(qū)產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物的集中處置和資源化再利用，氣化產(chǎn)生的有效氣又可供給園內(nèi)企業(yè)使用，在園區(qū)內(nèi)實現(xiàn)閉環(huán)運行，推動循環(huán)綠色發(fā)展。以處理有機(jī)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(dá)2.88億元。采用該技術(shù)建設(shè)一套10萬標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)立方米，僅節(jié)省原料費用達(dá)7500萬元/年，當(dāng)年即可收回全部投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
西北院的成功實踐引起業(yè)內(nèi)高度關(guān)注。2017年2月中旬，中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會會長李壽生到西北院考察調(diào)研，對煤氣化技術(shù)與有機(jī)廢液、廢固資源化利用結(jié)合的創(chuàng)舉予以高度評價，認(rèn)為該技術(shù)可帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，希望加快工業(yè)應(yīng)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(xié)同處置固體廢物技術(shù)”被列入《國家先進(jìn)污染防治技術(shù)目錄(固體廢物處理處置領(lǐng)域)》。同年11月，西北院被石化聯(lián)合會、中國化工環(huán)保協(xié)會認(rèn)定為“高濃度有機(jī)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(shù)在豐登化工(蘭溪化肥廠)首次實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，讓這家當(dāng)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(jī)廢水、廢液(廢固)資源化利用的甜頭，也看到了巨大商機(jī)，于是把目光鎖定在以有機(jī)廢液、廢固資源化利用為核心技術(shù)的“化工+環(huán)保”產(chǎn)業(yè)上。此后，西北院為豐登化工提供了持續(xù)不斷的技術(shù)“輸氧”，逐步拓展廢棄物使用范圍，推動其迅速成長為技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)業(yè)前衛(wèi)、經(jīng)濟(jì)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(nèi)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(shù)對3.5萬噸合成氨/年氣化裝置進(jìn)行改造，成功實現(xiàn)有機(jī)廢液/廢固無害化、資源化工業(yè)應(yīng)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(chǎn)生的有機(jī)廢水及廢固，僅需少部分外購原料煤，原料成本低廉，轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)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(jī)廢液和有機(jī)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(shù)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(jī)廢水、廢固生產(chǎn)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(shù)許可向工程總包的首次成功轉(zhuǎn)型。
同年，中國環(huán)境科學(xué)學(xué)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(xié)同處置廢物關(guān)鍵技術(shù)與工程示范”成果進(jìn)行評審。專家組認(rèn)為，該項目在水煤漿氣化工藝的基礎(chǔ)上，通過開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)及裝備，首次實現(xiàn)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(yīng)用于工程實踐，研究成果整體達(dá)到國際先進(jìn)水平，對有機(jī)類廢物處置和利用具有很好的推廣價值。
這項廢棄物協(xié)同處置技術(shù)一時走紅，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)紛紛慕名而至。中化集團(tuán)、中國節(jié)能環(huán)保集團(tuán)、中國化學(xué)生態(tài)環(huán)境公司等央企到訪西北院考察交流。國內(nèi)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(chǎn)的焦末無法找到合適利用途徑，被迫長期低負(fù)荷運行，企業(yè)效益陷入低谷。該企業(yè)采用西北院技術(shù)對年產(chǎn)30萬噸合成氨裝置實施有機(jī)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(xiàn)滿負(fù)荷運行，經(jīng)濟(jì)效益顯著提升，挽救了企業(yè)。
迄今為止，西北院有機(jī)廢液(固)資源化利用技術(shù)在國內(nèi)許可轉(zhuǎn)讓并實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的項目已有7套，涉及煤化工、精細(xì)化工、環(huán)保處置等多個領(lǐng)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(biāo)志著西北院首創(chuàng)的煤—劣質(zhì)重油共氣化制合成氣技術(shù)成功實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，西北院再一次成為“吃螃蟹者”。
此前，國內(nèi)外尚無煤與劣質(zhì)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(chǎn)的裂解重油，西北院研發(fā)團(tuán)隊融匯有機(jī)廢液(固)資源化利用技術(shù)原理，結(jié)合DCC裝置運行情況，創(chuàng)新提出了重油—煤漿共氣化技術(shù)方案。研發(fā)團(tuán)隊通過爭分奪秒地艱辛付出，僅用9個月就攻克諸多技術(shù)難題，研發(fā)成功煤—劣質(zhì)重油共氣化四通道噴嘴制合成氣工藝技術(shù)。
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(xiàn)碳?xì)浠パa(bǔ)和高效利用、能量耦合，促進(jìn)實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。
結(jié)合延長石油集團(tuán)擁有油、氣、煤等資源稟賦，西北院科研團(tuán)隊?wèi){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(jìn)行氣化的技術(shù)路線。歷經(jīng)理論研究、模擬計算、核心設(shè)備及安全控制技術(shù)研發(fā)、模型試驗、放大驗證等系列攻堅，該科研團(tuán)隊驗證了煤與天然氣共氣化實現(xiàn)能量耦合與元素互補(bǔ)、協(xié)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(tuán)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)果表明，原料煤中碳的轉(zhuǎn)化率超過98%，天然氣有效轉(zhuǎn)化率大于99%，合成氣中有效氣含量超過92%。與現(xiàn)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(biāo)志著西北院成為國內(nèi)首家掌握固、液、氣三種原料氣流床共氣化技術(shù)的專利技術(shù)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(chǎn)180萬噸甲醇裝置煤與天然氣共氣化工藝包設(shè)計，為工業(yè)化推廣提供了工程化依據(jù)。該技術(shù)亦可用于天然氣調(diào)峰，為上游天然氣行業(yè)穩(wěn)定運行提供技術(shù)支撐。
“‘雙碳’目標(biāo)倒逼行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，這是依靠科技賦能、用技術(shù)手段實現(xiàn)減碳、固碳的重大機(jī)遇期。我們憑借煤氣化技術(shù)優(yōu)勢，瞄準(zhǔn)廢棄物資源化利用這個領(lǐng)域，提出一套‘西北院方案’，用化工技術(shù)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(xiàn)社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益共贏，促進(jìn)煤化工產(chǎn)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(tuán)堅持自主創(chuàng)新，打造原創(chuàng)技術(shù)策源地，參與“延長石油秦創(chuàng)原科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化中心”建設(shè)，加快煤氣化技術(shù)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(xì)渣提碳等技術(shù)，持續(xù)為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮作用，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供技術(shù)支撐，貢獻(xiàn)創(chuàng)新力量。
雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。走過半個多世紀(jì)的西北院，正邁向高質(zhì)量發(fā)展的新征程。
鏈接
隨著我國經(jīng)濟(jì)、社會的快速發(fā)展，石油、化工、醫(yī)藥、精細(xì)化工等企業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢液、廢渣不斷增加。據(jù)粗略統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生難以處理的碳基危險廢棄物近億噸。這些有機(jī)廢物成分復(fù)雜、化學(xué)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(jī)廢液處理技術(shù)包括物理法、化學(xué)法、物理+化學(xué)法或生化法。有機(jī)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(chǎn)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(dāng)前“雙碳”戰(zhàn)略新時代背景下，有機(jī)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(xié)同增效機(jī)制，推動社會經(jīng)濟(jì)綠色低碳循環(huán)發(fā)展，實現(xiàn)資源高效利用的綠色變革。
西北院研究開發(fā)的有機(jī)廢液(固)資源化清潔利用技術(shù)，利用有機(jī)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(shù)特點，構(gòu)建了有機(jī)廢棄物資源化的系統(tǒng)解決方案，達(dá)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(yīng)用前景廣闊，對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)意義重大。
來源：中國化工報
