1. El desarrollo de la industria química del carbón en China
El proceso químico del carbón es el proceso industrial de convertir el carbón en productos gaseosos, líquidos y sólidos o productos semiacabados, y luego procesarlos para obtener productos químicos y energéticos. Incluye la coquización, la gasificación del carbón, la licuefacción del carbón, etc.
La coquización es el método más antiguo y aún hoy el más importante en los diversos procesos químicos del carbón. Su principal finalidad es producir coque metalúrgico, a la vez que se generan subproductos como gas de hulla e hidrocarburos aromáticos como benceno, tolueno, xileno, naftaleno, etc.
La gasificación del carbón también desempeña un papel importante en la industria química del carbón, utilizándose para la producción de gas urbano y diversos gases combustibles (ampliamente utilizados en industrias como la maquinaria y los materiales de construcción). Es una fuente de energía limpia que favorece la mejora del nivel de vida de las personas y la protección del medio ambiente; también se utiliza en la producción de gas de síntesis (como materia prima para la síntesis de amoniaco, metanol, etc.) y es materia prima para la síntesis de diversos productos como los combustibles líquidos.
La licuefacción directa de carbón, también conocida como licuefacción de carbón por hidrogenación a alta presión, puede producir petróleo y productos químicos artificiales. En épocas de escasez de petróleo, los productos de licuefacción de carbón pueden reemplazar al petróleo natural actual.
Las características de la dotación energética de China son "la falta de petróleo y gas, recursos de carbón relativamente abundantes" y precios del carbón relativamente bajos. La industria química del carbón en China se enfrenta a una enorme demanda de mercado y oportunidades de desarrollo.
La nueva industria química del carbón desempeñará un papel importante en la utilización sostenible de la energía en China y es una importante dirección de desarrollo para los próximos 20 años. Esto es de gran importancia para que China reduzca la contaminación ambiental causada por la combustión del carbón, reduzca la dependencia del petróleo importado y garantice la seguridad energética.
La nueva industria química del carbón produce principalmente energía limpia y productos que pueden reemplazar a los petroquímicos, como gas natural, diésel, gasolina, queroseno de aviación, gas licuado de petróleo, materias primas de etileno, materias primas de polipropileno, combustibles alternativos (metanol, dimetiléter), etc. Cuando se combina con tecnologías energéticas y químicas, puede formar una industria emergente de integración química de energía de carbón.
En la actualidad, los nuevos proyectos de producción de carbón químico en China se están desarrollando y floreciendo rápidamente en todas partes. Solo en Xinjiang, hay 14 proyectos de producción de carbón a gas natural en construcción o planificados. Según estadísticas incompletas, la capacidad de producción en construcción y planificada de carbón a olefina en China ha alcanzado los 28 millones de toneladas, carbón a petróleo ha alcanzado los 40 millones de toneladas, carbón a gas natural se ha acercado a los 150 mil millones de metros cúbicos y carbón a etilenglicol ha superado los 5 millones de toneladas. Una vez que se completen todos estos proyectos, China se convertirá en el mayor productor mundial de nueva industria química de carbón.
2. La importancia del vertido cero de aguas residuales químicas del carbón
2.1 Conservación del agua
La nueva industria química del carbón consume una enorme cantidad de agua. En los proyectos de gran escala de química del carbón, el consumo de agua por tonelada de producto supera las diez toneladas y el consumo anual de agua suele ser de decenas de millones de metros cúbicos. El rápido desarrollo de la industria química del carbón ha provocado un desequilibrio entre la oferta y la demanda de recursos hídricos regionales. Los recursos de carbón de China se concentran principalmente en el norte y el noroeste, donde los recursos hídricos son muy escasos. En la actualidad, han surgido disputas por los derechos de agua en estas áreas. Si esta situación continúa desarrollándose, afectará el desarrollo normal de la industria y la agricultura locales, y también traerá consigo muchos problemas sociales.
La descarga cero de aguas residuales químicas del carbón y la máxima reutilización de aguas residuales pueden ahorrar recursos hídricos y aliviar la grave escasez de recursos hídricos.
2.2 Protección del medio ambiente ecológico y prevención de la contaminación del agua y de las aguas subterráneas
Las empresas químicas del carbón consumen una gran cantidad de agua, y las aguas residuales que vierten provienen principalmente de procesos como la coquización del carbón, la purificación de gases y el reciclaje y refinación de productos químicos. Este tipo de aguas residuales tiene un gran volumen y una calidad de agua compleja, y contiene una gran cantidad de contaminantes orgánicos como fenoles, azufre y amoníaco, así como contaminantes tóxicos como bifenilo, piridina indol y quinolina, que son altamente tóxicos. En áreas con abundantes recursos de carbón, como la región de Yili en Xinjiang, Ningxia, Mongolia Interior y otras bases químicas del carbón, la implementación de emisiones cero puede proteger eficazmente el medio ambiente ecológico y evitar la contaminación del agua y las aguas subterráneas.
2.3 Importancia de las emisiones cero
El término "cero emisiones" hace referencia al tratamiento de las aguas residuales de producción, las aguas residuales y las aguas residuales limpias generadas durante la industria química del carbón, todas las cuales se reutilizan sin verter las aguas residuales al mundo exterior, lo que se conoce como "cero emisiones". Para los proyectos químicos del carbón que se están construyendo o planeando en la región noroeste, las "cero emisiones" son particularmente importantes, ya que no solo resuelven algunos problemas de recursos hídricos, sino que también no causan contaminación ni daños al medio ambiente y la ecología locales.
3. Características de las aguas residuales de la gasificación del carbón
Origen y características de las aguas residuales de la gasificación: durante la gasificación del carbón, parte del nitrógeno, azufre, cloro y metales contenidos en el carbón se convierten parcialmente en amoníaco, cianuro y compuestos metálicos durante la gasificación; el monóxido de carbono reacciona con el vapor de agua para producir una pequeña cantidad de ácido fórmico, que luego reacciona con el amoníaco para producir ácido fórmico amoníaco. La mayoría de estas sustancias nocivas se disuelven en el agua de lavado, el agua de lavado de gases, el agua separada después de la separación de vapor y el drenaje del tanque durante el proceso de gasificación, y algunas se ventilan durante la limpieza de las tuberías del equipo.
En la actualidad, existen tres tipos principales de tecnología de gasificación de carbón: lecho fijo, lecho fluidizado y lecho fluidizado. En cuanto a los tipos de hornos, existen varios tipos, como hornos de gasificación de intervalo de lecho fijo, hornos de fusión de cenizas, hornos Texaco y hornos Ende. La calidad del agua de drenaje de los procesos de gasificación de lecho fijo, lecho fluidizado y lecho fluidizado se muestra en la siguiente tabla:
4. Tecnología de tratamiento de aguas residuales por gasificación de carbón
4.1 Calidad del agua de las aguas residuales de la gasificación del carbón después de la recuperación del fenol amoniaco
Las aguas residuales generadas por los tres procesos de gasificación tienen un alto contenido de amoniaco; El contenido de fenol producido por el proceso de lecho fijo es alto, mientras que los otros dos son relativamente bajos; El proceso de lecho fijo tiene un alto contenido de alquitrán, mientras que los otros dos tienen un contenido de alquitrán más bajo; Los compuestos de ácido fórmico producidos en el proceso del horno de flujo de gas son relativamente altos, mientras que los otros dos procesos no producen mucho; El cianuro se produce en los tres procesos; El proceso de lecho fijo produce el contaminante orgánico más DQO y causa la contaminación más severa, mientras que los otros dos procesos tienen menos contaminación.
Las aguas residuales de los tres procesos mencionados anteriormente no pueden someterse directamente a un tratamiento bioquímico sin un pretratamiento, especialmente con un alto contenido de amoníaco y un alto contenido de fenol en el horno Lurgi.
Para las aguas residuales del horno Lurgi, se requiere un dispositivo de recuperación de fenol amoniaco para el pretratamiento y la recuperación; las aguas residuales de gasificación de los procesos de lecho fluidizado y lecho fluidizado requieren un pretratamiento de recuperación de amoniaco. La calidad del agua de cada agua residual después del pretratamiento es la siguiente:
4.2 Proceso de tratamiento bioquímico de aguas residuales de gasificación de carbón (proceso de lecho fijo)
La concentración de CODcr en las aguas residuales de gasificación del proceso de lecho fijo es alta, pertenece a las aguas residuales orgánicas y contiene una gran cantidad de nitrógeno amoniaco y fenol. Tiene una determinada cromaticidad y las siguientes características:
(1) La concentración de materia orgánica en las aguas residuales es alta, con un valor B/C de aproximadamente 0,33, y se puede utilizar tecnología de tratamiento bioquímico.
(2) Las aguas residuales contienen compuestos orgánicos recalcitrantes, como monofenoles, polifenoles y otras sustancias que contienen anillos de benceno y heterociclos, que tienen cierta toxicidad biológica. Estas sustancias son difíciles de descomponer en ambientes aeróbicos y requieren la apertura de los anillos y su degradación en ambientes anaeróbicos/facultativos.
(3) La concentración de nitrógeno amoniacal en las aguas residuales es alta, lo que dificulta su tratamiento. Por lo tanto, es necesario utilizar procesos de tratamiento con fuertes capacidades de nitrificación y desnitrificación. Tecnología de tratamiento de aguas residuales por gasificación de carbón
(4) Las aguas residuales contienen aceite flotante, aceite disperso, aceite emulsionado y sustancias oleosas disueltas, siendo los principales componentes del aceite disuelto compuestos aromáticos como los fenoles. El aceite emulsionado debe eliminarse mediante flotación por aire, mientras que las sustancias fenólicas solubles deben eliminarse mediante métodos bioquímicos y de adsorción.
(5) Debido a que las aguas residuales contienen sustancias inhibidoras tóxicas como fenoles, polifenoles y nitrógeno amoniacal, es necesario mejorar la capacidad antitoxicológica de los microorganismos mediante la domesticación y seleccionar procesos apropiados para mejorar la resistencia al impacto del sistema.
(6) El impacto de la descarga anormal de aguas residuales, cuando hay problemas en el proceso de producción, puede provocar la descarga de una alta concentración de contaminantes en aguas residuales anormales, que no pueden ingresar directamente al sistema de tratamiento bioquímico y requieren medidas como la regulación de accidentes.
(7) Las aguas residuales tienen una alta cromaticidad y contienen algunas sustancias con grupos desarrolladores de color.
Por lo tanto, para garantizar la calidad del efluente del tratamiento de aguas residuales de proceso, se selecciona un proceso de tratamiento bioquímico con el enfoque principal en la eliminación de DQOcr, DBO5, nitrógeno amoniacal, etc. (considerando principalmente la nitrificación y la desnitrificación) para las aguas residuales de proceso, se selecciona un proceso de pretratamiento con el objetivo principal de eliminación de aceite y decoloración, y se selecciona un proceso de mejora del postratamiento con el enfoque principal en el tratamiento físico-químico. El proceso adoptado es el siguiente:
4.3 Proceso de tratamiento bioquímico de aguas residuales de gasificación (lecho fluidizado y lecho fluidizado)
Las aguas residuales generadas por los procesos de lecho fluidizado y lecho fluidizado tienen una baja DQO y buenas propiedades bioquímicas (especialmente las aguas residuales generadas por los procesos de lecho fluidizado). La característica principal de estas aguas residuales es el alto contenido de nitrógeno amoniaco, y se deben seleccionar procesos de tratamiento con buenos efectos de nitrificación y desnitrificación.
Sin embargo, el tratamiento bioquímico sólo elimina contaminantes orgánicos, aceite, amoníaco, fenoles, cianuros, etc. de las aguas residuales y no puede eliminar las sales de las aguas residuales.
5、Vertido cero de aguas residuales de la gasificación del carbón
5.1 Clasificación del drenaje químico del carbón
El drenaje de la industria química del carbón en la producción incluye: aguas residuales de producción, aguas residuales domésticas, aguas residuales limpias, agua de lluvia inicial, etc. Las principales aguas residuales de producción son las aguas residuales de gasificación; Las aguas residuales limpias provienen principalmente de la descarga de agua circulante y agua salada concentrada descargada de las estaciones de desalinización; El agua de lluvia inicial se recoge principalmente en los primeros diez minutos de las zonas contaminadas.
Las mayores cantidades de agua en los desagües mencionados anteriormente son aguas residuales limpias y aguas residuales de producción. En general, se considera que las aguas residuales limpias se recogen por separado de las aguas residuales de producción, aguas residuales domésticas, aguas pluviales iniciales, etc., que se dividen en dos categorías: aguas limpias y aguas residuales.
5.2 Reutilización de aguas residuales
El proceso de producción de productos químicos de carbón requiere una gran cantidad de agua circulante y la escala de la estación de agua circulante es generalmente grande, lo que requiere una gran cantidad de agua suplementaria. Cuando se considera la reutilización de aguas residuales limpias y efluentes de tratamiento de aguas residuales, generalmente se considera reutilizarlos como agua suplementaria para las estaciones de agua circulante.
Aunque el efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales elimina una gran cantidad de contaminantes orgánicos, amoniaco, fenoles y otras sustancias, su contenido de sal no ha disminuido. El contenido de sal en las aguas residuales limpias y el agua salada concentrada de las estaciones de desalinización es generalmente 4-5 veces mayor que el del agua cruda. Por lo tanto, para reutilizar las aguas residuales, se requiere un tratamiento de desalinización, de lo contrario la sal circulará y se acumulará en el sistema.
5.3 Tipos de procesos de reutilización de agua recuperada
En la actualidad, los procesos de desalinización de agua que se han aplicado en China incluyen la desalinización química (es decir, la desalinización por intercambio iónico), la tecnología de separación por membranas, el tratamiento de agua por desalinización por destilación y los procesos de desalinización que combinan métodos de intercambio iónico y de membrana.
(1) Proceso de desalinización por intercambio iónico
La tecnología de tratamiento de agua por intercambio iónico es bastante madura y adecuada para aplicaciones con bajo contenido de sal en el agua. Sin embargo, al tratar agua con alto contenido de cloruro, sal, dureza, salobre y de mar, esta tecnología tiene las desventajas de consumir una gran cantidad de ácido y álcali durante la regeneración de la resina y contaminar el medio ambiente con el líquido que se descarga.
(2) Proceso de desalinización por membrana
Con el avance de la investigación sobre membranas, la tecnología de separación por membranas se ha desarrollado rápidamente y el campo de uso de las membranas se está volviendo cada vez más amplio. Se ha convertido en una alta tecnología industrializada, con las ventajas de una operación fácil, equipo compacto, entorno de trabajo seguro, ahorro de energía y ahorro de productos químicos. Su principal proceso de separación es la tecnología de ósmosis inversa, y las tecnologías de ultrafiltración y filtración fina se utilizan como procesos de pretratamiento para la ósmosis inversa. Se puede combinar en varios procesos en función de las diferentes calidades del agua cruda.
(3) Proceso de desalinización que combina el método de membrana y el método de intercambio iónico.
El sistema de desalinización compuesto por el método de membrana de ósmosis inversa y el método de intercambio iónico es actualmente un sistema de tratamiento de agua de desalinización ampliamente utilizado. En este sistema, la ósmosis inversa sirve como un sistema de pre-desalinización para el intercambio iónico, eliminando más del 95% de la sal y la gran mayoría de otras impurezas como coloides, materia orgánica, bacterias, etc. del agua cruda; la sal restante en el agua producida por ósmosis inversa se elimina a través de sistemas de intercambio iónico posteriores.
5.4 Selección del proceso de reutilización de aguas residuales
El agua mezclada de las plantas de tratamiento de aguas residuales y las aguas residuales limpias se reutiliza, con un volumen de agua generalmente grande y un bajo contenido de sal entre 1000-3000mg/L. Si se utiliza directamente el método de destilación, requiere una gran cantidad de fuente de calor y desperdicia energía, lo que no es adecuado. Debido a la presencia de ciertos contaminantes orgánicos en las aguas residuales, el uso de resina de intercambio iónico puede obstruir la resina. Además, dado que los requisitos de calidad del agua para el agua reciclada no son altos, el intercambio iónico no es adecuado; Con la mejora de la tecnología de separación de membranas y los procesos de producción de membranas, la vida útil de las membranas aumenta constantemente y el precio de uso disminuye constantemente. El uso de membranas se está volviendo cada vez más popular. Se recomienda priorizar el uso de métodos de membrana dual (ultrafiltración + ósmosis inversa) en el proceso principal de reutilización de aguas residuales, y pretratar las aguas residuales de acuerdo con las diferentes características de la calidad del agua para cumplir con las condiciones para el uso de membranas duales.
5.5 Concentración de membrana de agua salada concentrada
Muchas empresas, tanto nacionales como internacionales, están investigando la reconcentración por membrana del agua salada concentrada producida por el método de doble membrana para alcanzar un contenido de sal de 60.000 a 80.000 mg/L. El objetivo es aumentar al máximo el contenido de sal en las aguas residuales, reducir la escala de los evaporadores posteriores, disminuir la inversión y ahorrar energía.
Los procesos más utilizados a nivel internacional incluyen el proceso de concentración por membrana HERO de Aquatech, el proceso de concentración por membrana de nanofiltración de GE, el proceso de concentración por membrana OPUS de Veolia y el proceso de concentración por membrana vibratoria de Maiwang. El proceso mencionado anteriormente ha logrado éxitos en la concentración de sal en el extranjero. Algunas empresas nacionales también están investigando procesos de concentración por membrana, pero actualmente no hay logros ni ejemplos de ingeniería de su uso.
5.6 Evaporación
Después de alcanzar una concentración de sal de 60000 a 80000 mg/L en agua salina concentrada, se lleva a cabo la evaporación. En países extranjeros, el proceso de evaporación de aguas residuales generalmente adopta la "tecnología de evaporación por recirculación de compresión mecánica de vapor de película descendente", que actualmente es la solución técnica más confiable y efectiva para tratar aguas residuales con alto contenido de sal en el mundo. Cuando se utiliza la tecnología de evaporación por recirculación de compresión mecánica para tratar aguas residuales, la energía térmica necesaria para evaporar las aguas residuales es proporcionada principalmente por la energía térmica liberada o intercambiada durante la condensación de vapor y el enfriamiento del condensado. Durante el funcionamiento, no hay pérdida de calor latente. La única energía consumida durante el funcionamiento es la bomba de agua, el compresor de vapor y el sistema de control que impulsan la circulación y el flujo de aguas residuales, vapor y condensado en el evaporador.
Cuando se utiliza vapor como energía térmica, se requieren 554 kcal de energía térmica para evaporar cada kilogramo de agua. Cuando se utiliza la tecnología de evaporación por compresión mecánica, el consumo típico de energía para tratar una tonelada de aguas residuales salinas es de 20 a 30 kWh de electricidad, lo que significa que solo se necesitan 28 kcal o menos de energía térmica para evaporar un kilogramo de agua. La eficiencia de un solo evaporador de compresión mecánica es teóricamente equivalente a la de un sistema de evaporación de múltiples efectos de 20 efectos. La adopción de la tecnología de evaporación de múltiples efectos puede mejorar la eficiencia, pero aumenta la inversión en equipos y la complejidad operativa. Los evaporadores generalmente pueden aumentar el contenido de sal en las aguas residuales a más del 20%. Por lo general, se envía a un estanque de evaporación para la evaporación natural y la cristalización; Alternativamente, se puede enviar a un cristalizador para la cristalización y el secado en un sólido, y luego enviarlo para su eliminación.
6. Introducción a casos de proyectos domésticos de cero emisiones
Proyecto de carbón a gas natural de 2 mil millones de metros cúbicos de Yili Xintian
Ø Proyecto de fertilizantes Tuke Fase I de carbón intermedio Ordos Energy and Chemical Co., Ltd. con una producción anual de 1 millón de toneladas de amoníaco sintético y 1,75 millones de toneladas de urea
Ø China Power Investment Corporation Yinan 3 × 2 mil millones de Nm3/a Proyecto de carbón a gas natural Fase I Proyecto de 2 mil millones de Nm3/a
Proyecto de licuefacción directa de carbón de Shenhua
Rendimiento de proyectos de cero emisiones
6.1 Proyecto de carbón a gas natural de Yili Xintian Producción anual de 2 mil millones de metros cúbicos (contratación general)
Ø Proceso de gasificación: Tecnología de gasificación de lecho fijo presurizado de carbón triturado (horno Luqi)
Ø Producto del proyecto: Producción anual de 2 mil millones de Nm3 de gas natural
Ø Contenido del sistema de tratamiento de aguas residuales:
Planta de tratamiento de aguas residuales: 1200m3/h
Reutilización de aguas residuales:
① Unidad de reutilización de aguas residuales bioquímicas: 1200 m3/h
② Unidad de reutilización de aguas residuales que contienen sal: 1200 m3/h
③ Unidad de evaporación de efecto múltiple: 300 m3/h
6.2 Proyecto de fertilizantes Tuke (EPC) de carbón mediano Ordos Energy and Chemical Co., Ltd
Ø Proceso de gasificación: Tecnología de gasificación a presión para escoria de carbón triturada (BGL)
Ø Productos del proyecto: 1 millón de toneladas/año de amoniaco sintético y 1,75 millones de toneladas/año de urea
Ø Contenido del sistema de tratamiento de aguas residuales:
Planta de tratamiento de aguas residuales: 360m3/h
Dispositivo de tratamiento de aguas regeneradas: 1200m3/h
Dispositivo de tratamiento de agua salada concentrada: 200m3/h
Tecnología de procesamiento:
Flujo del proceso de tratamiento de aguas residuales
6.3 China Power Investment Corporation Yinan 3 × 2 mil millones de Nm3/a Proyecto de carbón a gas natural Fase I Proyecto de 2 mil millones de Nm3/a (Diseño general + Diseño básico)
Proceso de gasificación: Tecnología de gasificación en lecho fluidizado con oxígeno puro (horno GSP)
Ø Producto del proyecto: Producción anual de 2 mil millones de Nm3 de gas natural
Ø Contenido del sistema de tratamiento de aguas residuales:
Planta de tratamiento de aguas residuales: 280m3/h
Dispositivo de tratamiento de aguas regeneradas: 900m3/h
Dispositivo de tratamiento de agua salada concentrada: 120m 3 /h
Ø Tecnología de procesamiento:
Dispositivo de tratamiento de aguas residuales: pretratamiento + bioquímica secundaria + tratamiento avanzado
Dispositivo de tratamiento de agua regenerada: pretratamiento + ultrafiltración + ósmosis inversa
Dispositivo de tratamiento de agua salada concentrada: concentración de membrana + cristalización por evaporación
6.4 Proyecto de licuefacción directa de carbón de Shenhua (conversión de carbón en petróleo)
Ø Contenido del sistema de tratamiento de aguas residuales:
Sección de tratamiento bioquímico: incluye sistema de aguas residuales aceitosas y sistema de aguas residuales de alta concentración.
Sección de tratamiento de sal: incluye sistema de aguas residuales que contienen sal, sistema de aguas residuales de preparación de catalizador, sistema de tratamiento de concentrado de evaporador
Ø Escala de procesamiento:
Sistema de aguas residuales aceitosas: 204m3/h
Sistema de alcantarillado de alta concentración: 150 m 3 /h
Red de alcantarillado con contenido de sal: 286 m3/h
Sistema de aguas residuales de preparación de catalizador: 103 m3/h
Sistema de tratamiento de agua salada concentrada: evaporador, cristalización, estanque de evaporación con una superficie de unos 12 metros cuadrados.
