建筑陶瓷行业发生炉煤气站污染防治措施研究

薛知宜　李洪枚　王新春　谭玉菲　苑卫军

摘 要：煤气发生炉技术适应了我国“多煤少气贫油”的能源资源实际，为我国能源安全和工业发展做出了巨大贡献。然而，电解铝、冶金和建筑陶瓷行业作为我国煤气发生炉使用较为集中的行业，煤制气过程造成的环境污染问题引起生态环境管理部门和煤气站设施周边群众的关注。本研究结合资料调研和现场调研，收集了建筑陶瓷行业煤气发生炉信息，分析其产排污环节和造成的主要污染问题，梳理并凝练提出污染防治技术和环境管理措施方面的政策建议，为深入推进陶瓷工业大气污染防治攻坚战提供决策支持，对进一步削减陶瓷工业大气污染物排放、改善大气环境质量具有显著的社会效益与环境效益。

关键词：建筑陶瓷;污染防治;煤气发生炉;煤焦油;VOCs;含酚废水

1 前 言

1985年至2000年间，我国从英国、美国、法国和意大利等国引进了10余套两段式固定床低热值煤气发生炉，因其热效率高于燃煤，选择低热值发生炉煤气作为建筑陶瓷厂热源是较明智的做法[1]。目前，我国建筑陶瓷行业窑炉燃料主要包括发生炉煤气和天然气，以及焦炉煤气、液化气等其他燃料，其中发生炉煤气占全部燃料结构的比例最大，高达46%[2]。根据2017年行业初步调查结果，全国1366家建筑陶瓷生产企业中有838家企业使用煤气发生炉[3]，约有近2000条陶瓷生产线采用发生炉煤气为燃料。按照一般情況下每条生产线装备一套煤气发生炉推算，则全国共有约2000套煤气发生炉，主要分布在广东、江西、河南、广西、辽宁、山东、湖北、湖南和陕西等，其中广东、江西、河南和广西约占总量的50%[4]。从能源安全角度看，煤气发生炉技术在建筑陶瓷行业的应用，适应了我国“多煤少气贫油”的国情。然而，发生炉煤气站产生含酚废水和煤焦油等污染物，成为使用煤气发生炉的陶瓷产区生态环境部门环境管理的重点之一，也是困扰多个陶瓷产区可持续发展的热点问题。本研究通过资料调研和现场调研的方式收集了建筑陶瓷行业煤气发生炉信息，分析其产排污环节和造成的主要污染问题，以含酚废水、煤焦油和挥发性有机物（VOCs）为重点，梳理出污染防治可行技术和措施，提出污染防治技术和环境管理措施方面的政策建议，为深入推进陶瓷工业大气污染防治攻坚战提供决策支持，对进一步削减陶瓷工业大气污染物排放、改善大气环境质量具有显著的社会效益与环境效益。

2 建筑陶瓷工业煤气生产工艺及主要产污环节

2.1建筑陶瓷工业煤气生产工艺流程

陶瓷企业以煤为原料，饱和空气为气化剂，采用带有干馏段的常压固定床煤气发生炉（简称两段炉）连续制取工业用煤气，按照直径分类。单台煤气发生炉日耗煤量见表1[4]，理论制气效率为3.2 Nm3 /kg煤，根据煤种实际制气效率在2.6～3.55 Nm3 /kg煤。煤气发生炉产生的热、脏煤气（俗称浊煤气），经净化和降温成为冷煤气作为窑炉燃料。冷煤气热值一般可达6300 kJ/Nm3 （1500 kCal/Nm3）。

煤气净化设备包括竖管、旋风除尘器、电气滤清器（湿式电气除尘器、电除焦油器、静电除尘器）、洗涤塔、间接冷却器、除滴器等[5]。制气的工艺流程如下：合格原料煤由提煤系统提升至主厂房储煤仓，再经加煤机加入炉内。煤受到来自气化段煤气的加热干燥和干馏，干馏后半焦状态下的煤炭在气化段与气化剂（空气+水蒸汽）发生反应，气化段生成的煤气分成上段煤气和下段煤气。

下段出口煤气约占总煤气量的60%，其热值相对较低（不低于5440 kJ/m3） [5]，温度较高（约450℃），煤在干馏段低温干馏时间充足，进入气化段的煤已变成半焦，因此生成的气化煤气几乎不含焦油。下段煤气导出通道底部距离煤炭高温反应区较近，煤炭高温热爆产生的煤粉容易被下段煤气裹携上行，因此，下段煤气携带煤粉量相对较大。下段煤气经旋风除尘器除尘后进入强制风冷器，继续除尘并降温，然后进入间接冷却器。

上段出口煤气约占总煤气量的40%，其热值较高（不低于6700kJ/m3） [5]，温度较低（80～120℃）。上段煤气含有大量焦油，该焦油为低温干馏产物，其流动性较好，可采用电捕焦油器捕集，作为燃料或化工原料。上段煤气经电捕焦油器（电除焦油器）除焦后进入间接冷却器。

上段煤气和下段煤气在间接冷却器混合并降温后，进入电捕轻油器（电除轻油器），捕除煤气间接冷却过程中析出的酚水和轻油，净化后的冷煤气（一般不高于35℃[5]）经加压风机后送往窑炉。陶瓷行业发生炉煤气不必进行脱硫处理，窑炉烟气经治理后排放。

陶瓷企业用两段式煤气发生炉生产工艺流程及产排污环节见图1。

2.2主要排污环节和主要污染物排放特征

煤气站主要排污环节是煤气放散管、加煤机、酚水池、焦油池、各类水封和排渣装置等，主要的污染物是挥发性有机物（VOCs）、煤焦油、含酚废水、煤渣、粉尘和噪声，其中大气污染物无组织排放、含酚废水和煤焦油等固体废物产污特征如下：

2.2.1大气污染物无组织排放

大气污染物无组织排放以VOCs、粉尘和放散煤气为主。

（1）VOCs。

VOCs 是PM2.5和O3的共同前体物[6]。陶瓷企业煤气站VOCs主要排放点为焦油系统（焦油池、焦油沟、焦油库、清油池、焦油泵送）、煤气净化设备（竖管、风冷器、电捕焦油器、电捕轻油器及间冷器冲洗循环系统等煤气净化设备）的调节池、沉淀池、冷、热循环水水沟、水泵房、厂区冲洗和煤气管道的排水器水封等。根据GB 37822-2019相关规定，为表征VOCs总体排放情况，陶瓷企业煤气站可采用非甲烷总烃作为污染物控制项目[7]。

（2）粉尘。

煤炭破碎机、筛分机和加煤机是主要的产尘点，配备有袋式除尘器，属于有组织排放。陶瓷企业煤气站的无组织排放粉尘污染，主要来源于储煤场和煤炭卸车、堆取和各输煤倒运操作产生的扬尘，其次是煤灰渣由炉栅驱动从灰盆自动排出后，由于清理不及时或采用下落式清渣操作产生的扬尘。

（3）放散煤气。

放散煤气过程中主要排放点包括煤气放散管和煤气炉加煤机放散。煤气发生炉在烘炉、点火送气、热备或停炉过程中煤气（烟气）放散会产生相应的污染，烘炉、点火送气、热备或停炉过程产生的烟气一般未进行有效处理。在正常生产过程中，加煤过程会造成煤气放散，放散量与单位时间内的加煤次数、煤的含碳量和发生炉的产气量有关[8]。放散煤气主要成分为CO、N2和H2。

2.2.2含酚废水

煤气站的含酚污水来源于冷却及净化煤气过程中的洗涤水和含酚冷凝水，

主要由酚类、油类、悬浮物等组成，其中酚类以一元酚为主，以苯酚含量最高，其次还有间对甲苯酚。主要污染物是化学需氧量（COD）、挥发酚、油类和悬浮物等，含酚废水呈碱性，pH值一般在7～8.5之间[9]，主要与气化用煤品种含氮量有关，陶瓷厂采用的烟煤中的氮在热解过程中会转化为NH3混于煤气中，在煤气冷却过程中NH3溶于酚水，造成酚水呈碱性。上段煤气冷凝水含酚量约为8500～10000mg/L，下段煤气洗涤水含酚量10mg/L [10]。酚水产量与煤气产量、煤的水分等相关，一般每生产10000Nm3煤气可产生酚水100～250kg，或每吨原煤产生8%～12%。环境温度影响酚水产生量，环境温度降低，煤气冷凝作用增大，酚水产量提高，因而，酚水产量冬季高于夏季，北方高于南方。按照建筑陶瓷行業使用2500万吨制气用煤计算，全行业含酚废水年产生量至少250万立方米。

现场调研发现，陶瓷企业煤气净化装置及场站上部空间普遍无防雨设施，雨季会造成较为严重的雨污混流，当酚水池储存能力不够时，会造成含酚废水外溢风险。

2.2.3 煤焦油

煤气净化和降温过程中煤气中的煤焦油冷凝析出，上段煤气中的煤焦油主要通过电捕焦油器析出，上段煤气和下段煤气混合后经电捕轻油器进一步析出轻质焦油，煤焦油和轻质焦油一般分开储存。此外，少量煤焦油还会沉降在水封水槽中。根据《国家危险废物名录》，煤焦油属于危险废物（代码HW11-450-003-11）。焦油的产率仅与发生炉炉型结构和入炉煤的性质，如挥发份、H/C、氧含量、粘结性及矿物质的性质和含量等相关[11]。陶瓷厂煤气发生炉焦油产生量一般为用煤量的3%～7%，中位值约为4%～5%。按照建筑陶瓷行业使用2500万吨制气用煤计算，全行业煤焦油年产生量至少100万吨。

2.2.4 其他固体废物

除煤焦油外，煤气站产生的其他固体废物主要有煤气发生炉灰渣、各类煤气水封沉积物和含酚废水池污泥。煤炭气化后从煤气发生炉排出的灰渣量与煤炭灰分和煤炭气化程度有关。煤气净化和降温等装置的煤气水封水沉积物主要是煤泥和粉煤灰的混合物，其次还有少量煤焦油，其中，旋风除尘器水封中主要是轻质焦粉，产生量每炉、每班约30～40kg，其他水封沉积物中煤泥占比稍多。此外，酚水池沉淀物含有煤焦油、煤粉和酚类物质等，属于危险废物。

2.2.5 小结

根据现场调研[4]，含酚废水、煤焦油等产量范围见表2，以及采用发生炉煤气的窑炉烟气中SO2和NOx初始排放浓度常见范围。

3 主要环境问题和污染防治技术

3.1存在的主要环境问题

根据2019年对19家采用发生炉煤气的陶瓷企业的现场调研，陶瓷企业目前主要存在四大类12小类环境问题（见表3）[4]。

（1）煤气发生炉煤焦油的利用

困扰陶瓷厂发生炉煤气站环境治理的突出问题是煤焦油的利用，目前国家和地方尚未有厂内利用规程出台，造成各地管控尺度不一，有的地区一律按照危废对待，本厂不得利用，而有的地区则允许陶瓷厂内作为燃料使用。生态环境部发布的《国家危险废物名录（修订稿）》（征求意见稿）中并未涉及豁免作为燃料使用的煤焦油。

（2）含酚废水处置

陶瓷企业处置含酚废水的主要途径是配置水煤浆，水煤浆作为热风炉燃料燃烧过程中，在温度超过1100℃条件下焚毁去除含酚废水中的有害成分。在冬季、秋冬季和冬春过渡季季节，企业还采用以下方式处置多余的含酚废水，一是作为球磨机补充水或链排炉煤粉润湿水，后续工艺中水分被蒸发排空，二是利用煤气发生炉下段煤气余热（温度450～500℃）将酚水蒸发、汽化后通过烟囱高空排放。将含酚废水加热后蒸发排放的方法，不能有效分解含酚废水中的有害有机物物质。此外，停产后的水封水变废水，该废水含酚等有机物，普遍没有处置，主要靠自然蒸发得以消减。

（3）大气污染物无组织排放

煤气站大气污染物无组织排放管控整体上存在不足，厂区普遍存在明显的含酚废水和焦油挥发的异味。此外，加煤、点火和停炉过程中造成的煤气放散，从目前调研结果看，尚无可用治理措施。

（4）酚水池和水封沉积物

酚水池和水封水沉积物含有酚类等物质，存在环境风险。目前，水封水沉积物处于管理的灰色地带，需进一步明确是否按照危废进行管理。目前有的企业把煤气水封沉淀物与煤气发生炉灰渣混合堆放，按照一般固废进行利用，存在环境风险。

3.2 污染物排放要求

目前发生炉煤气站执行的国家大气污染物排放标准主要包括《陶瓷工业污染排放标准》（GB 25464）、《大气污染物综合排放标准》（GB 16297）和《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822）。因各地生态环境部门均要求建筑陶瓷厂生产废水零排放，因而煤气站环境管理不涉及废水排放标准。

煤气作为窑炉燃料燃烧后产生的烟气经窑炉烟气污染处理设施治理后排放，窑炉烟气污染物排放应满足《陶瓷工业污染排放标准》（GB 25464-2010及其修改单）的要求。陶瓷企业生产废水总排放口和车间或生产设施废水排放口水污染排放应满足GB 25464。然而，GB 25464并未对陶瓷企业煤气站污染排放做专门规定，废水污染物种没有涵盖含酚废水，废气污染物种类未涉及VOCs和煤气放散，对除窑炉和喷雾干燥塔之外设施的颗粒物排放仅有厂界无组织排放要求。

煤气站VOCs无组织排放应满足《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822-2019）要求，地方生态环境主管部门可根据当地环境管理需要，对厂区内VOCs无组织排放状况进行监控，监测项目为非甲烷总烃（NMHC），在厂房外设置监控点，监控点处1h平均浓度值和任意一次浓度值的排放限值和特别排放限值均提出要求，详见表4。GB 37822-2019還规定，企业边界及周边VOCs监控要求执行GB 16297《大气污染物综合排放标准》，GB 16297还规定了颗粒物排气速率，该标准目前有效版本是1996年，正在修订中。调研显示，未有企业提供VOCs监测数据。

煤气站产生的煤焦油等危险固体废物和煤灰煤渣等一般固体废物管理应满足国家关于危废或一般固废相关要求。在危险固体废物方面，各地生态环境部门均把煤气站的煤焦油、含酚废水底泥列为危险废物，而对煤气水封泥渣是否应纳入危废固体管理则存在很大差异。

3.3 大气污染物无组织排放防治技术

3.3.1 VOCs防治技术

焦油池、酚水池内加装抽气装置是煤气站最有效的VOCs治理技术，通过形成负压，并将含VOCs的气体引入到热风炉或煤气站内助燃鼓风进行燃烧处理（或其它燃烧设备），可有效降低VOCs排放，工艺流程见图2，现场图见图3。

在实践中，有企业尝试把煤焦油池VOCs导入到煤气发生炉做助燃风，但因发生过小闪爆事故，出于保障安全目的，这种方式已经很少采用。

3.3.2 粉尘防治技术

在产尘点设置除尘器、在储煤场设置半封闭围挡和采用喷雾降尘均是常见的粉尘治理方式。煤气发生炉采用湿式排渣，及时清渣和灰渣不落地操作，可有效降低煤渣粉尘无组织排放。另外，在玻璃行业煤气发生炉调研中发现，有玻璃企业把煤气发生炉下部空间封闭，可有效地减少因风吹造成的扬尘[12]。

3.3.3 煤气放散防治技术

煤气站正常生产过程中煤气放散主要发生在加煤机加煤和主管道吹扫操作过程中，各类环节容器的密封口不严会导致煤气放散产生。大部分的企业主要通过以下几种方式和措施减少煤气放散的情况。一是选用倒钟罩式等密闭性好的加煤机，淘汰滚筒式等敞开型加煤机，减少煤灰和煤气逸出。二是精细化管理，在生产中对设备进行规律性的检查和维护，加强设备运行监测，以便及时发现设备的密封性或性能问题，并及时对密封性变差的零部件进行维护和维修。

3.4 含酚水防治技术

雨污分流是减少含酚废水总量的有效方式，在煤气站搭建雨棚甚至把煤气站封闭在通风良好的车间中的做法，在河北省和山东省等地多家玻璃厂使用[12]，效果良好。在汇集器、主管道、酚水池、焦油池和相关渠道进行密封，对煤气净化站场设置雨棚，将雨水影响降到最低水平，从而减少所需要处理的酚水量。

试验室试验表明[13]，采用内电解—水解酸化—好氧生化—固定化光合细菌生物滤塔工艺，处理煤气发生炉中的含酚废水能够取得较好效果，出水水质指标达到《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中的一级排放标准。淄博市于2006年投资1240万元引进国外生物菌种和工艺流程， 建成日处理能力为550立方米/日的含酚废水处理厂[10]，拟对建陶厂的含酚废水进行集中处理，主要因工艺复杂、运行成本高等原因无法发挥作用，未在行业内得到推广。

焚烧方式是陶瓷厂普遍采用的含酚废水处置技术。为有效焚毁去除酚水中的有害有机物，GB50195-2013针对含酚废水的治理，要求焚烧温度在1100℃以上。建筑陶瓷企业酚水治理技术主要是制水煤浆，水煤浆在喷雾干燥器热风炉中燃烧，热风炉最高温度一般控制在1100℃以上，从而焚毁含酚废水中的有机物，实现无害化。

此外，作为煤气发生炉汽化剂可有效处置含酚废水[10]。利用浓缩蒸发-炉内焚烧法[14]，将酚水采取有效手段进行处理后，泵入相应的蒸发节点生成酚水蒸汽，与软化水蒸汽一起作为气化剂通入煤气发生炉内，在炉内高温氧化层对酚类物质进行焚烧处置，可以有效处置含酚废水。实践证明，以发生炉水夹套作为蒸发节点，可以完全处置煤气站产生的含酚废水，可作为含酚废水处置的首选技术[15]。

3.5 煤焦油的防治技术

陶瓷厂煤气发生炉焦油产量大，尤其在广东佛山等主要建筑陶瓷产区，有煤焦油处置资质单位的处置能力远不能满足当地陶瓷企业的需要。因此对煤气发生炉焦油渣的处理需要寻找其他有效的回收利用或者是环保处理办法，以求环保和收益并存[16]。陶瓷企业探索出内热风炉内焚烧技术、煤焦油渣筛分和利用等技术。

（1）陶瓷厂内热风炉  焚烧技术

本技术的工艺流程是：贮存于焦油池的焦油经过沉淀过滤，水分达标（12%～15%）后，抽至煤气站焦油罐中加热，原料车间焦油泵开启后，采用齿轮泵将焦油经输送管道泵至原料车间储油罐，再由特制的喷枪喷入喷雾干燥塔的热风炉，点明火进行燃烧，从而实现煤焦油的热值利用。原料车间停焦油泵后，用含酚废水冲洗干净焦油输送管道，最后关闭焦油泵进出口阀门。工艺流程参见图2。从电捕轻、电捕焦工序到焦油池、输送管道都应有伴热，以降低煤焦油粘度，提高煤焦油的可输送性，防凝结堵塞管道，减少管道清理负担。

煤焦油在厂内循环利用，既起到了节约水煤浆、减少能源消耗的作用，又能减少社会处理煤焦油的压力，喷雾干燥塔的烟气经处理后能满足GB25464要求。本技术适用于周边缺少煤焦油专业处置机构的产区，得到佛山市生态环境局认可[17]。

（2）煤焦油渣的筛分利用技术

本技术的工艺流程是：煤焦油先经油水分离器进行静态加热处理，将水份排出回收用于制作水煤浆;对煤焦油进行过筛处理，合格煤焦油供陶瓷釉料熔块厂做燃料使用。过筛后焦油渣投入到煤气发生炉中间煤仓，进入煤气发生炉后经干燥干馏层自上而下移动，随着炉内温度逐步升高，其中焦油由液态转化为气态，随煤气上行并转化为雾态，随上段煤气排出，经电捕焦油器回收。焦油二次焦化后剩余的残渣混同煤块经气化段1000～1200℃燃烧，实现对煤焦油渣的回收无害化处理。该系统采用自动化程序控制，可对废油渣进行定时定量对每台发生炉精准投加。另外，焦油渣车间油水分离器产生的VOCs废气被抽到煤气发生炉炉底，与气化剂一起送入炉内氧化层进行焚烧处置。

3.6 其他固体废物防治技术

煤气发生炉灰渣作为一般固体废物可用于制砖、铺路等常规应用，各类煤气水封沉积物和含酚废水池污泥在陶瓷厂一般用于制作水煤浆，用作喷雾干燥塔热风炉燃料。

3.7小结

根据调研情况看，各地都在探索煤气发生炉污染防治措施，陶瓷厂煤气发生炉七类22项污染防治措施汇总见表5。

4 结论与思考

建筑陶瓷厂煤气生产过程产生的煤焦油、VOCs和含酚廢水等环境污染物对生态环境及社会产生了诸多影响。实践表明，建筑陶瓷厂配备的煤气站环境污染可防、可控。然而，目前为止，我国还缺乏针对陶瓷等工业煤气站生产过程污染防治技术指南，造成各地执法尺度不一，企业莫衷一是。建议生态环境部门对涉及VOCs、含酚废水和煤焦油防治技术进行技术评估，并提出合理、有效、成熟和可靠的系统性和完整性的防治方案，尽快编制煤气发生炉污染防治可行技术指南;同时，采用煤制气的建筑陶瓷企业应加强自律，落实污染防治主体责任，切实提高污染防治能力，整体提高发生炉煤气站污染防治水平，在减少污染排放的同时实现能源安全，满足环境管理要求和实现产业的可持续发展。

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Gasifier Station Pollution Prevention and Control in Ceramic Tile Industry

XUE Zhi-yi1， LI Hong-mei1， WANG Xin-chun2， TAN Yu-fei3， YUAN Wei-jun

（1.Capital University of Economic and Business， School of Engineering Management， Beijing100071， China;

2.Institute of Technical Information for Building Materials Industry， Beijing100024， China;

3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing100012， China）

4.Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co.， Ltd  Tangshan 063000，Hebei. ）

Abstract： Coal gasifier technology has been played an important role of energy security and industrial development for China， whose energy resource structure is typically rich in coalbut poor in oil & gas. However， pollution from gasifier station in such sectors as the electrolytic aluminum， iron & steel and ceramic tile who are mostly dependent on coal gasifier gas， has been drawn concerns from environmental authorities and residents nearby. The research focuses on the ceramic tile sector gasifier station pollution prevention and control. Based on the data collected from filed survey and literature study， pollutants source and types are analyzed， the feasible technologies and measures are screened out， policy suggestions on pollution prevention technology and environmental management measures are also proposed.

Keywords： Gasifier station; Ceramic tile; Pollution prevention and control; Coaltar;VOCs;Phenolic wastewater

作者简介：薛知宜，女，1998生，本科，从事大气污染控制技术研究

通讯作者：王新春，硕士，教授级高级工程师，mailsoft@sohu.com

基金支持：2019年北京高等学校高水平人才交叉培养“实培计划”项目（京教函〔2019〕485号）