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矿山生态修复

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延长石油西北化工研究院:多元料浆气化再创新赋能绿色低碳

       近日,延长石油集团西北化工研究院(以下简称西北院)与陕西陕化煤化工集团有限公司签订废液资源化利用项目合作协议。该项目采用西北院自主开发的新一代多元料浆气化技术,以1,4-丁二醇装置产生的有机废液制取合成气。这是该技术应用于有机废液(固)处置利用的第八个工业化项目。

  没有金刚钻,不揽瓷器活。西北院20世纪60年代末列入煤气化技术“国家队”,近年来顺应国家绿色、低碳发展的战略部署,跨领域转型进军环保行业,将煤气化技术与有机废弃物处置相结合,用化工过程解决环保问题,实现工业有机废弃物高效清洁利用,达到环境与经济效益双赢目标,处于行业低碳绿色可持续发展前列。

 

 

西北化工研究院研发中心大楼

  

 

       原始创新一跃而起

  作为我国最早以煤气化技术为主导研究方向的科研单位,西北院的前身——原化学工业部化肥工业研究所先后承担了国家“六五”“七五”“八五”科技攻关等重大科研项目,打破了大型煤气化技术长期对外依赖的被动局面,奠定了在煤化工技术方面的优势地位。

  55年前,按照国家总体部署,一批胸怀壮志的科技人员从繁华大都市上海来到西安这片古老而又焕发生机的西北热土,以满腔热忱开启了科技创业征程。在原化工部的领导下,他们先后完成大型合成氨配套工艺和催化剂国产化等科研任务。按照国家科技发展规划,他们以敢为人先的进取精神,大胆攻关当时国内尚属空白的气流床煤气化技术。

  历经多年艰苦的基础研究、模型研究、小试及中试探索,1985年,我国首套水煤浆气化中试装置在西北院建成。此后,西北院凭借工业放大技术积淀,利用中试装置承担了国内大型煤化工装置引进煤气化技术煤种试烧的重任,并主持攻克了一系列关键技术难题,有力促进了行业发展。

  20世纪90年代后期,为配合国家能源发展战略,西北院探索气化原料多样化,承担了原中国石化总公司和中国石油天然气公司科研项目,将气化原料拓展到石油焦、石油沥青等其他含碳物质;随后又承担科技部专项“多元料浆新型气化技术开发研究”。2001年,随着浙江兰溪化肥厂年产3万吨合成氨装置点火运行,西北院孕育了多年的多元料浆新型气化技术终于“破茧而出”,实现了工业化应用。

  2004年6月,“多元料浆新型气化技术开发研究”项目通过中国石油和化学工业协会组织的技术成果鉴定。专家认为该成果形成了具有特色的多元料浆气化技术,生产装置长周期稳定运行,属国内首创,达到国际同类技术先进水平。同年11月,采用这项技术的年产30万吨合成氨国产化装置在山东开车成功。这是我国自主开发的新型煤气化技术首次在大型煤化工项目中应用,实现了几代化工人梦寐以求的湿法气流床气化技术国产化的夙愿。

  彼时,煤化工产业在中国方兴未艾,多元料浆气化技术以其独有的先进性、适用性和成熟稳定性,打破了国外在大型煤气化技术领域的垄断,在煤气化圈内一举成名,成为新建煤化工项目的主流优选技术之一。迄今为止,国内已有50多家企业的150余台气化炉采用多元料浆气化技术,覆盖西北、西南、东北、华北、华东、华中等地,单炉日投煤量从100吨跨越到2500吨。

  协同处置一举多得

  当前,绿色、低碳可持续发展已成为全球共识,国家对生态文明建设的重视程度前所未有,节能减排、低碳绿色成为石油和化工行业高质量发展的“硬核”道理。

  能源化工企业在生产过程中产生大量的有机废水、固废,农药、医药、皮革、精细化工、酿造等企业产生的有机废液、废渣。这些废弃物大多具有易挥发、成分复杂、难以降解、污染环境等特点,采用传统方法处理效率低,成本高、易产生二次污染,且资源未得到有效利用。同时,由于有机废弃物的处置不合理,屡屡引发环境污染事件,企业被推向社会的“风口浪尖”。

  富含碳、氢、氧等有效成分但难以一次成浆的高浓度有机废液和固废,能不能与多元料浆协同气化,用化工过程解决环保问题?善于创新的西北院科研人员向新的领域发起挑战。

  2010年,刚刚进入延长石油集团的西北院再次迎来创新发展良机。作为西北地区首个全球500强企业和国内少有的同时拥有油、气、煤资源的能源化工企业,延长石油在碳氢资源综合利用领域走在世界前列。在延长石油集团的支持下,西北院对多元料浆气化技术进行创新升级,将有机废液(固)处理与多元料浆气化技术有机耦合,成功开发有机废液(固)资源化清洁利用技术,开辟了“化工+环保治理”融合发展的新路径,再次获得业界关注。

  “有机废液、废固改性成均质可泵送流体后,通过专用多通道工艺喷嘴与水煤浆一起进入气化炉,在约1350℃的高温、纯氧作用下,有机物分子被完全分解,转化为以一氧化碳、氢气为主的化工合成原料气,有机物转化率高达99.99%。未转化的组分经高温熔融后快速激冷,形成玻璃态无害化废渣,实现废液(固)中碳氢有用组分的资源再利用。”西北院副总工程师韦孙昌谈起技术原理时娓娓道来。

  他说,有机废液(固)与水煤浆通过元素和能量互补,原料有效利用率更高。与单纯的水煤浆气化相比,合成气中的一氧化碳、氢气含量提高2~4个百分点,减少原料煤10%~50%、制浆用水50%~100%,节约了常规化石能源和水资源,不但有效解决了废液、废固处理难题,而且废液(固)经高温反应、快速激冷后无氮氧化合物、二氧化硫、颗粒物等二次污染物产生,生产过程清洁环保,消除了企业环保压力,增加了经济效益。

 

 

2020年12月,有机固废高效气化及产品深度利用技术与装备国家重点研发计划项目负责人参观凤登环保装置模型

 

 

     据介绍,该技术可“通吃”各种工业尾油、有机废溶剂、炼油残渣、高浓度有机废水,尤其适合于处置煤化工、石油化工、医药、印染、造纸等企业产生的有机废液、废固,通过气化转化生成的一氧化碳、氢气,可生产合成氨、醇类、油品、代用天然气等产品。针对不同原料特点,开发出多种工艺技术,特别是热值高或不易制浆的废液,通过调变改性形成均质流体直接进入气化炉。制浆废液中如含有亲水性表面活性物质,不但对制浆有促进作用,还可节省制浆添加剂用量。

  该技术投资少、建设周期短,经济效益显著,特别适合工业园区产生的有机废弃物的集中处置和资源化再利用,气化产生的有效气又可供给园内企业使用,在园区内实现闭环运行,推动循环绿色发展。以处理有机废液20吨/时为例,按常规处置成本1800元/吨计算,每年处理费用高达2.88亿元。采用该技术建设一套10万标准立方米/时有效气装置仅需投资约3.5亿元,较常规煤制气装置年可节约原煤13.9万吨、水8万吨、氧气1500万标准立方米,仅节省原料费用达7500万元/年,当年即可收回全部投资,经济效益显著。

  西北院的成功实践引起业内高度关注。2017年2月中旬,中国石油和化学工业联合会会长李寿生到西北院考察调研,对煤气化技术与有机废液、废固资源化利用结合的创举予以高度评价,认为该技术可带动传统产业转型升级,希望加快工业应用,推动行业绿色可持续发展。

  2018年1月,“水煤浆气化炉协同处置固体废物技术”被列入《国家先进污染防治技术目录(固体废物处理处置领域)》。同年11月,西北院被石化联合会、中国化工环保协会认定为“高浓度有机废液气化处置及资源化工程中心”依托单位。

  工程实践一鸣惊人

  2001年,多元料浆气化技术在丰登化工(兰溪化肥厂)首次实现工业化应用,让这家当时举步维艰的氮肥企业起死回生。

  在与西北院多年的合作过程中,丰登化工尝到了有机废水、废液(废固)资源化利用的甜头,也看到了巨大商机,于是把目光锁定在以有机废液、废固资源化利用为核心技术的“化工+环保”产业上。此后,西北院为丰登化工提供了持续不断的技术“输氧”,逐步拓展废弃物使用范围,推动其迅速成长为技术先进、产业前卫、经济效益丰盈的化工“小巨人”。西北院与丰登公司的合作,成为业内研企合作、创新助企的典范。

  2014年,丰登化工采用西北院多通道喷嘴气化工艺技术对3.5万吨合成氨/年气化装置进行改造,成功实现有机废液/废固无害化、资源化工业应用。该项目主要原料来自周边化工、造纸、医药、皮革、印染等企业产生的有机废水及废固,仅需少部分外购原料煤,原料成本低廉,转化为化工产品的同时,收取部分“三废”处置费,利润可观。项目实施后第一年,仅处理高浓度有机废液和有机废水、废固就新增利润约3200万元。

 

 

煤与天然气共气化中试装置

 

 

  2017年4月,由西北院气化技术许可+总承包的绍兴化工高浓度废液资源化、无害化处理装置一次投料成功。该装置利用来自制药、腈纶厂的有机废水、废固生产合成氨,每年可创造利润近亿元。这是西北院由单纯的技术许可向工程总包的首次成功转型。

  同年,中国环境科学学会在北京召开鉴定会,对西北院与丰登化工共同完成的“水煤浆气化及高温熔融协同处置废物关键技术与工程示范”成果进行评审。专家组认为,该项目在水煤浆气化工艺的基础上,通过开发具有自主知识产权的关键技术及装备,首次实现了不同性状的危险废物无害化处置与资源化利用,并成功应用于工程实践,研究成果整体达到国际先进水平,对有机类废物处置和利用具有很好的推广价值。

  这项废弃物协同处置技术一时走红,国内相关企业纷纷慕名而至。中化集团、中国节能环保集团、中国化学生态环境公司等央企到访西北院考察交流。国内知名环保企业也纷纷与西北院探讨合作模式。

  位于陕西榆林的某化工企业,由于焦化装置副产的焦末无法找到合适利用途径,被迫长期低负荷运行,企业效益陷入低谷。该企业采用西北院技术对年产30万吨合成氨装置实施有机废水、半焦资源化利用改造,将焦末与甲醇废水、火炬凝液、变换凝液、焦化废水掺混制浆,每天处理废水840吨。2014年投运后,不但解决了焦末有效利用的难题,节省了大量新鲜水,而且焦化装置实现满负荷运行,经济效益显著提升,挽救了企业。

  迄今为止,西北院有机废液(固)资源化利用技术在国内许可转让并实现工业化应用的项目已有7套,涉及煤化工、精细化工、环保处置等多个领域。

  资源利用一脉相承

  2016年7月30日,延长榆林能化渣油催化裂解(DCC)重油综合利用项目一次投料成功,标志着西北院首创的煤—劣质重油共气化制合成气技术成功实现工业化应用,西北院再一次成为“吃螃蟹者”。

  此前,国内外尚无煤与劣质重油共气化的工业尝试。为高效利用榆林能化DCC装置副产的裂解重油,西北院研发团队融汇有机废液(固)资源化利用技术原理,结合DCC装置运行情况,创新提出了重油—煤浆共气化技术方案。研发团队通过争分夺秒地艰辛付出,仅用9个月就攻克诸多技术难题,研发成功煤—劣质重油共气化四通道喷嘴制合成气工艺技术。

  科技创新永无止境。煤炭具有碳多氢少的特点,如果与氢多碳少的气态烃资源共同气化制化工合成原料气,将实现碳氢互补和高效利用、能量耦合,促进实现“双碳”战略目标。

  结合延长石油集团拥有油、气、煤等资源禀赋,西北院科研团队凭着敏锐的洞察力,着手煤与天然气共气化理论研究,创造性地提出将水煤浆与天然气通过多通道喷嘴引入同一气化炉进行气化的技术路线。历经理论研究、模拟计算、核心设备及安全控制技术研发、模型试验、放大验证等系列攻坚,该科研团队验证了煤与天然气共气化实现能量耦合与元素互补、协同增效的可行性。

  在延长石油集团的鼎力支持下,西北院在陕西兴平建成投煤量1500千克/时、天然气量750~1500标准立方米/时的煤与天然气共气化中试装置,并于2018年10月完成中试研究。试验结果表明,原料煤中碳的转化率超过98%,天然气有效转化率大于99%,合成气中有效气含量超过92%。与现有工艺路线相比,千立方米有效气氧耗降低约5%,煤耗降低约2%,天然气消耗降低约1%,标志着西北院成为国内首家掌握固、液、气三种原料气流床共气化技术的专利技术商,并为废气资源化利用提供了可行性方案。

  2018年12月,西北院完成年产180万吨甲醇装置煤与天然气共气化工艺包设计,为工业化推广提供了工程化依据。该技术亦可用于天然气调峰,为上游天然气行业稳定运行提供技术支撑。

  “‘双碳’目标倒逼行业绿色转型,这是依靠科技赋能、用技术手段实现减碳、固碳的重大机遇期。我们凭借煤气化技术优势,瞄准废弃物资源化利用这个领域,提出一套‘西北院方案’,用化工技术解决环保问题,既提高了能源利用效率,直接减少碳排放,还能为企业创造价值,实现社会、经济和环保效益共赢,促进煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展。”西北院党委书记、执行董事张勇表示。近年来,西北院依托延长石油集团坚持自主创新,打造原创技术策源地,参与“延长石油秦创原科技创新与成果转化中心”建设,加快煤气化技术迭代,开发了煤—重油共气化、煤液化残渣以及焦末气化、煤—天然气共气化、煤浆提浓和煤气化细渣提碳等技术,持续为行业转型升级发挥作用,为实现“双碳”目标提供技术支撑,贡献创新力量。

  雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。走过半个多世纪的西北院,正迈向高质量发展的新征程。

  链 接

  随着我国经济、社会的快速发展,石油、化工、医药、精细化工等企业产生的有机废液、废渣不断增加。据粗略统计,我国每年产生难以处理的碳基危险废弃物近亿吨。这些有机废物成分复杂、化学需氧量浓度高、易挥发、降解性差、色度高、有毒、易致癌,一直是环境治理的老大难。

  常规的有机废液处理技术包括物理法、化学法、物理+化学法或生化法。有机固废处置方式通常有卫生填埋、堆肥法、焚烧。这些方法虽各有优势,发挥了一定作用,但不同程度存在处理范围小、周期长、能耗大、处理成本高、可能产生二次污染的局限性,成为制约企业可持续发展的瓶颈。

  在当前“双碳”战略新时代背景下,有机废弃物并不是完全无用的废料,无害化处置无疑有助于建立减污降碳协同增效机制,推动社会经济绿色低碳循环发展,实现资源高效利用的绿色变革。

  西北院研究开发的有机废液(固)资源化清洁利用技术,利用有机废弃物中的碳、氢有效元素,耦合多元料浆高温熔融气化、快速激冷的技术特点,构建了有机废弃物资源化的系统解决方案,达到了污染物消减、资源化清洁利用以及降低化石能源消耗的“一石三鸟”目的,应用前景广阔,对实现“双碳”目标意义重大。

  (图片由企业提供)

 

来源:中国化工报