现代煤化工产业示范区三废绿色治理路径

引言

我国于2020年9月提出“碳达峰”与“碳中和”双碳目标。2023年，我国二氧化碳总排放量12.6Gt，位居全球第一，占全球总排放量的33.69%[1]。万元GDP二氧化碳排放量与2022年持平，其中，煤炭、石油、天然气等化石能源的燃烧是碳排放的主要贡献者。因此，针对以煤炭为原料和燃料的现代煤化工产业示范区开展减污降碳绿色治理，挖掘园区内部和园区间的产业共生潜力，加大生产过程中的副产品及废物等的回收利用[2]，不仅有助于尽快实现碳达峰、碳中和目标，同时响应国家提出新质生产力的内在要求。

国 家确定的4个现代煤化工产业示范区为内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林、宁夏宁东、新疆准东，由于新疆准东仍处于产业化发展的初级阶段，因此本文重点关注其他3个示范区。现代煤化工产业示范区作为国家重要的大型煤炭生产基地、“西电东送”火电基地、煤化工产业基地和循环经济园区[3]，在引领煤化工产业转型升级方面发挥着重要作用。随着煤炭、电力、能源化工等重点项目加快推进，固废、废水和废气产生量迅速增大，综合利用率还相对较低，因此如何高效、低碳、绿色的进行三废处理对现代煤化工产业示范区实现绿色低碳循环发展具有重要意义。

本文重点参考3个现代煤化工产业示范区的三废治理情况，梳理了现代煤化工产业示范区固废、废水和废气的治理技术，总结分析三废处理现状和存在问题，将三废处理现状与产业示范区实际情况结合，推荐最佳三废处理与资源化方向，并对三废治理的发展进行了展望。

现代煤化工产业示范区现状

现代煤化工产业示范区三废治理

2023年，宁东能源化工基地开展新一轮园区循环化改造，开工建设全球最大的3Mt碳捕集、利用与封存技术示范工程，成功创建绿色园区，累计创建绿色工厂3家，完成清洁生产审核2家；矿井水综合利用率71.2%、固废综合利用率61%，分别较上年提高19.6个百分点、2个百分点，中水回用率达到100%。

2023年，鄂尔多斯市开展“无废城市”建设，将煤矸石直接在井下用于充填采空区，将采煤、煤矸分选和废物充填三部分结合，构建井下“采、分、充、采”的循环闭合开采体系。基于煤矸石、粉煤灰和气化渣物理化学属性、有价值组分和污染物含量，将全市各主要煤矿、煤化工和电力企业产生固体废物的相关属性录入数据库并定期更新，为固废资源利用企业和科研机构提供可调研、可参考、可分析的基础资料，打开鄂尔多斯市工业固体废物面向全国资源化利用的大门。

榆林市2022年固废产量达64.07Mt，其中煤矸石、粉煤灰、气化渣、炉渣等煤基固废占比76%以上。当前固废综合利用率远低于全省、全国平均水平，大量工业固废以贮存填埋为主，增加了环境管控难度和后续治理成本，工业固废环境监管压力与日俱增。为解决好煤矿疏干水的回收利用，榆林市先后出台《矿井疏干水综合利用意见》和相关规划[4]，按照“政府牵头，企业出资，统一规划，逐步推进”的模式，在榆阳区、神木市建设了5大片区矿井疏干水综合利用工程。2022年，榆林市煤矿开采产生矿井疏干水2.65×108m3，利用量达2.14×108m3，利用率达80.7%。

2.1  现代煤化工产业示范区固废治理

2023年我国粉煤灰产量达到899Mt左右，综合利用率从2015年的76.04%提升至83.09%。从全国范围来看，沿海和南部地区粉煤灰供应不足，北部及西部滞销，尤其是北方地区冬季，建材厂、商混站基本处于停产状态，大量的粉煤灰进行填埋或堆放处理。2023年气化渣的排放量超过33Mt，但综合利用率仅为30%，仍有大量气化渣堆积和填埋。2023年我国煤矸石排放量高达829Mt，其存量累计超过7Gt，是排放量和年增量最大的工业固体废弃物，煤矸石大量堆积，造成严重的土地浪费和环境污染，严重制约煤炭开采及矿山的低碳高值发展。因此如何快速有效消纳以上固废成为企业和当地政府重点工作。

粉煤灰和气化渣的长期自然堆积不仅占用大量土地，还会导致大气、土壤和地下水的污染，危害周边环境。王高科等[5]对宁夏宁东能源化工基地周边燃煤电厂粉煤灰进行理化性质研究，并提出粉煤灰可用于生产水泥和拌制混凝土、塌陷区治理、采空区充填以及贫瘠土地的生态修复，或进行高附加值应用，制备催化剂载体和合成沸石。

宁东能源化工基地以“煤矸石脱碳—烟气脱硫—余热利用—煤矸石陶粒—轻质环保建材”循环经济产业链构建起了煤矸石综合利用发展模式[6]，将粉煤灰、煤矸石、电石渣、脱硫石膏及其他辅料按比例进行搅拌混合、辊压破碎、磨粉筛分后形成水泥生产添加剂，同时利用园区内固废制备新型墙体材料[7]、土壤调理剂、硅酸钙板、矿井填充材料。

针对园区煤炭开采和利用过程中产生的煤矸石、粉煤灰和气化渣等煤基固体废弃物，国内传统的处理技术包括资源化综合利用和填埋处理[8]。其中资源化途径包括煤矸石发电、道路修复材料、造地复垦、制备铝制产品、水泥原料，由于资源化处理过程中投资大、处理工艺复杂、处理成本高、利用率低，导致资源化利用途径受限，加上固废大都处于北方地区导致运输困难。粉煤灰综合利用现状见图1。

石拉乌素煤矿开展煤矸石覆岩离层注浆充填工程，注浆充填能力不断提升，实现矿井矸石零外排。中煤能源研究院为了解决葫芦素煤矿矸石外排难的问题，攻克大垂深大流量矸石投放技术，非密实充填体顶板控制协同高效充填技术和可伸缩自接顶墩柱沿充留巷技术，形成了一套适用于蒙陕地区的深部煤炭资源机械化充填开采体系，充填矸石规模达到1Mt/a。项目实施后实现了地表低伤害、岩层低损伤、资源低损失，取得了良好的社会、经济效益。所以针对榆林、内蒙古和宁东地区，煤基固体废弃物最有效的利用途径为煤矿井下充填和矿区生态修复。

2.2  现代煤化工产业示范区废水治理

煤化工废水处理技术流程主要为酚氨回收、预处理+生化处理、深度处理及高盐水处理[9]。生化处理后的废水中含盐量往往超过1000mg/L，不能回用于循环水等煤化工工艺用水，需将生化处理后的低浓度含盐废水进行深度脱盐处理后才可回用，同时产生浓度更高的高盐水。在国内很多生态环境脆弱的区域，需要通过进一步浓缩、蒸发结晶等工艺才能实现废水水资源的全部回收利用[10-12]。煤化工废水典型处理工艺流程如图2所示。

煤矿外排矿井水由于水量大，煤矿不能完全复用，目前大都采用“井下初处理—一级浓缩—二次浓缩—蒸发结晶分盐”工艺[13-16]对矿井水进行处理，以满足附近电厂和煤化工项目作为循环冷却补充水的水质相关要求或地表Ⅲ类水质标准。矿井水典型处理流程如图3所示。

2.3  现代煤化工产业示范区废气治理

煤化工项目的大气污染源种类较多，排放量较大，排放点较分散，排放的气体成分复杂，难以用单一处理技术进行处理。煤化工项目大气污染物主要包括固体颗粒污染物、NOx、SO2、VOCs、氨气、CO、硫化氢等[17]。

现代煤化工产业示范区内VOCs排放量非常大，而且种类非常复杂，其中有极性的酮、醛、醇和非极性的烷烃等。当前园区内的治理方法主要有膜分离、火炬燃烧、冷凝回收、活性炭吸附、生物法等[18-19]。在榆林、内蒙古和宁夏大型煤化工产业园区，工厂内VOCs经过汇集后通过火炬燃烧释放，外排废气中产生大量的CO2。

电厂烟气中的酸性气体包括SO2、NOx、HCl、HF、CO2等，其中主要污染物为SO2、NOx，其处理工艺分为脱硫和脱硝[20]，其典型工艺流程见图4。截至2023年底，我国安装脱硝设备的机组总容量达到了139032×104kW，占火电机组容量82.0%，占煤电机组容量91.7%，其中选择性催化还原技术约占98％，选择性非催化还原技术约占2％[21]。典型的烟气脱硫技术有[22]：石灰石湿法脱硫、烟气循环流化床炉内喷钙脱硫、半干法脱硫、氨法脱硫、海水法脱硫、活性焦脱硫等。但是由于烟气量较大，排放到空气中的污染物总量，尤其是CO2，较其他行业仍然极为大量。

现代煤化工产业示范区三废绿色治理路径

现代煤化工产业示范区三废治理运用产业生态学的原理，遵循协同化、绿色化和原料化的原则进行统筹考虑，实现园区经济、资源能源和环境全系统的优化提升[23]。

3.1  三废治理协同化

煤化工项目属于高水耗项目，其中煤制甲醇耗水量6～7t/t、煤制合成氨耗水量6～7t/t、煤制烯烃耗水量22～28t/t[24]。火力发电厂是一个巨大的耗水行业，发电厂水耗一般为700～1500L/（kW·h）。然而，煤矿矿井疏干水外排量大、复用量小。煤矿采空区需要进行充填和生态修复原料，因此现代煤化工产业示范区三废要进行协同化治理。

三废协同化治理途径见图5。园区内煤矿外排矿井疏干水和煤矸石，但采空区需要充填材料；火力发电厂产生粉煤灰和大量含CO2烟气，需要大量补水；煤化工项目产生气化渣和含CO2废气，需要大量补水。所以可将矿井水处理合格后用于煤化工项目和电厂项目，实现水资源化的循环利用，降低工业项目对外新鲜水取水量。将煤矸石、粉煤灰和气化渣制成浆液与含CO2烟气废气反应中和后，用于煤矿井下采空区充填和矿区生态修复固体原料[25-27]，实现废水资源化利用，固废生态利用，同时将火力发电厂和煤化工项目废气中的CO2吸收固定，实现三废绿色协同化治理。

中国中煤能源集团在双碳背景下，提出“两个联营”零碳园区的规划，将煤矸石、矿井水、粉煤灰和气化渣用于煤矿井下充填和矿区生态修复，产生的瓦斯通过提浓后发电用于矿区供能，将处理后的矿井水用于离网制氢和煤化工项目用水，产生的氢气与煤化工、电厂产生的CO2合成绿色化肥和绿色甲醇，实现煤电联营条件下的零碳零废园区目标。

3.2  三废治理绿色化

在三废反应实验数据分析和剖析三废反应机理的基础上，通过模拟实验研究和实际反应数据对比分析，不断进行反应条件优化和模型迭代更新，建立三废高效反应模型，借助AI建模和精准控制，调控三废反应条件和反应流程，建立智慧平台智能调控三废处理流程。同时，结合西北地区新能源优势（光伏发电、光热发电、风力发电）等，将绿电引入三废治理中，实现三废治理的供能绿色化、过程反应精准化和终端零废化。

中国中煤能源集团在图克绿色低碳产业园区实施煤电、绿色化工及配套新能源和一批化工延链补链等重点项目，总投资超过185亿元。100kt液态阳光项目是全球首个液态阳光技术大规模工业化示范项目。液态阳光项目利用太阳能、风能等可再生能源产生的电力电解水生产绿氢，并将煤化工生产中产生的CO2同绿氢转化为绿色甲醇。中煤能源研究院基于蒙陕地区矿井水处理成本高、运维复杂的现状，开展“矿井水资源化工厂数字化运维管理系统”，首先实现门克庆水处理运维项目中人员与设备的安全、节能目标；再尝试利用现有煤矿大数据平台，融合三维模型系统，建立矿井水资源化工厂信息化管理系统，实现“多个水处理工厂+一个管理中心”的管理模型。

3.3  三废治理原料化

三废原料化治理途径见图6。在三废治理过程中，可将煤矸石/粉煤灰/气化渣制备为水处理材料（吸附剂、混凝剂等）和催化载体，实现固废资源化利用；将矿井水处理系统与电解水制氢系统耦合，实现矿井水资源化转换为氢气和氧气，用于煤化工项目助燃剂和生产原料[28]；将电厂烟气/煤化工外排废气中的CO2与氢气耦合制备绿色甲醇。通过以上流程将三废转化为对应的原料和能源载体，具有广阔的应用前景。

榆林城投佰盛化学科技有限公司综合利用煤化工尾气年产1Mt液体CO2、20kt碳酸氢铵及10kt工业氨水项目，以中煤陕西榆林能源化工有限公司低温甲醇洗脱碳尾气为原料，回收其中的CO2生产液体CO2产品，以该公司变换冷凝液汽提尾气和塔顶冷凝液为原料，回收利用其中含有的NH3、CO2及水，生成碳酸氢铵和工业氨水，降低了废气去火炬燃烧和氨氮废水的处理成本，生产的碳酸氢铵用于农用化肥，生产的20%（w）氨水作为工业氨水产品。

结语与展望