1. 중국 석탄화학공업의 발전
석탄 화학 공정은 석탄을 가스, 액체, 고체 제품 또는 반제품으로 전환한 다음 이를 화학 및 에너지 제품으로 추가로 가공하는 산업 공정입니다. 여기에는 코킹, 석탄 가스화, 석탄 액화 등이 포함됩니다.
코킹은 석탄의 다양한 화학적 처리에서 가장 오래되고 여전히 가장 중요한 방법입니다. 그 주요 목적은 야금 코크스를 생산하는 동시에 석탄 가스와 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 나프탈렌 등과 같은 방향족 탄화수소와 같은 부산물을 생산하는 것입니다.
석탄 가스화는 또한 석탄 화학 산업에서 중요한 역할을 하며, 도시 가스와 다양한 연료 가스(기계 및 건축 자재와 같은 산업에서 널리 사용됨)를 생산하는 데 사용됩니다. 그것은 사람들의 생활 수준을 향상시키고 환경을 보호하는 데 도움이 되는 깨끗한 에너지원입니다. 또한 합성 가스(암모니아, 메탄올 등의 합성을 위한 원료)를 생산하는 데 사용되며, 액체 연료와 같은 다양한 제품을 합성하는 원료입니다.
직접 석탄 액화, 즉 석탄의 고압 수소화 액화는 인공 석유와 화학 제품을 생산할 수 있습니다. 석유 부족 시기에 석탄 액화 제품은 현재의 천연 오일을 대체할 수 있습니다.
중국의 에너지 자원의 특징은 "석유와 가스 부족, 비교적 풍부한 석탄 자원", 그리고 비교적 낮은 석탄 가격입니다. 중국의 석탄 화학 산업은 엄청난 시장 수요와 개발 기회에 직면해 있습니다.
새로운 석탄화학 산업은 중국의 에너지 지속가능 활용에서 중요한 역할을 할 것이며, 향후 20년 동안 중요한 발전 방향입니다. 이는 중국이 석탄 연소로 인한 환경 오염을 줄이고, 수입 석유에 대한 의존도를 낮추고, 에너지 안보를 보장하는 데 큰 의미가 있습니다.
새로운 석탄화학 산업은 주로 천연가스, 디젤, 가솔린, 항공등유, 액화석유가스, 에틸렌 원료, 폴리프로필렌 원료, 대체연료(메탄올, 디메틸에테르) 등 석유화학을 대체할 수 있는 청정에너지와 제품을 생산합니다. 에너지 및 화학기술과 결합하면 석탄에너지화학 통합의 신흥산업을 형성할 수 있습니다.
현재 중국의 새로운 석탄화학 프로젝트는 곳곳에서 빠르게 발전하고 꽃을 피우고 있습니다. 신장에서만 14개의 석탄-천연가스 프로젝트가 건설 중이거나 계획 중입니다. 불완전한 통계에 따르면, 중국의 석탄-올레핀의 건설 중 및 계획된 생산 용량은 2,800만 톤에 달했고, 석탄-석유는 4,000만 톤에 달했으며, 석탄-천연가스는 1,500억 입방미터에 접근했고, 석탄-에틸렌 글리콜은 500만 톤을 넘었습니다. 이 모든 프로젝트가 완료되면 중국은 세계 최대의 새로운 석탄화학 산업 생산국이 될 것입니다.
2、석탄화학폐수 무방류의 의의
2.1 물 절약
새로운 석탄화학 산업은 엄청난 양의 물을 소비합니다. 대규모 석탄화학 프로젝트의 경우 제품 1톤당 물 소비량은 10톤이 넘고 연간 물 소비량은 보통 수천만 입방미터에 달합니다. 석탄화학 산업의 급속한 발전은 지역 수자원 공급과 수요의 불균형을 촉발했습니다. 중국의 석탄 자원은 주로 북부와 북서부에 집중되어 있으며, 이 지역의 수자원은 심각하게 부족합니다. 현재 이 지역에서 물권 분쟁이 발생하고 있습니다. 이러한 상황이 계속되면 지역 산업과 농업의 정상적인 발전에 영향을 미치고 많은 사회 문제를 가져올 것입니다.
석탄화학폐수를 전혀 방류하지 않고 폐수를 최대한 재활용하면 수자원을 절약하고 심각한 수자원 부족을 완화할 수 있습니다.
2.2 생태환경 보호 및 수질 및 지하수 오염 방지
석탄화학기업은 대량의 물을 소비하며, 배출하는 폐수는 주로 석탄 코킹, 가스 정화, 화학제품 재활용 및 정제와 같은 공정에서 발생합니다. 이러한 유형의 폐수는 양이 많고 수질이 복잡하며 페놀, 유황, 암모니아와 같은 유기 오염 물질과 비페닐, 피리딘 인돌, 퀴놀린과 같은 독성 오염 물질을 많이 함유하고 있으며, 이는 독성이 매우 강합니다. 신장의 일리 지역, 닝샤, 내몽골 및 기타 석탄화학 기지와 같이 석탄 자원이 풍부한 지역에서 제로 배출을 구현하면 생태 환경을 효과적으로 보호하고 수질 및 지하수 오염을 피할 수 있습니다.
2.3 제로에미션의 중요성
제로 배출은 석탄 화학 산업에서 발생하는 생산 폐수, 하수 및 깨끗한 폐수를 처리하는 것을 말하며, 모두 외부 세계에 폐수를 배출하지 않고 재사용하는 것을 "제로 배출"이라고 합니다. 현재 북서부 지역에서 건설 중이거나 계획 중인 석탄 화학 프로젝트의 경우 "제로 배출"은 특히 중요한데, 이는 일부 수자원 문제를 해결할 뿐만 아니라 지역 환경과 생태계에 오염과 피해를 입히지 않습니다.
3、 석탄가스화 폐수의 특성
가스화 폐수의 출처 및 특성: 석탄 가스화 과정에서 석탄에 포함된 일부 질소, 유황, 염소 및 금속은 가스화 과정에서 암모니아, 시안화물 및 금속 화합물로 부분적으로 전환됩니다. 일산화탄소는 수증기와 반응하여 소량의 포름산을 생성한 다음 암모니아와 반응하여 포름산 암모니아를 생성합니다. 이러한 유해 물질의 대부분은 가스화 과정에서 세척수, 가스 세척수, 증기 분리 후 분리수 및 탱크 배수에 용해되고 일부는 장비 파이프라인 청소 중에 배출됩니다.
석탄 가스화 기술에는 현재 고정층, 유동층, 유동층의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 용광로 유형에는 고정층 간격 가스화 용광로, 애쉬 용융 용광로, Texaco 용광로, Ende 용광로와 같은 다양한 유형이 있습니다. 고정층, 유동층 및 유동층 가스화 공정의 배수 수질은 다음 표에 나와 있습니다.
4、 석탄가스화 폐수처리기술
4.1 페놀암모니아 회수 후 석탄가스화 폐수의 수질
3가지 가스화 공정에서 생성된 폐수는 암모니아 함량이 높습니다. 고정층 공정에서 생성된 페놀 함량은 높은 반면 다른 두 공정은 비교적 낮습니다. 고정층 공정은 타르 함량이 높은 반면 다른 두 공정은 타르 함량이 낮습니다. 가스 유동로 공정에서 생성된 포름산 화합물은 비교적 높은 반면 다른 두 공정은 많이 생성되지 않습니다. 3가지 공정 모두에서 시안화물이 생성됩니다. 고정층 공정은 가장 많은 유기 오염 물질인 COD를 생성하고 가장 심각한 오염을 일으키는 반면 다른 두 공정은 오염이 적습니다.
위의 세 가지 공정에서 발생하는 폐수는 전처리 없이 직접 생화학적 처리를 할 수 없습니다. 특히 루르기 용광로의 암모니아 함량과 페놀 함량이 높기 때문입니다.
루르기 용광로의 폐수에 대해서는 전처리 및 회수를 위해 페놀 암모니아 회수 장치가 필요합니다. 유동층 및 유동층 공정의 기화 폐수는 암모니아 회수 전처리가 필요합니다. 전처리 후 각 폐수의 수질은 다음과 같습니다.
4.2 석탄가스화(고정층공정) 폐수생화학처리공정
고정층 공정의 기화 폐수의 CODcr 농도는 높은데, 이는 유기성 폐수에 속하며 암모니아성 질소와 페놀을 다량 함유하고 있다. 일정한 색도와 다음과 같은 특성을 가지고 있다.
(1) 하수중 유기물 농도가 높고 B/C값이 0.33정도로 생화학적 처리기술 적용이 가능하다.
(2) 폐수에는 모노페놀, 폴리페놀 및 벤젠고리와 헤테로사이클을 함유하는 기타 물질과 같은 난분해성 유기화합물이 포함되어 있으며, 이는 일정한 생물학적 독성을 가지고 있습니다. 이러한 물질은 호기성 환경에서 분해되기 어렵고 혐기성/통성 환경에서는 고리 개방 및 분해가 필요합니다.
(3) 하수 중 암모니아성 질소의 농도가 높아 처리가 어렵다. 따라서 질산화, 탈질산화 능력이 강한 처리공정을 사용할 필요가 있다. 석탄가스화 폐수처리기술
(4) 폐수에는 부유유, 분산유, 유화유, 용해유 물질이 포함되어 있으며, 용해유의 주요 성분은 페놀과 같은 방향족 화합물입니다. 유화유는 공기부상으로 제거해야 하며, 가용성 페놀 물질은 생화학적 및 흡착 방법으로 제거해야 합니다.
(5) 폐수에는 페놀, 폴리페놀, 암모니아성 질소 등 독성억제물질이 함유되어 있어 미생물의 항독성능력을 순화시켜 개량하고, 시스템의 충격저항성을 강화하기 위한 적절한 공정의 선정이 필요하다.
(6) 이상폐수 방류 영향은 생산공정에 문제가 있을 경우 이상폐수에 고농도의 오염물질이 방류되어 생화학적 처리체계에 직접 유입될 수 없으므로 사고방지 등의 조치가 필요하다.
(7) 폐수는 색도도가 높고 발색군을 갖는 물질이 일부 포함되어 있다.
따라서 공정 폐수 처리에서 유출되는 물의 품질을 보장하기 위해 공정 폐수에 대해 CODcr, BOD5, 암모니아 질소 등을 제거하는 데 중점을 둔 생화학적 처리 공정(주로 질산화 및 탈질소화 고려)을 선택하고, 오일 제거 및 탈색을 주된 목적으로 하는 전처리 공정을 선택하고, 물리화학적 처리에 중점을 둔 후처리 강화 공정을 선택합니다. 채택된 공정은 다음과 같습니다.
4.3 가스화(유동층 및 유동화층)폐수의 생화학적 처리 공정
유동층 및 유동층 공정에서 생성된 폐수는 COD가 낮고 생화학적 특성이 좋습니다(특히 유동층 공정에서 생성된 폐수). 이러한 폐수의 주요 특징은 높은 암모니아 질소이며, 질산화 및 탈질소 효과가 좋은 처리 공정을 선택해야 합니다.
그러나 생화학적 처리 방식은 폐수에 포함된 유기오염물질, 기름, 암모니아, 페놀, 시안화물 등만 제거할 뿐, 폐수에 포함된 소금은 제거할 수 없습니다.
5、석탄가스화폐수 무방류
5.1 석탄화학배수의 분류
석탄화학공업의 생산배수는 생산폐수, 생활폐수, 청정하수, 초기우수 등을 포함한다. 주요 생산폐수는 기화폐수이다. 청정폐수는 주로 순환수 방류와 담수화 시설에서 방류되는 농축염수에서 나온다. 초기우수는 주로 오염지역의 처음 10분 동안 수집된다.
위에서 언급한 배수에서 더 많은 양의 물은 깨끗한 폐수와 생산 폐수입니다. 일반적으로 깨끗한 폐수는 생산 폐수, 생활 폐수, 초기 강우수 등과 별도로 수집하는 것으로 간주되며, 이는 깨끗한 물과 하수의 두 가지 범주로 나뉩니다.
5.2 하수의 재활용
석탄화학 생산 공정은 대량의 순환수가 필요하고 순환수 스테이션의 규모가 일반적으로 크고 많은 양의 보충수가 필요합니다. 깨끗한 폐수 및 하수 처리 유출수의 재사용을 고려할 때 일반적으로 순환수 스테이션의 보충수로 재사용하는 것이 고려됩니다.
하수처리장 유출수는 유기오염물질, 암모니아, 페놀 등 많은 물질을 제거하지만, 염분 함량은 감소하지 않았습니다. 담수화 시설에서 나오는 깨끗한 폐수와 농축 염수의 염분 함량은 일반적으로 원수보다 4~5배 높습니다. 따라서 하수를 재활용하기 위해서는 담수화 처리가 필요합니다. 그렇지 않으면 염분이 순환하여 시스템에 축적됩니다.
5.3 재활용수 재사용 공정의 종류
현재 중국에서 적용되고 있는 물담수화 공정으로는 화학적 담수화(즉, 이온교환 담수화), 막분리 기술, 증류식 담수화 수처리, 막과 이온교환 방식을 결합한 담수화 공정 등이 있습니다.
(1) 이온교환 담수화 공정
이온교환수 처리 기술은 상당히 성숙되어 있으며 물의 염도가 낮은 응용 분야에 적합합니다. 그러나 고염화물, 고염, 고경도수, 기수, 해수를 처리할 때 이 기술은 수지 재생 중에 많은 양의 산과 알칼리를 소모하고 배출되는 액체로 환경을 오염시키는 단점이 있습니다.
(2) 멤브레인 담수화 공정
멤브레인 연구의 진전으로 멤브레인 분리 기술이 급속히 발전했고, 멤브레인 사용 분야가 점점 더 광범위해지고 있습니다. 그것은 쉬운 조작, 컴팩트한 장비, 안전한 작업 환경, 에너지 절약 및 화학 물질 절약의 이점을 가진 산업화된 하이테크가 되었습니다. 그 주요 분리 공정은 역삼투 기술이며, 한외여과 및 미세 여과 기술은 역삼투의 전처리 공정으로 사용됩니다. 그것은 원수의 다른 수질에 따라 다양한 공정으로 결합될 수 있습니다.
(3) 막방식과 이온교환방식을 결합한 해수담수화 공정
역삼투막법과 이온교환법으로 구성된 담수화 시스템은 현재 널리 사용되는 담수화 수처리 시스템입니다. 이 시스템에서 역삼투는 이온교환을 위한 사전 담수화 시스템 역할을 하여 원수에서 95% 이상의 소금과 콜로이드, 유기물, 박테리아 등과 같은 다른 불순물의 대부분을 제거합니다. 역삼투로 생성된 물에 남아 있는 소금은 후속 이온교환 시스템을 통해 제거됩니다.
5.4 폐수재이용 공정 선정
하수처리장의 혼합수와 깨끗한 폐수는 일반적으로 물의 양이 많고 염분 함량이 1000-3000mg/L 사이로 낮습니다. 증류법을 직접 사용하면 많은 열원이 필요하고 에너지를 낭비하므로 적합하지 않습니다. 폐수에 특정 유기 오염 물질이 존재하기 때문에 이온교환수지를 사용하면 수지가 막힐 수 있습니다. 또한 재활용수에 대한 수질 요구 사항이 높지 않기 때문에 이온교환은 적합하지 않습니다. 멤브레인 분리 기술과 멤브레인 생산 공정이 개선됨에 따라 멤브레인의 사용 수명은 지속적으로 증가하고 사용 가격은 지속적으로 감소하고 있습니다. 멤브레인 사용이 점점 더 대중화되고 있습니다. 폐수 재사용의 주요 공정에서 이중 멤브레인 방법(초여과+역삼투)을 우선적으로 사용하고 수질의 다양한 특성에 따라 폐수를 전처리하여 이중 멤브레인 사용 조건을 충족하는 것이 좋습니다.
5.5 농축 염수막 농도
국내외의 많은 기업들이 이중막법으로 생산된 농축 염수의 막 재농축을 연구하여 염분 함량을 60000~80000mg/L로 달성하고 있습니다. 이는 폐수의 염분 함량을 최대한 높이고 후속 증발기의 규모를 줄이며 투자를 줄이고 에너지를 절약하기 위한 것입니다.
국제적으로 일반적으로 사용되는 공정으로는 Aquatech의 HERO 멤브레인 농축 공정, GE의 나노여과 멤브레인 농축 공정, Veolia의 OPUS 멤브레인 농축 공정, Maiwang의 진동 멤브레인 농축 공정이 있습니다. 위의 공정은 해외에서 염 농축에 성공했습니다. 일부 국내 기업도 멤브레인 농축 공정을 연구하고 있지만 현재로서는 성과나 사용에 대한 엔지니어링 사례가 없습니다.
5.6 증발
농축 염수에서 염 농도가 60000~80000mg/L에 도달하면 증발이 수행됩니다. 외국에서 폐수 증발 공정은 일반적으로 "낙하막 기계적 증기 압축 재순환 증발 기술"을 채택하는데, 이는 현재 세계에서 고염 폐수를 처리하는 데 가장 신뢰할 수 있고 효과적인 기술 솔루션입니다. 기계적 압축 재순환 증발 기술을 사용하여 폐수를 처리할 때 폐수를 증발시키는 데 필요한 열 에너지는 주로 증기 응축 및 응축수 냉각 중에 방출되거나 교환되는 열 에너지에 의해 제공됩니다. 작동 중에는 잠열 손실이 없습니다. 작동 중에 소비되는 유일한 에너지는 증발기에서 폐수, 증기 및 응축수의 순환과 흐름을 구동하는 물 펌프, 증기 압축기 및 제어 시스템입니다.
증기를 열 에너지로 사용할 경우, 1kg의 물을 증발시키는 데 554kcal의 열 에너지가 필요합니다. 기계적 압축 증발 기술을 사용할 경우, 1톤의 염분 폐수를 처리하는 데 일반적으로 소비되는 에너지는 20~30kWh의 전기이며, 이는 1kg의 물을 증발시키는 데 28kcal 이하의 열 에너지만 필요하다는 것을 의미합니다. 단일 기계적 압축 증발기의 효율은 이론적으로 20효과 다중효과 증발 시스템의 효율과 동일합니다. 다중효과 증발 기술을 채택하면 효율을 향상시킬 수 있지만 장비 투자와 운영 복잡성이 증가합니다. 증발기는 일반적으로 폐수의 염분 함량을 20% 이상으로 높일 수 있습니다. 일반적으로 자연 증발 및 결정화를 위해 증발 연못으로 보내집니다. 또는 결정화기로 보내어 결정화하고 고체로 건조시킨 다음 폐기할 수 있습니다.
6. 국내 제로에미션 프로젝트 사례 소개
일리신톈, 20억 입방미터 석탄 천연가스화 프로젝트
Ø 오르도스 에너지 앤 케미컬 주식회사의 중질탄 1단계 투케 비료 프로젝트는 연간 합성 암모니아 100만톤, 요소 175만톤을 생산합니다.
Ø 중국전력투자공사 이난 3×20억 Nm3/a 석탄천연가스 프로젝트 1단계 20억 Nm3/a 프로젝트
Shenhua 석탄 직접 액화 프로젝트
제로 배출 프로젝트 성과
6.1 일리신톈 연간 생산량 20억 입방미터 석탄 천연가스화 프로젝트(일반 계약)
Ø 가스화 공정 : 쇄탄 가압 고정층 가스화 기술(루치로)
Ø 프로젝트 제품 : 연간 20억 Nm3의 천연가스 생산
Ø 하수처리 시스템 내용 :
하수처리장 : 1200m3/h
폐수 재활용:
① 생화학적 폐수 재이용 단위 : 1200m3/h
② 염분함유 폐수 재이용 단위 : 1200m3/h
③ 멀티 효용 증발 유닛 : 300m3/h
6.2 오르도스 에너지 앤 케미컬 주식회사의 중질탄 튜크 비료 프로젝트(EPC)
Ø 가스화 공정 : 파쇄석탄슬래그(BGL)의 압력가스화 기술
Ø 프로젝트 생산물 : 합성암모니아 100만톤/년, 요소 175만톤/년
Ø 하수처리 시스템 내용 :
폐수처리장 : 360m3/h
재생수처리장치 : 1200m3/h
농축염수처리장치 : 200m3/h
처리 기술:
하수처리 공정 흐름
6.3 중국전력투자공사 이난 3×20억 Nm3/a 석탄천연가스 프로젝트 1단계 20억 Nm3/a 프로젝트(전반적 설계+기본 설계)
가스화 공정: 순수산소 유동층 가스화 기술(GSP로)
Ø 프로젝트 제품 : 연간 20억 Nm3의 천연가스 생산
Ø 하수처리 시스템 내용 :
폐수처리장 : 280m3/h
재생수처리장치 : 900m3/h
농축염수처리장치 : 120m3/h
Ø 처리기술 :
하수처리장치 : 전처리+2차생화학+고도처리
재생수처리장치 : 전처리+초여과+역삼투
농축염수처리장치 : 막농축+증발결정화
6.4 션화 석탄 직접 액화(석탄에서 석유로) 프로젝트
Ø 하수처리 시스템 내용 :
생화학적 처리 부문: 유성폐수 시스템 및 고농도 폐수 시스템 포함
염처리 부문: 염을 함유한 폐수 시스템, 촉매제조 폐수 시스템, 증발 농축물 처리 시스템 포함
Ø 처리 규모:
유성 폐수 시스템: 204m3/h
고농도 하수처리장 : 150m3/h
소금을 함유한 하수 시스템: 286m3/h
촉매제조 폐수처리 시스템 : 103m3/h
농축염수처리시스템 : 증발기, 결정화, 증발지 면적 약 12㎡
