1. Le développement de l'industrie chimique du charbon en Chine
Le procédé chimique du charbon est le procédé industriel de conversion du charbon en produits gazeux, liquides et solides ou en produits semi-finis, puis de leur transformation ultérieure en produits chimiques et énergétiques. Il comprend la cokéfaction, la gazéification du charbon, la liquéfaction du charbon, etc.
La cokéfaction est la méthode la plus ancienne et la plus importante dans les différents traitements chimiques du charbon. Son objectif principal est de produire du coke métallurgique, tout en produisant des sous-produits tels que le gaz de houille et des hydrocarbures aromatiques tels que le benzène, le toluène, le xylène, le naphtalène, etc.
La gazéification du charbon joue également un rôle important dans l'industrie chimique du charbon, utilisée pour la production de gaz urbain et de divers gaz combustibles (largement utilisés dans des industries telles que les machines et les matériaux de construction). C'est une source d'énergie propre qui contribue à améliorer le niveau de vie des populations et à protéger l'environnement. Elle est également utilisée dans la production de gaz de synthèse (comme matière première pour la synthèse de l'ammoniac, du méthanol, etc.) et constitue une matière première pour la synthèse de divers produits tels que les carburants liquides.
La liquéfaction directe du charbon, également appelée liquéfaction hydrogénée à haute pression, permet de produire du pétrole artificiel et des produits chimiques. En période de pénurie de pétrole, les produits de liquéfaction du charbon peuvent remplacer le pétrole naturel actuel.
La dotation énergétique de la Chine se caractérise par « l'absence de pétrole et de gaz, des ressources de charbon relativement abondantes » et des prix du charbon relativement bas. L'industrie chimique du charbon en Chine fait face à une demande énorme du marché et à des opportunités de développement.
La nouvelle industrie chimique du charbon jouera un rôle important dans l'utilisation durable de l'énergie en Chine et constitue une orientation de développement importante pour les 20 prochaines années. Cela revêt une grande importance pour la Chine afin de réduire la pollution environnementale causée par la combustion du charbon, de réduire sa dépendance au pétrole importé et d'assurer sa sécurité énergétique.
La nouvelle industrie chimique du charbon produit principalement de l'énergie propre et des produits qui peuvent remplacer les produits pétrochimiques, tels que le gaz naturel, le diesel, l'essence, le kérosène d'aviation, le gaz de pétrole liquéfié, les matières premières d'éthylène, les matières premières de polypropylène, les carburants alternatifs (méthanol, éther diméthylique), etc. Lorsqu'elle est combinée aux technologies énergétiques et chimiques, elle peut former une industrie émergente d'intégration chimique de l'énergie du charbon.
Actuellement, les nouveaux projets de chimie du charbon se développent rapidement et fleurissent partout en Chine. Rien qu'au Xinjiang, 14 projets de chimie du charbon en gaz naturel sont en construction ou prévus. Selon des statistiques incomplètes, la capacité de production de chimie du charbon en oléfines en Chine a atteint 28 millions de tonnes, celle de chimie du charbon en pétrole a atteint 40 millions de tonnes, celle de chimie du charbon en gaz naturel a approché les 150 milliards de mètres cubes et celle de chimie du charbon en éthylène glycol a dépassé les 5 millions de tonnes. Une fois tous ces projets terminés, la Chine deviendra le plus grand producteur mondial de chimie du charbon.
2. L'importance de l'absence de rejet d'eaux usées chimiques du charbon
2.1 Conservation de l’eau
La nouvelle industrie chimique du charbon consomme une quantité énorme d'eau. Pour les projets chimiques à grande échelle, la consommation d'eau par tonne de produit est supérieure à dix tonnes et la consommation annuelle d'eau atteint généralement des dizaines de millions de mètres cubes. Le développement rapide de l'industrie chimique du charbon a provoqué un déséquilibre entre l'offre et la demande en ressources en eau dans les régions. Les ressources en charbon de la Chine sont principalement concentrées dans le nord et le nord-ouest, où les ressources en eau font cruellement défaut. À l'heure actuelle, des conflits sur les droits d'eau sont apparus dans ces régions. Si cette situation continue à se développer, elle affectera le développement normal de l'industrie et de l'agriculture locales et entraînera également de nombreux problèmes sociaux.
L’élimination totale des rejets d’eaux usées chimiques du charbon et la réutilisation maximale des eaux usées peuvent permettre d’économiser les ressources en eau et d’atténuer la grave pénurie de ressources en eau.
2.2 Protéger l’environnement écologique et éviter la pollution de l’eau et des eaux souterraines
Les entreprises chimiques du charbon consomment une grande quantité d'eau et les eaux usées qu'elles rejettent proviennent principalement de processus tels que la cokéfaction du charbon, la purification du gaz et le recyclage et le raffinage de produits chimiques. Ce type d'eaux usées a un volume important et une qualité d'eau complexe, contenant une grande quantité de polluants organiques tels que les phénols, le soufre et l'ammoniac, ainsi que des polluants toxiques tels que le biphényle, l'indole de pyridine et la quinoléine, qui sont très toxiques. Dans les régions riches en ressources de charbon, comme la région de Yili au Xinjiang, le Ningxia, la Mongolie intérieure et d'autres bases chimiques du charbon, la mise en œuvre de l'émission zéro peut protéger efficacement l'environnement écologique et éviter la pollution de l'eau et des eaux souterraines.
2.3 Importance des émissions zéro
L'expression « zéro émission » désigne le traitement des eaux usées de production, des eaux usées et des eaux usées propres générées par l'industrie chimique du charbon, qui sont toutes réutilisées sans rejeter les eaux usées dans le monde extérieur, ce que l'on appelle « zéro émission ». Pour les projets de chimie du charbon actuellement en construction ou prévus dans la région du nord-ouest, « zéro émission » est particulièrement important, car cela résout non seulement certains problèmes de ressources en eau, mais ne provoque pas non plus de pollution et de dommages à l'environnement et à l'écologie locaux.
3. Caractéristiques des eaux usées issues de la gazéification du charbon
Source et caractéristiques des eaux usées de gazéification : lors de la gazéification du charbon, une partie de l'azote, du soufre, du chlore et des métaux contenus dans le charbon sont partiellement transformés en ammoniac, en cyanure et en composés métalliques pendant la gazéification ; le monoxyde de carbone réagit avec la vapeur d'eau pour produire une petite quantité d'acide formique, qui réagit ensuite avec l'ammoniac pour produire de l'ammoniac acide formique. La plupart de ces substances nocives sont dissoutes dans l'eau de lavage, l'eau de lavage du gaz, l'eau séparée après la séparation de la vapeur et le drainage du réservoir pendant le processus de gazéification, et certaines sont évacuées pendant le nettoyage des canalisations de l'équipement.
Pour la technologie de gazéification du charbon, il existe actuellement trois principaux types : lit fixe, lit fluidisé et lit fluidisé ; pour les types de fours, il existe différents types tels que les fours de gazéification à intervalles à lit fixe, les fours de fusion des cendres, les fours Texaco et les fours Ende. La qualité de l'eau de drainage des procédés de gazéification à lit fixe, à lit fluidisé et à lit fluidisé est présentée dans le tableau suivant :
4、 Technologie de traitement des eaux usées par gazéification du charbon
4.1 Qualité de l'eau des eaux usées de gazéification du charbon après récupération du phénol ammoniac
Français Les eaux usées générées par les trois procédés de gazéification ont une teneur élevée en ammoniac ; La teneur en phénol produite par le procédé à lit fixe est élevée, tandis que les deux autres sont relativement faibles ; Le procédé à lit fixe a une teneur élevée en goudron, tandis que les deux autres ont une teneur en goudron plus faible ; Les composés d'acide formique produits dans le procédé du four à flux de gaz sont relativement élevés, tandis que les deux autres procédés n'en produisent pas beaucoup ; Le cyanure est produit dans les trois procédés ; Le procédé à lit fixe produit la DCO la plus polluante organique et provoque la pollution la plus grave, tandis que les deux autres procédés sont moins polluants.
Les eaux usées des trois procédés ci-dessus ne peuvent pas être directement soumises à un traitement biochimique sans prétraitement, en particulier avec une teneur élevée en ammoniac et une teneur élevée en phénol dans le four Lurgi.
Pour les eaux usées du four Lurgi, un dispositif de récupération de l'ammoniac phénolique est nécessaire pour le prétraitement et la récupération ; les eaux usées de gazéification des procédés à lit fluidisé et à lit fluidisé nécessitent un prétraitement de récupération de l'ammoniac. La qualité de l'eau de chaque eau usée après prétraitement est la suivante :
4.2 Procédé de traitement biochimique des eaux usées par gazéification du charbon (procédé à lit fixe)
La concentration en DCOcr des eaux usées de gazéification issues du procédé à lit fixe est élevée, ce qui fait partie des eaux usées organiques et contient une grande quantité d'azote ammoniacal et de phénol. Elle présente une certaine chromaticité et les caractéristiques suivantes :
(1) La concentration de matière organique dans les eaux usées est élevée, avec une valeur B/C d'environ 0,33, et une technologie de traitement biochimique peut être utilisée.
(2) Les eaux usées contiennent des composés organiques récalcitrants tels que des monophénols, des polyphénols et d'autres substances contenant des cycles benzéniques et des hétérocycles, qui présentent une certaine toxicité biologique. Ces substances sont difficiles à décomposer dans les environnements aérobies et nécessitent l'ouverture du cycle et la dégradation dans les environnements anaérobies/facultatifs.
(3) La concentration d'azote ammoniacal dans les eaux usées est élevée, ce qui rend leur traitement difficile. Il est donc nécessaire d'utiliser des procédés de traitement ayant de fortes capacités de nitrification et de dénitrification. Technologie de traitement des eaux usées par gazéification du charbon
(4) Les eaux usées contiennent des huiles flottantes, des huiles dispersées, des huiles émulsifiées et des substances pétrolières dissoutes, les principaux composants des huiles dissoutes étant des composés aromatiques tels que les phénols. Les huiles émulsifiées doivent être éliminées par flottation à l'air, tandis que les substances phénoliques solubles doivent être éliminées par des méthodes biochimiques et d'adsorption.
(5) Contenant des substances inhibitrices toxiques telles que les phénols, les polyphénols et l'azote ammoniacal dans les eaux usées, il est nécessaire d'améliorer la capacité anti-toxicité des micro-organismes par domestication et de sélectionner des processus appropriés pour améliorer la résistance aux chocs du système.
(6) L'impact d'un rejet anormal d'eaux usées, lorsqu'il y a des problèmes dans le processus de production, peut conduire au rejet d'une concentration élevée de polluants dans les eaux usées anormales, qui ne peuvent pas entrer directement dans le système de traitement biochimique et nécessitent des mesures telles que la réglementation des accidents.
(7) Les eaux usées ont une chromaticité élevée et contiennent certaines substances avec des groupes développant des couleurs.
Par conséquent, afin de garantir la qualité des effluents issus du traitement des eaux usées du procédé, un procédé de traitement biochimique visant principalement à éliminer la DCOcr, la DBO5, l'azote ammoniacal, etc. (en tenant compte principalement de la nitrification et de la dénitrification) est sélectionné pour les eaux usées du procédé, un procédé de prétraitement visant principalement à éliminer l'huile et à décolorer est sélectionné, et un procédé d'amélioration du post-traitement axé principalement sur le traitement physico-chimique est sélectionné. Le procédé adopté est le suivant :
4.3 Procédé de traitement biochimique des eaux usées issues de la gazéification (lit fluidisé et lit fluidisé)
Les eaux usées générées par les procédés à lit fluidisé et à lit fluidisé ont une faible DCO et de bonnes propriétés biochimiques (en particulier les eaux usées générées par les procédés à lit fluidisé). La principale caractéristique de ces eaux usées est une teneur élevée en azote ammoniacal, et des procédés de traitement ayant de bons effets de nitrification et de dénitrification doivent être sélectionnés.
Cependant, le traitement biochimique élimine uniquement les polluants organiques, l’huile, l’ammoniac, les phénols, les cyanures, etc. des eaux usées, et ne peut pas éliminer les sels des eaux usées.
5. Aucun rejet d'eaux usées issues de la gazéification du charbon
5.1 Classification du drainage chimique du charbon
Français Le drainage de l'industrie chimique du charbon en production comprend : les eaux usées de production, les eaux usées domestiques, les eaux usées propres, les eaux de pluie initiales, etc. Les principales eaux usées de production sont les eaux usées de gazéification ; les eaux usées propres proviennent principalement du rejet d'eau en circulation et des eaux salées concentrées rejetées par les stations de dessalement ; les eaux de pluie initiales sont principalement collectées dans les dix premières minutes des zones contaminées.
Les plus grandes quantités d'eau dans le drainage mentionné ci-dessus sont des eaux usées propres et des eaux usées de production. En général, on considère qu'il faut collecter les eaux usées propres séparément des eaux usées de production, des eaux usées domestiques, des eaux de pluie initiales, etc., qui sont divisées en deux catégories : les eaux propres et les eaux usées.
5.2 Réutilisation des eaux usées
Le processus de production chimique du charbon nécessite une grande quantité d'eau de circulation, et la taille de la station d'eau de circulation est généralement grande, nécessitant une grande quantité d'eau supplémentaire. Lorsqu'on envisage la réutilisation des eaux usées propres et des effluents de traitement des eaux usées, on envisage généralement de les réutiliser comme eau supplémentaire pour les stations d'eau de circulation.
Bien que les effluents de la station d'épuration éliminent une grande quantité de polluants organiques, d'ammoniac, de phénols et d'autres substances, leur teneur en sel n'a pas diminué. La teneur en sel des eaux usées propres et de l'eau salée concentrée des stations de dessalement est généralement 4 à 5 fois supérieure à celle de l'eau brute. Par conséquent, pour réutiliser les eaux usées, un traitement de dessalement est nécessaire, sinon le sel circulera et s'accumulera dans le système.
5.3 Types de procédés de réutilisation des eaux usées
À l’heure actuelle, les procédés de dessalement de l’eau appliqués en Chine comprennent le dessalement chimique (c’est-à-dire le dessalement par échange d’ions), la technologie de séparation par membrane, le traitement de l’eau par dessalement par distillation et les procédés de dessalement combinant des méthodes membranaires et d’échange d’ions.
(1) Procédé de dessalement par échange d'ions
La technologie de traitement de l'eau par échange d'ions est assez mature et convient aux applications à faible teneur en sel dans l'eau. Cependant, lors du traitement de l'eau à forte teneur en chlorure, à forte teneur en sel, à forte dureté, de l'eau saumâtre et de l'eau de mer, cette technologie présente l'inconvénient de consommer une grande quantité d'acide et d'alcali lors de la régénération de la résine et de polluer l'environnement avec le liquide rejeté.
(2) Procédé de dessalement par membrane
Avec les progrès de la recherche sur les membranes, la technologie de séparation par membrane s'est rapidement développée et le domaine d'utilisation des membranes s'est de plus en plus étendu. Il s'agit d'une technologie de pointe industrialisée, avec les avantages d'une utilisation facile, d'un équipement compact, d'un environnement de travail sûr, d'une économie d'énergie et d'une économie de produits chimiques. Son principal procédé de séparation est la technologie d'osmose inverse, et les technologies d'ultrafiltration et de filtration fine sont utilisées comme procédés de prétraitement pour l'osmose inverse. Il peut être combiné en divers procédés en fonction des différentes qualités d'eau de l'eau brute.
(3) Procédé de dessalement combinant la méthode membranaire et la méthode d'échange d'ions
Le système de dessalement composé de la méthode de membrane d'osmose inverse et de la méthode d'échange d'ions est actuellement un système de traitement de l'eau de dessalement largement utilisé. Dans ce système, l'osmose inverse sert de système de pré-dessalement pour l'échange d'ions, éliminant plus de 95 % du sel et la grande majorité des autres impuretés telles que les colloïdes, la matière organique, les bactéries, etc. de l'eau brute ; le sel restant dans l'eau produite par osmose inverse est éliminé par des systèmes d'échange d'ions ultérieurs.
5.4 Sélection du procédé de réutilisation des eaux usées
Français L'eau mélangée provenant des stations d'épuration et les eaux usées propres sont réutilisées, avec un volume d'eau généralement important et une faible teneur en sel entre 1000 et 3000 mg/L. Si la méthode de distillation est utilisée directement, elle nécessite une grande quantité de source de chaleur et gaspille de l'énergie, ce qui n'est pas adapté. En raison de la présence de certains polluants organiques dans les eaux usées, l'utilisation de résine échangeuse d'ions peut obstruer la résine. De plus, comme les exigences de qualité de l'eau pour l'eau recyclée ne sont pas élevées, l'échange d'ions n'est pas adapté ; Avec l'amélioration de la technologie de séparation membranaire et des processus de production de membranes, la durée de vie des membranes augmente constamment et le prix d'utilisation diminue constamment. L'utilisation de membranes devient de plus en plus populaire. Il est recommandé de privilégier l'utilisation de méthodes à double membrane (ultrafiltration + osmose inverse) dans le processus principal de réutilisation des eaux usées, et de prétraiter les eaux usées en fonction des différentes caractéristiques de la qualité de l'eau pour répondre aux conditions d'utilisation des membranes doubles.
5.5 Concentration de la membrane d'eau salée concentrée
De nombreuses entreprises nationales et internationales étudient la concentration membranaire de l'eau salée concentrée produite par la méthode à double membrane pour atteindre une teneur en sel de 60 000 à 80 000 mg/L. L'objectif est d'augmenter autant que possible la teneur en sel des eaux usées, de réduire l'encombrement des évaporateurs ultérieurs, de diminuer les investissements et d'économiser de l'énergie.
Les procédés les plus utilisés à l'échelle internationale sont le procédé de concentration par membrane HERO d'Aquatech, le procédé de concentration par membrane de nanofiltration de GE, le procédé de concentration par membrane OPUS de Veolia et le procédé de concentration par membrane vibrante de Maiwang. Le procédé ci-dessus a connu du succès dans la concentration du sel à l'étranger. Certaines entreprises nationales effectuent également des recherches sur les procédés de concentration par membrane, mais il n'existe actuellement aucune réalisation ni aucun exemple technique de leur utilisation.
5.6 Évaporation
Après avoir atteint une concentration en sel de 60 000 à 80 000 mg/L dans l'eau salée concentrée, l'évaporation est effectuée. Dans les pays étrangers, le processus d'évaporation des eaux usées adopte généralement la « technologie d'évaporation par recirculation à compression mécanique de vapeur à film tombant », qui est actuellement la solution technique la plus fiable et la plus efficace pour le traitement des eaux usées à forte teneur en sel au monde. Lorsque l'on utilise la technologie d'évaporation par recirculation à compression mécanique pour traiter les eaux usées, l'énergie thermique nécessaire à l'évaporation des eaux usées est principalement fournie par l'énergie thermique libérée ou échangée pendant la condensation de la vapeur et le refroidissement du condensat. Pendant le fonctionnement, il n'y a aucune perte de chaleur latente. La seule énergie consommée pendant le fonctionnement est la pompe à eau, le compresseur de vapeur et le système de contrôle qui entraînent la circulation et le débit des eaux usées, de la vapeur et du condensat dans l'évaporateur.
FrançaisL'utilisation de la vapeur comme énergie thermique nécessite 554 kcal d'énergie thermique pour évaporer chaque kilogramme d'eau. En utilisant la technologie d'évaporation par compression mécanique, la consommation énergétique typique pour traiter une tonne d'eaux usées salines est de 20 à 30 kWh d'électricité, ce qui signifie que seulement 28 kcal ou moins d'énergie thermique sont nécessaires pour évaporer un kilogramme d'eau. L'efficacité d'un seul évaporateur à compression mécanique est théoriquement équivalente à celle d'un système d'évaporation multi-effets à 20 effets. L'adoption de la technologie d'évaporation multi-effets peut améliorer l'efficacité, mais elle augmente l'investissement en équipement et la complexité opérationnelle. Les évaporateurs peuvent généralement augmenter la teneur en sel des eaux usées à plus de 20 %. Généralement envoyé dans un bassin d'évaporation pour évaporation et cristallisation naturelles ; alternativement, il peut être envoyé dans un cristallisoir pour cristallisation et séchage en un solide, puis envoyé pour élimination.
6. Introduction aux cas de projets nationaux à émissions nulles
Projet de conversion de charbon en gaz naturel de 2 milliards de mètres cubes de Yili Xintian
Ø Projet d'engrais Tuke Phase I de la société de charbon de taille moyenne Ordos Energy and Chemical Co., Ltd. avec une production annuelle de 1 million de tonnes d'ammoniac synthétique et de 1,75 million de tonnes d'urée
Ø China Power Investment Corporation Yinan 3 × 2 milliards Nm 3/a Projet de conversion du charbon en gaz naturel Phase I Projet de 2 milliards Nm 3/a
Projet de liquéfaction directe du charbon de Shenhua
Performance des projets zéro émission
6.1 Projet de production annuelle de 2 milliards de mètres cubes de charbon à gaz naturel de Yili Xintian (entreprise générale)
Ø Procédé de gazéification : Technologie de gazéification à lit fixe sous pression de charbon concassé (four Luqi)
Ø Produit du projet : Production annuelle de 2 milliards de Nm3 de gaz naturel
Ø Contenu du système de traitement des eaux usées :
Station d'épuration : 1200m3/h
Réutilisation des eaux usées :
① Unité de réutilisation des eaux usées biochimiques : 1200 m3/h
② Unité de réutilisation des eaux usées contenant du sel : 1200 m3/h
③ Unité d'évaporation multi-effets : 300 m3/h
6.2 Projet d'engrais Tuke (EPC) de la société de charbon moyenne Ordos Energy and Chemical Co., Ltd
Ø Procédé de gazéification : Technologie de gazéification sous pression pour les scories de charbon broyées (BGL)
Ø Produits du projet : 1 million de tonnes/an d'ammoniac synthétique et 1,75 million de tonnes/an d'urée
Ø Contenu du système de traitement des eaux usées :
Station d'épuration des eaux usées : 360 m3/h
Dispositif de traitement des eaux usées: 1200m3/h
Appareil de traitement d'eau salée concentrée : 200m3/h
Technologie de traitement :
Déroulement du processus de traitement des eaux usées
6.3 China Power Investment Corporation Yinan 3 × 2 milliards Nm 3/a Projet de conversion du charbon en gaz naturel Phase I Projet de 2 milliards Nm 3/a (conception globale + conception de base)
Procédé de gazéification : Technologie de gazéification à lit fluidisé à l'oxygène pur (four GSP)
Ø Produit du projet : Production annuelle de 2 milliards de Nm3 de gaz naturel
Ø Contenu du système de traitement des eaux usées :
Station d'épuration des eaux usées : 280 m3/h
Dispositif de traitement des eaux usées : 900m3/h
Appareil de traitement d'eau salée concentrée : 120m 3/h
Ø Technologie de traitement :
Dispositif de traitement des eaux usées : prétraitement + biochimie secondaire + traitement avancé
Dispositif de traitement des eaux usées : prétraitement + ultrafiltration + osmose inverse
Dispositif de traitement d'eau salée concentrée : concentration membranaire + cristallisation par évaporation
6.4 Projet de liquéfaction directe du charbon de Shenhua (charbon en pétrole)
Ø Contenu du système de traitement des eaux usées :
Section de traitement biochimique : comprenant un système d'eaux usées huileuses et un système d'eaux usées à haute concentration
Section de traitement du sel : comprenant un système d'eaux usées contenant du sel, un système d'eaux usées de préparation du catalyseur, un système de traitement du concentré d'évaporateur
Ø Échelle de traitement :
Système d'eaux usées huileuses : 204 m3/h
Réseau d'assainissement à haute concentration : 150 m3/h
Système d'épuration contenant du sel : 286 m3/h
Système de traitement des eaux usées pour la préparation du catalyseur : 103 m3/h
Système de traitement d'eau salée concentrée : évaporateur, cristallisation, bassin d'évaporation d'une superficie d'environ 12 mètres carrés
