中國煤科10大創新成果┃秦樹林研究員：煤化工污泥綠色高效原位處置技術裝備研發及應用

2025年08月18日 15:31 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

中國煤科科技創新10大成果專欄

為解決煤化工污泥高污染、難處理及傳統干化焚燒技術高能耗、高碳排放的問題，采用污泥熱水解耦合催化濕式氧化處理方法，基于試驗研究了煤化工污泥特性、熱水解-濕式氧化反應過程優化、催化劑篩選及污染物降解機理，開發了成套工藝裝備。該技術使污泥含水率從80%降至29.3%，減量化率超87.5%，特征污染物安全轉化率100%，能耗較傳統技術降低40%，實現了污泥高效減量化、無害化及低碳化處置，為煤化工產業綠色可持續發展提供了技術與裝備支撐。

文章來源：《智能礦山》2025年第7期“中國煤科科技創新10大成果專欄”

第一作者：秦樹林，研究員，現任中煤科工集團杭州研究院有限公司總工程師、產業創新中心主任、科技發展部主任，主要從事工業廢水處理、污泥處理處置技術的相關研究工作。E-mail：hzqsL722@163.com

作者單位：中煤科工集團杭州研究院有限公司

引用格式：秦樹林，鄭威城，張偉濤，等. 煤化工污泥綠色高效原位處置技術裝備研發及應用[J].智能礦山，2025，6(7)：61-67.

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煤化工產業耗水量大，產生的廢水有機污染物濃度高，水處理過程產生大量有毒有害污泥，采用處理效果好、運行費用低、工藝穩定的廢水和污泥處理方式，實現煤化工廢水與污泥同步“零排放”，是煤化工發展的自身需求和外在要求。

污泥是污水處理后的產物，主要特性是含水率高，有機物含量高，容易腐化發臭，且顆粒較細，比重較小，呈膠狀液態。煤化工污水污泥中含有大量有機物，如苯、氯酚、多氯聯苯、多氯二苯并呋喃和多氯二苯并二惡英等，同時存在寄生蟲卵、病原微生物等，處理不當易造成環境二次污染。

目前，針對以煤化工污泥為代表的有毒工業有機污泥，因含有毒有機污染物，常規的厭氧或好氧消化處理效果不佳，通常通過焚燒或干化后焚燒的處理辦法，但會產生廢氣二次污染，增加處理難度，且工藝繁瑣、成本高。

濕式氧化技術具有應用范圍廣、處理效率高、無二次污染、可回收有用物料等優點，是目前處理難降解有機污染物的先進氧化技術，但利用濕式氧化處理污泥在國內處于研究階段，尚未有工程案例報道。

濕式氧化技術及原理

濕式氧化技術（Wet Air Oxidation，WAO）是在高溫高壓條件下，以空氣或氧氣為氧化劑，將有機物在液相環境下氧化為CO?、H?O或小分子有機物的方法。WAO工藝目前已經在高濃度工業廢水處理領域得到廣泛的工程應用。

在處理有機物和有毒污染物濃度高的廢水污泥時，濕氧化與替代處理技術相比，具有顯著的能耗優勢。在處理前無需脫水步驟（如焚燒、干化、熱解）即可實現與熱處理相當的體積縮減，反應過程能耗更低。與傳統燃燒或熱處理不同，在濕氧化過程中，廢氣中的一氧化碳、氮氧化物和硫氧化物含量較低，蒸汽和二氧化碳是尾氣中的含量最高的組分。

目前濕式氧化技術在污泥處置領域的工程應用鮮有報道，主要原因是污泥含固率相較于廢水較高，容易造成管路和泵閥的堵塞，并且污泥流態特征導致輸送、氧化反應、換熱效率都與廢水有較大差異。

中煤科工集團杭州研究院有限公司（簡稱杭州研究院）首先開發了污泥熱水解耦合催化濕式氧化處理工藝，在熱水解工藝段使污泥破壁分解，釋放出污泥微生物細胞中的胞內有機污染物，改善污泥流化特性。在催化氧化段，通過新型雙功能催化劑將有機污染物高效氧化降解并釋放出大量熱能，出料通過閃蒸和高效換熱器進行熱量深度回收，污泥熱水解耦合催化濕式氧化處理工藝路線如圖1所示。

圖1 污泥熱水解耦合催化濕式氧化處理總體工藝路線

研究污泥熱水解-濕式氧化耦合處理綠色高效原位減量處置的關鍵技術，攻克了流場優化、高效催化、設備防腐、能量回收等工藝技術瓶頸，開發出行業內首套基于熱水解耦合催化濕式氧化技術打造的煤化工污泥處置裝備。

煤化工污泥熱水解工藝開發

2.1 煤化工污泥特性

現代煤化工是以煤為原料，生產清潔能源和化工產品，主要包括煤制氣、煤制油、煤制乙二醇以及煤制烯烴等。煤化工污泥通常作為危廢進行處置，焚燒為最常見的處置方式，污泥的低熱值性質直接影響焚燒過程。污泥含水率較高，焚燒時需加入燃料阻燃，增加了處置成本。

通過取樣調查了國內主要煤化工聚集區的不同類型煤化工污泥，含水率、可揮發性有機質含量和發熱量情況見表1。煤化工污泥相對市政污泥有更高的有機質含量，發熱量更高，資源化潛力巨大。

表1 不同煤化工污泥特性

2.2 熱水解-濕式氧化反應過程優化

煤化工污泥熱水解-濕式氧化反應前后污泥變化如圖2所示，重點研究總化學需氧量（TCOD）、總固體（TS）、氨氮的變化特性，熱水解反應階段，通過提高污泥有機質水熱液化轉移效率，提升濕式氧化處理的運行效率及穩定性。濕式氧化反應過程考察了反應溫度、反應時間、氧分壓、PH、污泥濃度等參數，對反應過程的影響，明確反應溫度和氧分壓兩個關鍵影響因子及其可能的作用機制，最終形成反應體系最佳工藝參數。

圖 2 反應前后污泥性狀變化

2.3 篩選濕式氧化雙功能廣譜型催化劑

催化劑是熱水解和濕式氧化工藝工程化過程的關鍵因子，高效、穩定的催化劑能夠減少反應溫度、壓力和時間，催化劑的使用提高反應效率、減小反應器大小，降低反應器耐溫耐壓要求，節省反應裝置的投資和運行成本。

篩選適合煤化工廢水污泥特征高效穩定的熱水解-濕式氧化雙功能廣譜型催化劑，研究催化劑形貌、活性組分對污泥及其污染物的功能影響，并開展催化轉化效率及穩定性評價；研究特征污染物在濕式氧化過程中的熱力學及動力學規律，以及毒害有機物選擇性分解轉化的關鍵控制因素、優化控制條件。催化劑形貌表征、催化效果及其催化物質流分析如圖3所示。

圖 3 催化劑形貌表征、催化效果及其催化降解物質流分析

2.4 污染物降解機理

煤化工污泥的降解產物影響后續處置和資源化利用，通過產物定性定量分析，解析煤化工污泥經過熱水解耦合濕式催化氧化處理后，特征污染物的降解路徑、主要降解產物，進而進行反應路徑的定向調控。

污泥經過熱水解-濕式氧化處理后產物主要包括3種，即固相污泥殘渣、氧化液、廢氣，通過X射線衍射能譜對固相污泥殘渣進行結構定量分析，反應后無定形物減少，主要成分為Al、Fe氧化物及硫酸鹽。通過高效液相色譜和三維熒光光譜對氧化液進行定性分析，液相產物主要成分為小分子有機酸。經過氣相色譜-質譜聯用分析可揮發性有機污染物被完全去除，氣相產物主要為二氧化碳和水蒸氣，污泥反應產物分析如圖4所示。

圖4 污泥反應產物分析

熱水解-濕式催化氧化耦合工藝及成套裝備

根據煤化工污泥實驗室結果，研制了氧氣內循環自吸式濕式氧化反應器，找到臨界轉速、吸氣速率、氣含率、體積傳質系數等因素的影響規律，強化氣液傳質與氧氣擴散過程，實現污泥濕式氧化反應器高效深度減量與安全轉化。

在高溫高壓環境下，設備腐蝕嚴重影響設備安全與壽命，通過試驗研究了304不銹鋼、316不銹鋼、鈦材（TA10）和哈氏合金（C-276）在水熱環境下的腐蝕情況，根據試驗結果選擇滿足功能性和經濟性的反應釜及管道材質SEM表征如圖5所示。

圖 5 水熱環境中材質腐蝕測試

解析了污泥在熱水解反應器中溫度場、濃度場、流場等多種物理場主要特征及相互關聯度，經過流體仿真模擬優化了反應器結構和運行控制參數，流體仿真參數優化仿真結果如圖6所示。

圖 6 流體仿真參數優化仿真結果

基于工藝優化、反應器結構、材質防腐等基礎研究，構建高效低耗的熱水解-濕式催化氧化耦合工藝，完成成套裝備開發，集成裝備的工藝設計、三維設計圖和實物，污泥熱水解耦合催化濕式氧化處理系統工藝流程、三維設計和實物如圖7所示。

圖 7 工藝流程、三維設計和實物

煤化工污泥熱水解耦合催化濕式氧化處理系統主體裝置，主要由污泥配料罐、污泥進料罐、多級換熱器、蒸汽混合罐、熱水解反應器、氧化反應釜、高壓空氣壓縮機、高壓空氣儲罐、閃蒸罐、儲料罐等部分組成，系統組成與主要功能見表2。

表 2 污泥熱水解耦合催化濕式氧化處理系統組成與主要功能

單套系統共有14個溫度監控點位，6個壓力監控點位，5個流量監控點位，液位監控5個點位，20余個各類自動閥門，高度自動化保證系統滿足24 h自動連續運行，無需人為操作。煤化工污泥熱水解耦合催化濕式氧化處理系統包括2個熱源，系統在啟動時需要開啟雙熱源加熱，正常運行后由于氧化反應釋放大量熱，整體僅需補充少量熱量即可平穩運行。

（1）蒸汽發生器提供的約130 ℃生蒸汽，可根據項目條件選擇其他蒸汽來源。

（2）通過電加熱導熱油間接加熱反應釜，保證反應釜溫度能夠達到較高的反應溫度。

現場應用效果

杭州研究院通過工藝與裝備技術創新，研制出基于熱水解耦合催化濕式氧化技術的煤化工污泥處置裝備，在兗礦國宏化工有限責任公司落地應用。

兗礦國宏化工有限責任公司已建成高硫煤綜合利用年產50萬t甲醇項目和5萬t的CO?回收裝置。該公司氣化工藝為美國GE公司的德士古水煤漿加壓氣化，生產過程中產生煤化工廢水，廠區西側配套建設1座污水處理站，設計規模為4 800 m/d。煤化工廢水處理工藝采用“SBR+接觸氧化（原A/O池）+除氟”工藝。

在廢水處理過程中產生一定量的有機生化污泥，含水率高，處置困難。污泥處理處置項目規模為3 t/d，污泥取自國宏化工污水站生化工藝污泥濃縮池，設備占地約25 m，24 h連續運行，控制系統分為手動（M）和自動（A）2種模式，手動模式下閥門、泵、攪拌機、加熱等所有設備部件都可單獨控制，方便技術人員檢修各配件工作狀態；自動模式狀態下各部件連鎖運行，用于正常運行，煤化工污泥綠色高效原位減量處置系統控制界面如圖8所示。

圖8 煤化工污泥綠色高效原位減量處置系統控制界面

煤化工污泥經過綠色高效原位減量處置技術與成套裝備的現場處置后，減量化和無害化效果明顯，裝備現場應用情況如圖9所示。現場應用情況結果表明煤化工污泥經熱水解耦合濕式催化氧化后，實現出料污泥的含水率為29.3%，處理后脫水污泥總體減量化87.5%污泥中的特征污染物（苯系物）在脫水濾液即氧化液中未檢出，安全轉化率達到100%；反應后氧化液的BOD/COD_Cr 為 0.67。