中国煤科10大创新成果┃秦树林研究员：煤化工污泥绿色高效原位处置技术装备研发及应用

2025年08月18日 15:31 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

中国煤科科技创新10大成果专栏

为解决煤化工污泥高污染、难处理及传统干化焚烧技术高能耗、高碳排放的问题，采用污泥热水解耦合催化湿式氧化处理方法，基于试验研究了煤化工污泥特性、热水解-湿式氧化反应过程优化、催化剂筛选及污染物降解机理，开发了成套工艺装备。该技术使污泥含水率从80%降至29.3%，减量化率超87.5%，特征污染物安全转化率100%，能耗较传统技术降低40%，实现了污泥高效减量化、无害化及低碳化处置，为煤化工产业绿色可持续发展提供了技术与装备支撑。

文章来源：《智能矿山》2025年第7期“中国煤科科技创新10大成果专栏”

第一作者：秦树林，研究员，现任中煤科工集团杭州研究院有限公司总工程师、产业创新中心主任、科技发展部主任，主要从事工业废水处理、污泥处理处置技术的相关研究工作。E-mail：hzqsL722@163.com

作者单位：中煤科工集团杭州研究院有限公司

引用格式：秦树林，郑威城，张伟涛，等. 煤化工污泥绿色高效原位处置技术装备研发及应用[J].智能矿山，2025，6(7)：61-67.

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煤化工产业耗水量大，产生的废水有机污染物浓度高，水处理过程产生大量有毒有害污泥，采用处理效果好、运行费用低、工艺稳定的废水和污泥处理方式，实现煤化工废水与污泥同步“零排放”，是煤化工发展的自身需求和外在要求。

污泥是污水处理后的产物，主要特性是含水率高，有机物含量高，容易腐化发臭，且颗粒较细，比重较小，呈胶状液态。煤化工污水污泥中含有大量有机物，如苯、氯酚、多氯联苯、多氯二苯并呋喃和多氯二苯并二恶英等，同时存在寄生虫卵、病原微生物等，处理不当易造成环境二次污染。

目前，针对以煤化工污泥为代表的有毒工业有机污泥，因含有毒有机污染物，常规的厌氧或好氧消化处理效果不佳，通常通过焚烧或干化后焚烧的处理办法，但会产生废气二次污染，增加处理难度，且工艺繁琐、成本高。

湿式氧化技术具有应用范围广、处理效率高、无二次污染、可回收有用物料等优点，是目前处理难降解有机污染物的先进氧化技术，但利用湿式氧化处理污泥在国内处于研究阶段，尚未有工程案例报道。

湿式氧化技术及原理

湿式氧化技术（Wet Air Oxidation，WAO）是在高温高压条件下，以空气或氧气为氧化剂，将有机物在液相环境下氧化为CO₂、H₂O或小分子有机物的方法。WAO工艺目前已经在高浓度工业废水处理领域得到广泛的工程应用。

在处理有机物和有毒污染物浓度高的废水污泥时，湿氧化与替代处理技术相比，具有显著的能耗优势。在处理前无需脱水步骤（如焚烧、干化、热解）即可实现与热处理相当的体积缩减，反应过程能耗更低。与传统燃烧或热处理不同，在湿氧化过程中，废气中的一氧化碳、氮氧化物和硫氧化物含量较低，蒸汽和二氧化碳是尾气中的含量最高的组分。

目前湿式氧化技术在污泥处置领域的工程应用鲜有报道，主要原因是污泥含固率相较于废水较高，容易造成管路和泵阀的堵塞，并且污泥流态特征导致输送、氧化反应、换热效率都与废水有较大差异。

中煤科工集团杭州研究院有限公司（简称杭州研究院）首先开发了污泥热水解耦合催化湿式氧化处理工艺，在热水解工艺段使污泥破壁分解，释放出污泥微生物细胞中的胞内有机污染物，改善污泥流化特性。在催化氧化段，通过新型双功能催化剂将有机污染物高效氧化降解并释放出大量热能，出料通过闪蒸和高效换热器进行热量深度回收，污泥热水解耦合催化湿式氧化处理工艺路线如图1所示。

图1 污泥热水解耦合催化湿式氧化处理总体工艺路线

研究污泥热水解-湿式氧化耦合处理绿色高效原位减量处置的关键技术，攻克了流场优化、高效催化、设备防腐、能量回收等工艺技术瓶颈，开发出行业内首套基于热水解耦合催化湿式氧化技术打造的煤化工污泥处置装备。

煤化工污泥热水解工艺开发

2.1 煤化工污泥特性

现代煤化工是以煤为原料，生产清洁能源和化工产品，主要包括煤制气、煤制油、煤制乙二醇以及煤制烯烃等。煤化工污泥通常作为危废进行处置，焚烧为最常见的处置方式，污泥的低热值性质直接影响焚烧过程。污泥含水率较高，焚烧时需加入燃料阻燃，增加了处置成本。

通过取样调查了国内主要煤化工聚集区的不同类型煤化工污泥，含水率、可挥发性有机质含量和发热量情况见表1。煤化工污泥相对市政污泥有更高的有机质含量，发热量更高，资源化潜力巨大。

表1 不同煤化工污泥特性

2.2 热水解-湿式氧化反应过程优化

煤化工污泥热水解-湿式氧化反应前后污泥变化如图2所示，重点研究总化学需氧量（TCOD）、总固体（TS）、氨氮的变化特性，热水解反应阶段，通过提高污泥有机质水热液化转移效率，提升湿式氧化处理的运行效率及稳定性。湿式氧化反应过程考察了反应温度、反应时间、氧分压、PH、污泥浓度等参数，对反应过程的影响，明确反应温度和氧分压两个关键影响因子及其可能的作用机制，最终形成反应体系最佳工艺参数。

图 2 反应前后污泥性状变化

2.3 筛选湿式氧化双功能广谱型催化剂

催化剂是热水解和湿式氧化工艺工程化过程的关键因子，高效、稳定的催化剂能够减少反应温度、压力和时间，催化剂的使用提高反应效率、减小反应器大小，降低反应器耐温耐压要求，节省反应装置的投资和运行成本。

筛选适合煤化工废水污泥特征高效稳定的热水解-湿式氧化双功能广谱型催化剂，研究催化剂形貌、活性组分对污泥及其污染物的功能影响，并开展催化转化效率及稳定性评价；研究特征污染物在湿式氧化过程中的热力学及动力学规律，以及毒害有机物选择性分解转化的关键控制因素、优化控制条件。催化剂形貌表征、催化效果及其催化物质流分析如图3所示。

图 3 催化剂形貌表征、催化效果及其催化降解物质流分析

2.4 污染物降解机理

煤化工污泥的降解产物影响后续处置和资源化利用，通过产物定性定量分析，解析煤化工污泥经过热水解耦合湿式催化氧化处理后，特征污染物的降解路径、主要降解产物，进而进行反应路径的定向调控。

污泥经过热水解-湿式氧化处理后产物主要包括3种，即固相污泥残渣、氧化液、废气，通过X射线衍射能谱对固相污泥残渣进行结构定量分析，反应后无定形物减少，主要成分为Al、Fe氧化物及硫酸盐。通过高效液相色谱和三维荧光光谱对氧化液进行定性分析，液相产物主要成分为小分子有机酸。经过气相色谱-质谱联用分析可挥发性有机污染物被完全去除，气相产物主要为二氧化碳和水蒸气，污泥反应产物分析如图4所示。

图4 污泥反应产物分析

热水解-湿式催化氧化耦合工艺及成套装备

根据煤化工污泥实验室结果，研制了氧气内循环自吸式湿式氧化反应器，找到临界转速、吸气速率、气含率、体积传质系数等因素的影响规律，强化气液传质与氧气扩散过程，实现污泥湿式氧化反应器高效深度减量与安全转化。

在高温高压环境下，设备腐蚀严重影响设备安全与寿命，通过试验研究了304不锈钢、316不锈钢、钛材（TA10）和哈氏合金（C-276）在水热环境下的腐蚀情况，根据试验结果选择满足功能性和经济性的反应釜及管道材质SEM表征如图5所示。

图 5 水热环境中材质腐蚀测试

解析了污泥在热水解反应器中温度场、浓度场、流场等多种物理场主要特征及相互关联度，经过流体仿真模拟优化了反应器结构和运行控制参数，流体仿真参数优化仿真结果如图6所示。

图 6 流体仿真参数优化仿真结果

基于工艺优化、反应器结构、材质防腐等基础研究，构建高效低耗的热水解-湿式催化氧化耦合工艺，完成成套装备开发，集成装备的工艺设计、三维设计图和实物，污泥热水解耦合催化湿式氧化处理系统工艺流程、三维设计和实物如图7所示。

图 7 工艺流程、三维设计和实物

煤化工污泥热水解耦合催化湿式氧化处理系统主体装置，主要由污泥配料罐、污泥进料罐、多级换热器、蒸汽混合罐、热水解反应器、氧化反应釜、高压空气压缩机、高压空气储罐、闪蒸罐、储料罐等部分组成，系统组成与主要功能见表2。

表 2 污泥热水解耦合催化湿式氧化处理系统组成与主要功能

单套系统共有14个温度监控点位，6个压力监控点位，5个流量监控点位，液位监控5个点位，20余个各类自动阀门，高度自动化保证系统满足24 h自动连续运行，无需人为操作。煤化工污泥热水解耦合催化湿式氧化处理系统包括2个热源，系统在启动时需要开启双热源加热，正常运行后由于氧化反应释放大量热，整体仅需补充少量热量即可平稳运行。

（1）蒸汽发生器提供的约130 ℃生蒸汽，可根据项目条件选择其他蒸汽来源。

（2）通过电加热导热油间接加热反应釜，保证反应釜温度能够达到较高的反应温度。

现场应用效果

杭州研究院通过工艺与装备技术创新，研制出基于热水解耦合催化湿式氧化技术的煤化工污泥处置装备，在兖矿国宏化工有限责任公司落地应用。

兖矿国宏化工有限责任公司已建成高硫煤综合利用年产50万t甲醇项目和5万t的CO₂回收装置。该公司气化工艺为美国GE公司的德士古水煤浆加压气化，生产过程中产生煤化工废水，厂区西侧配套建设1座污水处理站，设计规模为4 800 m/d。煤化工废水处理工艺采用“SBR+接触氧化（原A/O池）+除氟”工艺。

在废水处理过程中产生一定量的有机生化污泥，含水率高，处置困难。污泥处理处置项目规模为3 t/d，污泥取自国宏化工污水站生化工艺污泥浓缩池，设备占地约25 m，24 h连续运行，控制系统分为手动（M）和自动（A）2种模式，手动模式下阀门、泵、搅拌机、加热等所有设备部件都可单独控制，方便技术人员检修各配件工作状态；自动模式状态下各部件连锁运行，用于正常运行，煤化工污泥绿色高效原位减量处置系统控制界面如图8所示。

图8 煤化工污泥绿色高效原位减量处置系统控制界面

煤化工污泥经过绿色高效原位减量处置技术与成套装备的现场处置后，减量化和无害化效果明显，装备现场应用情况如图9所示。现场应用情况结果表明煤化工污泥经热水解耦合湿式催化氧化后，实现出料污泥的含水率为29.3%，处理后脱水污泥总体减量化87.5%污泥中的特征污染物（苯系物）在脱水滤液即氧化液中未检出，安全转化率达到100%；反应后氧化液的BOD/COD_Cr 为 0.67。