1、中国の石炭化学産業の発展
石炭化学プロセスは、石炭をガス、液体、固体製品または半製品に変換し、さらに化学製品やエネルギー製品に加工する工業プロセスです。コークス化、石炭ガス化、石炭液化などが含まれます。
コークス化は、石炭のさまざまな化学処理の中で最も古く、現在でも最も重要な方法です。その主な目的は、冶金用コークスを生産することであり、同時に石炭ガスやベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレンなどの芳香族炭化水素などの副産物も生産します。
石炭ガス化は石炭化学工業においても重要な役割を果たしており、都市ガスや各種燃料ガス（機械・建材などの産業で広く利用）の製造に利用されています。人々の生活水準の向上や環境保護に寄与するクリーンなエネルギー源です。また、合成ガス（アンモニア、メタノールなどの合成原料）の製造にも利用されており、液体燃料など各種製品の合成原料となっています。
石炭の直接液化は、石炭の高圧水素化液化とも呼ばれ、人工石油や化学製品を生産することができます。石油不足の時代には、石炭液化製品は現在の天然石油の代わりとなることができます。
中国のエネルギー資源の特徴は、「石油とガスが不足し、石炭資源が比較的豊富」であり、石炭価格が比較的低いことです。中国の石炭化学産業は巨大な市場需要と発展の機会に直面しています。
新たな石炭化学産業は、中国のエネルギーの持続可能な利用において重要な役割を果たし、今後20年間の重要な発展方向となる。これは、中国が石炭燃焼による環境汚染を減らし、輸入石油への依存を減らし、エネルギー安全保障を確保する上で大きな意義を持つ。
新しい石炭化学産業は、主に天然ガス、ディーゼル、ガソリン、航空灯油、液化石油ガス、エチレン原料、ポリプロピレン原料、代替燃料（メタノール、ジメチルエーテル）などのクリーンエネルギーと石油化学製品の代替製品を生産しており、エネルギーと化学技術を組み合わせることで、石炭エネルギー化学統合の新興産業を形成することができます。
現在、中国では新しい石炭化学プロジェクトが急速に発展し、至る所で花開いている。新疆だけでも、建設中または計画中の石炭から天然ガスへのプロジェクトが14件ある。不完全な統計によると、中国の石炭からオレフィンへの建設中および計画中の生産能力は2800万トンに達し、石炭から石油への生産能力は4000万トンに達し、石炭から天然ガスへの生産能力は1500億立方メートルに近づき、石炭からエチレングリコールへの生産能力は500万トンを超えた。これらのプロジェクトがすべて完成すると、中国は世界最大の新しい石炭化学産業の生産国となるだろう。
2、石炭化学廃水のゼロ排出の意義
2.1 水の保全
新しい石炭化学産業は膨大な量の水を消費します。大規模な石炭化学プロジェクトの場合、製品1トンあたりの水消費量は10トンを超え、年間の水消費量は通常数千万立方メートルに達します。石炭化学産業の急速な発展は、地域の水資源の供給と需要の不均衡を引き起こしました。中国の石炭資源は主に北部と北西部に集中しており、これらの地域では水資源が著しく不足しています。現在、これらの地域では水利権紛争が発生しています。この状況がさらに発展すると、地元の産業と農業の正常な発展に影響を与え、多くの社会問題ももたらすでしょう。
石炭化学廃水の排出をゼロにし、廃水を最大限に再利用することで、水資源を節約し、深刻な水資源不足を緩和することができます。
2.2 生態環境を保護し、水と地下水の汚染を防ぐ
石炭化学企業は大量の水を消費し、排出する廃水は主に石炭のコークス化、ガス精製、化学製品のリサイクルと精製などのプロセスから発生します。このタイプの廃水は量が多く、水質が複雑で、フェノール、硫黄、アンモニアなどの有機汚染物質や、ビフェニル、ピリジンインドール、キノリンなどの毒性の強い有毒汚染物質を大量に含んでいます。新疆ウイグル自治区の伊犁地域、寧夏回族自治区、内モンゴル自治区などの石炭化学基地など、石炭資源が豊富な地域では、ゼロエミッションを実施することで、生態環境を効果的に保護し、水と地下水の汚染を回避することができます。
2.3 ゼロエミッションの重要性
「ゼロ排出」とは、石炭化学工業の生産過程で発生する生産廃水、汚水、浄化廃水の処理を指し、これらはすべて廃水を外部に排出せずに再利用され、「ゼロ排出」と呼ばれます。現在、北西部地域で建設中または計画中の石炭化学プロジェクトにとって、「ゼロ排出」は特に重要であり、一部の水資源問題を解決するだけでなく、地元の環境と生態系に汚染や損傷を引き起こしません。
3、石炭ガス化廃水の特性
ガス化廃水の発生源と特徴：石炭のガス化の過程で、石炭に含まれる窒素、硫黄、塩素、金属の一部が、ガス化中にアンモニア、シアン、金属化合物に部分的に変換されます。一酸化炭素は水蒸気と反応して少量のギ酸を生成し、それがアンモニアと反応してギ酸アンモニアを生成します。これらの有害物質のほとんどは、ガス化プロセス中の洗浄水、ガス洗浄水、蒸気分離後の分離水、タンク排水に溶解しており、一部は設備のパイプライン洗浄中に排出されます。
石炭ガス化技術には、現在、固定床、流動床、流動床の3つの主要なタイプがあります。炉の種類には、固定床間隔ガス化炉、灰溶融炉、テキサコ炉、エンデ炉などさまざまなタイプがあります。固定床、流動床、流動床ガス化プロセスの排水水質は次の表に示されています。
4、石炭ガス化廃水処理技術
4.1 フェノール・アンモニア回収後の石炭ガス化廃水の水質
3 つのガス化プロセスで生成される廃水は、アンモニア含有量が高いです。固定床プロセスで生成されるフェノール含有量は高いのに対し、他の 2 つは比較的低いです。固定床プロセスはタール含有量が高いのに対し、他の 2 つはタール含有量が低いです。ガスフロー炉プロセスで生成されるギ酸化合物は比較的高いのに対し、他の 2 つのプロセスではあまり生成されません。3 つのプロセスすべてでシアン化物が生成されます。固定床プロセスは、有機汚染物質 COD を最も多く生成し、最も深刻な汚染を引き起こしますが、他の 2 つのプロセスでは汚染が少なくなります。
上記 3 つのプロセスからの廃水は、特にルルギ炉内のアンモニア含有量とフェノール含有量が高いため、前処理なしで直接生化学処理することはできません。
ルルギ炉からの廃水には、前処理と回収のためにフェノールアンモニア回収装置が必要です。流動床および流動床プロセスからのガス化廃水には、アンモニア回収の前処理が必要です。前処理後の各廃水の水質は次のとおりです。
4.2 石炭ガス化（固定床法）廃水生化学処理プロセス
固定床プロセスからのガス化廃水のCODcr濃度は高く、有機廃水に属し、大量のアンモニア性窒素とフェノールを含み、一定の色度を持ち、以下の特徴があります。
（１）下水中の有機物濃度はB/C値が約0.33と高く、生化学的処理技術が適用できる。
（２）廃水には、一定の生物毒性を有するモノフェノール、ポリフェノール、ベンゼン環や複素環を含むその他の物質などの難分解性有機化合物が含まれており、これらの物質は好気性環境では分解が困難であり、嫌気性/通性環境で開環分解する必要があります。
（３）下水中のアンモニア性窒素は濃度が高く、処理が困難であるため、硝化・脱窒能力の強い処理プロセスを採用する必要がある。石炭ガス化排水処理技術
（４）廃水には浮上油、分散油、乳化油、溶解油物質が含まれており、溶解油の主成分はフェノールなどの芳香族化合物です。乳化油は空気浮上法で除去する必要があり、溶解性フェノール物質は生化学的方法と吸着法で除去する必要があります。
（５）廃水中にフェノール類、ポリフェノール類、アンモニア性窒素などの毒性阻害物質が含まれているため、微生物の培養によりその抗毒性能力を高め、適切なプロセスを選択してシステムの耐衝撃性を高める必要がある。
（６）異常汚水排出の影響は、生産工程に問題がある場合、異常汚水中の高濃度汚染物質の排出につながる可能性があり、これは生化学処理システムに直接流入することができず、事故規制などの対策が必要となる。
（７）廃水は色度が高く、発色基を有する物質を含んでいる。
そのため、プロセス廃水処理からの排出水の品質を確保するために、プロセス廃水に対しては、CODcr、BOD5、アンモニア性窒素などの除去（主に硝化と脱窒を考慮）を主眼とした生化学的処理プロセスを選択し、油分除去と脱色を主眼とした前処理プロセスを選択し、物理化学的処理を主眼とした後処理強化プロセスを選択します。採用されたプロセスは次のとおりです。
4.3 ガス化（流動床および流動床）廃水の生化学的処理プロセス
流動床および流動床プロセスによって生成された廃水は、COD が低く、生化学的性質が良好です (特に流動床プロセスによって生成された廃水)。これらの廃水の主な特徴は、アンモニア性窒素が高いことであり、硝化および脱窒効果が良好な処理プロセスを選択する必要があります。
しかし、生化学的処理では、廃水中の有機汚染物質、油、アンモニア、フェノール、シアン化物などを除去するだけで、廃水中の塩分を除去することはできません。
5、石炭ガス化廃水のゼロ排出
5.1 石炭化学排水の分類
石炭化学工業の生産時の排水には、生産廃水、生活廃水、浄化汚水、初期雨水などが含まれます。主な生産廃水はガス化廃水です。浄化廃水は主に循環排水と淡水化ステーションから排出される濃縮塩水から来ています。初期雨水は主に汚染地域の最初の10分間に収集されます。
上記排水の中で量が多いのは上水と生産廃水です。一般的に上水は生産廃水、生活廃水、初期雨水などとは別に回収することが考えられ、上水と下水の2つに分けられます。
5.2 下水の再利用
石炭化学品の製造工程では大量の循環水が必要であり、循環水ステーションの規模も一般的に大きく、大量の補給水が必要となります。清浄な廃水や下水処理放流水の再利用を考える場合、一般的には循環水ステーションの補給水として再利用することが考えられます。
下水処理場からの排水は、大量の有機汚染物質、アンモニア、フェノールなどの物質を除去しますが、その塩分濃度は低下していません。淡水化ステーションからのきれいな廃水と濃縮塩水の塩分濃度は、通常、原水の4〜5倍です。したがって、下水を再利用するには、淡水化処理が必要です。そうしないと、塩分が循環してシステム内に蓄積されます。
5.3 再生水再利用プロセスの種類
現在、中国で適用されている水の淡水化プロセスには、化学淡水化（イオン交換淡水化）、膜分離技術、蒸留淡水化水処理、膜法とイオン交換法を組み合わせた淡水化プロセスなどがあります。
（１）イオン交換淡水化プロセス
イオン交換水処理技術は、かなり成熟しており、水中の塩分濃度が低い用途に適しています。しかし、高塩化物、高塩分、高硬度水、汽水、海水を処理する場合、この技術には、樹脂再生時に大量の酸とアルカリを消費し、排出液で環境を汚染するという欠点があります。
（２）膜淡水化プロセス
膜研究の進歩に伴い、膜分離技術は急速に発展し、膜の使用分野はますます広範囲になっています。操作が簡単、設備がコンパクト、作業環境が安全、省エネ、化学薬品節約などの利点を備えた産業化されたハイテクとなっています。主な分離プロセスは逆浸透技術であり、限外濾過と精密濾過技術は逆浸透の前処理プロセスとして使用されます。原水の水質の違いに基づいて、さまざまなプロセスに組み合わせることができます。
（３）膜法とイオン交換法を組み合わせた淡水化プロセス
逆浸透膜法とイオン交換法からなる淡水化システムは、現在広く使用されている淡水化水処理システムです。このシステムでは、逆浸透がイオン交換の前淡水化システムとして機能し、原水から95％以上の塩分とコロイド、有機物、バクテリアなどの他の不純物の大部分を除去します。逆浸透生成水中の残りの塩分は、その後のイオン交換システムによって除去されます。
5.4 廃水再利用プロセスの選択
下水処理場からの混合水ときれいな廃水を再利用し、一般的に水量が多く、塩分含有量が1000〜3000mg / Lと低いです。蒸留法を直接使用すると、大量の熱源が必要になり、エネルギーを浪費するため、適していません。廃水中に特定の有機汚染物質が存在するため、イオン交換樹脂を使用すると樹脂が詰まる可能性があります。また、リサイクル水の水質要件は高くないため、イオン交換は適していません。膜分離技術と膜製造プロセスの改善に伴い、膜の耐用年数は絶えず増加し、使用価格は絶えず低下しています。膜の使用はますます普及しています。廃水再利用の主なプロセスでは、二重膜法（限外濾過+逆浸透）の使用を優先し、水質のさまざまな特性に応じて廃水を前処理して、二重膜の使用条件を満たすことをお勧めします。
5.5 濃縮塩水膜濃縮
国内外の多くの企業が、二重膜法で製造された濃縮塩水を膜再濃縮し、塩分濃度を60000～80000mg/Lにすることを研究しています。これは、廃水中の塩分濃度を可能な限り高め、後続の蒸発装置の規模を縮小し、投資を減らし、エネルギーを節約することを目的としています。
国際的によく使用されているプロセスには、アクアテックのHERO膜濃縮プロセス、GEのナノ濾過膜濃縮プロセス、ヴェオリアのOPUS膜濃縮プロセス、マイワンの振動膜濃縮プロセスなどがあります。上記のプロセスは、海外で塩の濃縮で成功を収めています。国内の一部企業も膜濃縮プロセスを研究していますが、現在のところ、その使用の実績やエンジニアリング例はありません。
5.6 蒸発
濃縮塩水は塩分濃度が60000～80000mg/Lに達した後、蒸発が行われます。海外では、廃水の蒸発プロセスは一般的に「流下膜式機械蒸気圧縮循環蒸発技術」を採用しており、これは現在世界で最も信頼性が高く効果的な高塩分廃水処理技術ソリューションです。機械圧縮循環蒸発技術を使用して廃水を処理する場合、廃水の蒸発に必要な熱エネルギーは、主に蒸気の凝縮と凝縮水の冷却中に放出または交換される熱エネルギーによって提供されます。動作中に潜熱が失われることはありません。動作中に消費されるエネルギーは、蒸発器内の廃水、蒸気、凝縮水の循環と流れを駆動する水ポンプ、蒸気コンプレッサー、および制御システムのみです。
蒸気を熱エネルギーとして使用する場合、1キログラムの水を蒸発させるのに554kcalの熱エネルギーが必要です。機械圧縮蒸発技術を使用する場合、1トンの塩分廃水を処理するのに通常必要なエネルギーは20〜30kWhの電気です。つまり、1キログラムの水を蒸発させるのに必要な熱エネルギーは28kcal以下です。単一の機械圧縮蒸発器の効率は、理論的には20効果の多重効果蒸発システムの効率に相当します。多重効果蒸発技術を採用すると効率が向上しますが、設備投資と操作の複雑さが増加します。蒸発器は通常、廃水中の塩分含有量を20％以上に増やすことができます。通常は蒸発池に送られ、自然蒸発と結晶化が行われます。または、結晶化装置に送られ、結晶化と乾燥で固体になり、その後廃棄されます。
6、国内ゼロエミッションプロジェクト事例紹介
伊利新天の20億立方メートルの石炭から天然ガスへのプロジェクト
Ø 中質炭オルドスエネルギー化学株式会社のトゥケ肥料プロジェクトフェーズI、年間100万トンの合成アンモニアと175万トンの尿素を生産
Ø 中国電力投資公司 沂南 3 × 20億Nm 3/a 石炭天然ガスプロジェクト フェーズI 20億Nm 3/a プロジェクト
神華石炭直接液化プロジェクト
ゼロエミッションプロジェクトの成果
6.1 伊利新田年間生産量20億立方メートルの石炭から天然ガスへのプロジェクト（ゼネコン）
Ø ガス化プロセス：粉砕石炭加圧固定床ガス化技術（陸斉炉）
Ø プロジェクト成果: 年間20億Nm3の天然ガス生産
Ø 下水処理システムの内容:
下水処理場：1200m3/h
廃水の再利用:
① 生化学廃水再利用装置：1200m3/h
② 塩分含有排水再利用装置：1200m3/h
③ 多重効果蒸発装置：300m3/h
6.2 中質炭のトゥケ肥料プロジェクト（EPC）オルドスエネルギー化学株式会社
Ø ガス化プロセス：粉砕石炭スラグの圧力ガス化技術（BGL）
Ø プロジェクト生産物: 合成アンモニア100万トン/年、尿素175万トン/年
Ø 下水処理システムの内容:
廃水処理場：360m3/h
再生水処理装置：1200m3/h
濃縮塩水処理装置：200m3/h
加工技術：
下水処理プロセスフロー
6.3 中国電力投資公司 沂南 3 × 20億Nm 3/a 石炭天然ガスプロジェクト フェーズI 20億Nm 3/a プロジェクト (全体設計+基本設計)
ガス化プロセス：純酸素流動床ガス化技術（GSP炉）
Ø プロジェクト成果: 年間20億Nm3の天然ガス生産
Ø 下水処理システムの内容:
廃水処理場：280m3/h
再生水処理装置：900m3/h
濃縮塩水処理装置：120m 3/h
Ø 加工技術:
下水処理装置：前処理＋二次生化学＋高度処理
再生水処理装置：前処理+限外濾過+逆浸透
濃縮塩水処理装置：膜濃縮＋蒸発結晶化
6.4 神華石炭直接液化（石炭から石油へ）プロジェクト
Ø 下水処理システムの内容:
生化学処理部門：油性廃水処理システム、高濃度廃水処理システムを含む
塩処理部門：塩含有廃水システム、触媒調製廃水システム、蒸発濃縮物処理システムを含む
Ø 処理規模:
油性廃水処理システム：204m3/h
高濃度下水処理システム：150m 3/h
塩分を含む下水道：286m3/h
触媒調製廃水システム：103m3/h
濃縮塩水処理システム：蒸発器、結晶化、蒸発池面積約12平方メートル
