
(唐山科源環(huán)保技術裝備有限公司河北唐山 063000)
摘要:從國家和地方頒布的污染物排放標準出發(fā),結合國家能源供應狀況,分析并指出煤氣發(fā)生爐煤氣作為陶瓷爐窯燃料符合我國能源安全要求,借鑒其他行業(yè)煤氣發(fā)生爐煤氣凈化的工程經驗,分析提出經過脫硫和脫氨處理后的煤氣發(fā)生爐煤氣作為噴霧干燥塔和燒成窯爐的燃料,其煙氣不需要進行煙氣脫硫、脫硝處理可以達到排放標準要求,其SO2、NOx排放水平可以達到甚至優(yōu)于天然氣水平。針對陶瓷行業(yè)煤氣站存在的環(huán)境污染因素,系統(tǒng)闡述了煤氣站及煤氣燃燒煙氣可以達到的環(huán)境治理技術水平。
關鍵詞:陶瓷行業(yè);環(huán)保標準;能源安全;燃料;天然氣;煤氣發(fā)生爐煤氣;水煤漿;煤粉
0引言
我國是世界陶瓷生產大國,2017年,建筑陶瓷產量為101.5億m2,衛(wèi)生陶瓷產量為2.18億件,日用陶瓷產量約為227億件【1】。我國瓷行業(yè)的主要燃料包括煤氣發(fā)生爐煤氣、天然氣、水煤漿、煤粉和液化石油氣等,另外還有煤層氣、焦爐煤氣以及重油和柴油等燃料應用【1,2】。近年國家和地方在頒布實施一系列污染物排放最新標準的同時,又出臺了一系列“煤改氣”類的燃料強制性措施,但繼而出現(xiàn)的大面積天然氣“氣荒”,使陶瓷行業(yè)對燃料的選擇陷入了一片茫然。
本文從國家(地方)頒布的污染物排放標準出發(fā),結合國家能源供應狀況,對煤氣發(fā)生爐煤氣作為陶瓷爐窯燃料的能源安全合理性、煙氣污染物達標排放程度、煤氣發(fā)生爐煤氣站目前環(huán)境狀況及治理措施進行系統(tǒng)分析,旨在揭示煤氣發(fā)生爐煤氣作為陶瓷爐窯燃料合理性和可行性。
1陶瓷行業(yè)現(xiàn)行環(huán)保標準及不同燃料煙氣主要污染物排放
1.1 陶瓷行業(yè)現(xiàn)行環(huán)保標準【3,4】
近年來,國家和地方針對陶瓷行業(yè)陸續(xù)頒布了一系列大氣污染物排放標準。2010年《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標準》(GB25464-2010)頒布實施,2014年環(huán)保部又通過“修改單”的形式,對標準中的相關限制數(shù)據(jù)進行了修改。2018-2019年山東省和廣東省分別頒布(更新)并實施了相關的地方標準。新標準的實施有利于陶瓷行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展,相關標準規(guī)定的煙氣污染物初始排放限值參見表1。

1.2陶瓷行業(yè)不同燃料爐窯煙氣主要污染物排放
建筑陶瓷爐窯由噴霧干燥塔和燒成窯爐組成。噴霧干燥塔的能耗一般占30-45%【1】,其煙氣中的顆粒物主要來源于原料帶出和燃料燃燒產生;煙氣中的SO2主要來源于燃料燃燒產生。燒成窯爐煙氣中的顆粒物源于燒成坯料表面附著和燃料燃燒;煙氣中的SO2主要來源于燃料燃燒和原料中含硫鹽類的熱分解。噴霧干燥和燒成窯爐煙氣中的NOx主要為燃料燃燒產生,其中以燃料型NOx和熱力型NOx為主。表2【2,5】為不同燃料爐窯煙氣污染物初始排放濃度數(shù)據(jù),表2、表1數(shù)據(jù)顯示:燃煤和重油污染排放強度最大,其次是水煤漿和柴油,煤氣發(fā)生爐煤氣次之,天然氣污染強度最小,但都需要采取必要的措施進行處理【5】,才能到達相關標準規(guī)定的限制要求。

2基于我國的能源安全陶瓷行業(yè)燃料應用分析
2.1 我國能源供應消費現(xiàn)狀及能源安全【6,7,8,9】
2018年,我國能源生產總量37.7×108tce,同比增長5.0%。其中原煤產量36.8×108t,同比增長4.5%,原油產量1.9×108t,同比下降1.3%,天然氣產量1603×108m3,同比增長8.3%。從一次能源供應結構占比及年度變化分析:煤炭占比2017年為69.6%,2018年為69.1%;原油占比2017年為7.6%,2018年為7.1%;天然氣占比2017年為5.4%,2018年為5.6%。從能源消費結構分析,2017年,我國能源消費總量為41.6×108tce。其中煤炭占比65.2%,石油占比20.2%,天然氣占比7.5%。2018年我國煤炭消費占比降至59.0%,石油和天然氣消費占比相應增加,其中天然氣占比接近8%。
2016年以來受環(huán)保及產業(yè)政策影響,我國石油、天然氣消費呈急速上升趨勢,我國于2017年超過美國,成為全球最大的原油進口國,2018年超過日本,成為全球最大的天然氣進口國。同時我國石油和天然氣的對外依存度數(shù)據(jù)也不斷被刷新,國家能源安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。2018年,我國能源凈進口量約為10×108tce,對外依存度21%。其中原油凈進口量4.6×108t,同比增長10%,對外依存度高達71%;天然氣凈進口量1200×108m3,同比增長32%,對外依存度達到43%。我國原油和天然氣的對外依存度都遠高于國際公認的30%的安全警戒線,而且我國能源輸入渠道過分依賴海上集中運輸,其中天然氣進口總量的58%依靠海運,原油進口總量的80%須要通過馬六甲海峽運輸,這些也極大的增加了我國能源安全的風險。
2.2 “煤改氣”引起的天然氣供需矛盾及陶瓷行業(yè)燃料選擇問題分析
2015年前建筑陶瓷爐窯多以煤氣發(fā)生爐煤氣為燃料,噴霧干燥塔多以水煤漿、粉煤或重油為燃料。隨著“煤改氣”政策的實施,特別是近兩年陶瓷產區(qū)地方政府推出或“煤改氣”或“退出”的單項選擇,導致許多企業(yè)被迫關閉生產線,2018年約有20%的瓷磚企業(yè)被迫關閉,2019年關閉企業(yè)數(shù)量還在繼續(xù)增加【10】。
“煤改氣”風暴不但給陶企帶來成本上的巨大壓力【11】,同時也出現(xiàn)了嚴重的供需矛盾。以廣東清遠為例,截止2018年全市169條生產線中的124條完成天然氣燃料改造,全市向陶企供氣能力為160×104m3/d,僅能夠滿足其中的75條生產線的平均需求(平均需求150×104m3/d,最高需求188×104m3/d)【12】。
從全國范圍分析,全行業(yè)實施天然氣改造存在嚴重的不合理性。2017年陶瓷行業(yè)燃料消耗約6454萬噸標準煤,其中建筑陶瓷燃料消耗量占85%【1】。如果全國陶瓷行業(yè)全部改用天然氣,陶瓷行業(yè)天然氣全年總需求量約為565×108m3(其中建陶行業(yè)480×108m3),占2017年全國天然氣供應總量的26.1%,占當年天然氣工業(yè)燃氣供氣量的71.9%(2017年天然氣總消費量2162×108m3,其中工業(yè)燃氣消費占比36.3%【13】)。這顯然不符合我國天然氣供給結構的要求。
從我國能源“富煤、少油、缺氣”的能源結構和石油、天然氣對外依存度居高不下的能源安全形勢分析,煤系燃料(煤氣發(fā)生爐煤氣、水煤漿、煤粉等)比油氣系燃料(天然氣、重油、柴油和石油液化氣等)更符合我國陶瓷行業(yè)的燃料選擇。但煤系燃料的污染問題又嚴重制約了其應用,粉煤帶來的煙氣污染最為嚴重,水煤漿作為潔凈煤技術的一種,雖然優(yōu)于直接燃煤,但仍然受制于制漿用煤的含硫和含氮的問題,燃燒煙氣必須進行脫硫、脫硝處理。煤氣發(fā)生爐在造氣過程中,煤中的硫一般僅有60-80%以H2S形式轉移至煤氣中,可以利用煤氣脫硫技術進行脫除;另外煤中的氮大多以NH3的形式轉移至煤氣中,通過煤氣脫氨技術可以有效降低煤氣中NH3的含量,從而減少煤氣燃燒產生的燃料型NOx。采取有效的脫硫、脫氨處理后的煤氣發(fā)生爐煤氣,其燃燒煙氣可以達到不經煙氣脫硫、脫硝處理就可以滿足相關排放標準的水平,但目前陶瓷行業(yè)應用的煤氣發(fā)生爐煤氣站自身存在諸多環(huán)境問題需要徹底解決。
3煤氣發(fā)生爐煤氣作為陶瓷爐窯燃料SO2/NOx達標排放分析
3.1 建陶生產過程S的轉移排放路線及煤氣脫硫煙氣達標排放
建筑陶瓷生產過程中硫的轉移和SO2排放路線參見圖1,熱風爐燃料中的S燃燒生成SO2,在噴霧干燥塔內這部分SO2一部分被原料粉料吸收轉化為硫酸鹽,另一部分隨煙氣排放。另外入干燥塔的原料漿料中也含有少量硫酸鹽,原料粉料吸收SO2形成的硫酸鹽和其自帶的硫酸鹽,隨壓制成型的坯料進入燒成窯爐,在窯爐內硫酸鹽分解產生的SO2和窯爐燃料燃燒產生的SO2隨窯爐煙氣排放。

應用煤氣發(fā)生爐煤氣濕法脫硫技術,可以將煤氣中的H2S控制在45-50mg/Nm3【14】,相應煙氣中SO2折算濃度為5mg/m3左右(基準氧含量18%)??紤]到陶瓷原料中硫酸鹽受熱分解產生的SO2增量因素,可以利用濕法脫硫技術對煤氣進行一級脫硫,然后利用干法脫硫技術進行煤氣二級精脫硫,煤氣中H2S可以控在10-20mg/Nm3,相應煙氣中SO2折算濃度為1-2mg/m3(基準氧含量18%),經過煤氣“粗脫+精脫”脫硫處理后的煤氣,其燃燒煙氣應該可以達到相關環(huán)保標準要求。山西某焦油深加工企業(yè)利用煤氣發(fā)生爐煤氣為焦油蒸餾管式爐提供燃料,煤氣站對煤氣進行濕法脫硫處理,3臺管式爐排放點煙氣SO2排放濃度監(jiān)測分別為8、18、22mg/m3(基準含氧量8%),折算排放濃度為2、4、5mg/m3(基準含氧量18%)。
如果噴霧干燥塔和燒成窯爐全部采用經過脫硫處理的煤氣發(fā)生爐煤氣作為燃料,首先熱風爐燃料燃燒產生的SO2量較少,噴霧干燥塔煙氣的SO2可以達標排放,原料粉料吸收SO2而形成的硫酸鹽量相應減少。在入窯原料中硫酸鹽減少的前提下,燒成窯爐以脫硫處理后的煤氣發(fā)生爐煤氣為燃料,窯爐煙氣中的燃料型SO2和硫酸鹽分解的SO2都相對較少,窯爐煙氣可以達標排放。
3.3建陶生產過程NOx及煤氣脫氨煙氣達標排放
建筑陶瓷生產過程中NOx主要來源于燃料燃燒,天然氣燃燒主要產生熱力型NOx,煤氣發(fā)生爐煤氣熱值相對較低,其燃燒產生的NOx主要以燃料型NOx為主,NOx的主要前驅體為煤炭熱解過程中產生的NH3。煤氣降溫過程中,煤氣中的一部分NH3溶于冷凝酚水中,在利用“水夾套蒸發(fā)-爐內焚燒”技術處理酚水過程中,NH3隨酚水蒸汽進入氣化爐的高溫氧化層區(qū)被氧化成NO,然后NO在還原層被半焦、CO等物質還原成N2;另外,煤氣濕法脫硫過程中,一部分溶于脫硫液中的NH3與煤氣中的H2S發(fā)生脫硫反應從而被脫除【15,16】。還可以進一步采用經過深度冷卻的酚水,對脫硫前的煤氣進行深度沖洗脫除并溶于酚水中,然后在利用“水夾套蒸發(fā)-爐內焚燒”技術處理酚水的過程中將其無害化轉化處置【17】。以上過程可以有效脫除煤氣中的部分NH3,從而有效降低煤氣燃燒煙氣中的燃料型NOx。
山西某焦油深加工企業(yè)利用煤氣發(fā)生爐煤氣為焦油蒸餾管式爐提供燃料,煤氣站采用煤氣濕法脫硫系統(tǒng),同時對酚水采用“水夾套蒸發(fā)-爐內焚燒”技術進行處理,管式爐煙氣NOx監(jiān)測濃度為140-144mg/m3(基準含氧量8%),按照基準含氧量18%折算為32-33mg/m3,如果對煤氣再輔以深度脫氨處理,其煙氣中的NOx會明顯降低。以經過以上脫氨處理的煤氣發(fā)生爐煤氣為燃料,可以滿足陶瓷行業(yè)相關環(huán)保標準。
3.4就SO2/NOx排放控制煤氣發(fā)生爐煤氣與天然氣對比分析
天然氣根據(jù)氣源地不同其硫含量存在一定差異,國家標準根據(jù)天然氣總硫含量分為三類:1類≤60mg/m3;2類≤200mg/m3;3類≤350mg/m3。一般工業(yè)天然氣以3類居多,其煙氣SO2折算排放濃度一般為6-10mg/m3(基準氧含量18%)。煤氣發(fā)生爐煤氣經過濕法脫硫后SO2折算排放濃度優(yōu)于天然氣,如果煤氣經過濕法脫硫后再進行二次干法精脫硫處理,其SO2排放濃度更低。
天然氣燃燒火焰溫度較高,其燃燒產生的熱力型NOx的量相對較大,通常采用N2/CO2或水蒸氣稀釋、分級燃燒、催化燃燒、無焰燃燒等技術,降低煙氣NOx排放,我國天然氣燃燒90%采用進口燃燒器,目前我國天然氣煙氣NOx排放水平在100-400mg/m3(基準氧含量3.5%)范圍【18,19,20】,折算濃度17-69 mg/m3(基準氧含量18%)。而煤氣發(fā)生爐煤氣燃燒火焰溫度相對較低,熱力型NOx生成量較少,在煤氣站內可以通過脫除NOx前驅體的方式,減少燃料型NOx的生成,脫氨處理后的煤氣發(fā)生爐煤氣可以達到或優(yōu)于天然氣的NOx排放水平。
4煤氣發(fā)生爐煤氣站環(huán)境治理
4.1 陶瓷行業(yè)煤氣發(fā)生爐煤氣站環(huán)境現(xiàn)狀
2019年7月生態(tài)環(huán)境部等四部委發(fā)布《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》(環(huán)大氣[2019]56號),文件規(guī)定:原則上禁止新建燃料類的煤氣發(fā)生爐。該禁令的頒布主要是因為目前絕大多數(shù)煤氣站自身的環(huán)境污染問題。
目前陶瓷行業(yè)應用煤氣站多為3Q兩段爐冷煤氣工藝,存在諸多環(huán)境污染問題:(1)酚水問題,煤氣站產生的酚水多用于制備水煤漿,有的企業(yè)酚水直接外排,對周邊地下水源構成嚴重污染;(2)多數(shù)煤氣站沒有配置煤氣脫硫系統(tǒng),有的只是配置干法脫硫塔以應付環(huán)保檢查,配置了煤氣濕法脫硫系統(tǒng)的,其脫硫廢液又沒有相應處理措施;(3)煤氣凈化設備敞開式人工清理點、焦油池、廢水池和煤氣濕法脫硫系統(tǒng)散發(fā)的VOCs沒有有效處理措施,惡臭氣味污染嚴重;(4)儲煤和輸煤過程產生的煤粉揚塵,以及放散煙氣(煤氣)等無組織排放造成了周邊環(huán)境的嚴重污染。
4.2煤氣發(fā)生爐煤氣站環(huán)境治理
4.2.1含酚廢水及脫硫廢液的治理
文獻【21】分析了建筑陶瓷行業(yè)目前應用的多項酚水治理方法,指出利用5Q兩段爐“水夾套蒸發(fā)-爐內焚燒”酚水治理技術,將酚水經過多級預處理后,在水夾套內蒸發(fā)為酚水蒸汽,然后以該蒸汽代替軟水蒸汽作為入爐氣化劑,蒸汽中的酚類物質在爐內氧化層進行有效的焚燒處置,不但可以完全處理煤氣站的酚水以及水夾套的排污廢水,而且還可以額外處理外來工業(yè)或生活廢水等。實際運行數(shù)據(jù)顯示,當煤氣站產氣量為6000Nm3/h時,煤氣站在達到站內酚水零排放的前提下,還可以額外處理外來廢水7-8t/d【22】。
煤氣濕法脫硫系統(tǒng)的脫硫廢液含有多種鈉鹽、懸浮硫以及少量輕油和酚類物質。將脫硫廢液通過煤氣發(fā)生爐爐頂定量噴淋系統(tǒng)噴灑于剛入爐的煤料上,脫硫廢液中的水分和高揮發(fā)性的物質被蒸發(fā)進入煤氣中,并隨煤氣冷卻而冷凝析出混入酚水中,利用前述酚水處理系統(tǒng)進行處理;廢液中的懸浮硫在煤氣發(fā)生爐內反應生成H2S,并隨煤氣重新進入脫硫系統(tǒng)進行脫除;廢液中的鹽類等物質隨煤料下行,在氧化層經過高溫焚燒后,混于灰渣中排出爐外【23】。利用該協(xié)同處理技術,可以使脫硫廢液得到有效的無害化處置。
4.2.2VOCs的治理
煤氣站VOCs的主要來源包括酚水和焦油散發(fā)的揮發(fā)性物質,以及煤氣濕法脫硫的再生廢氣等。對煤氣發(fā)生爐煤氣站VOCs進行有效治理,首先需要優(yōu)化改進設備和工藝,所有煤氣凈化設備實現(xiàn)封閉式自動清理,將VOCs散發(fā)點集中在酚水池、焦油池和脫硫再生等工藝點。將VOCs氣體由集中散發(fā)點引出,然后對其所含水汽和高揮發(fā)性物質進行冷凝并捕除后,與氣化劑一起由煤氣發(fā)生爐爐底送入爐內,利用煤氣發(fā)生爐高溫氧化層對該VOCs物質進行爐內焚燒處置【24】,可以有效解決VOCs的污染問題。
4.2.3煤氣站煤粉揚塵及放散煙氣等無組織排放的治理
煤氣發(fā)生爐煤氣站的揚塵污染,來源于儲煤和輸煤兩個環(huán)節(jié)。借鑒火電廠成熟的揚塵治理技術,煤氣站儲煤場四周設置圍墻、頂部設置防雨頂棚,并在圍墻和頂棚之間設置防風抑塵網;儲煤場卸煤或堆取作業(yè)時,可以采取水噴霧抑塵方式進行壓塵;對輸煤工段科學布置收塵點,采用負壓抽吸袋式除塵技術【25】。采取以上措施可以有效解決煤氣站煤粉揚塵導致的環(huán)境污染問題。
煤氣發(fā)生爐在烘爐、點火送氣、熱備或停爐過程中煤氣(煙氣)放散會產生相應的污染,其污染主要特征參見表3【26】。煤氣發(fā)生爐干餾段爐襯壽命一般5-10年,即每5-10年烘爐一次,烘爐頻次較低;點火送氣初期,煤氣發(fā)生爐放散廢氣以CO2為主,同烘爐過程一樣,采取自然放散形式,但該階段時間較短;點火送氣后期、煤氣發(fā)生爐熱備和停爐階段,放散廢氣以CO為主,采取火炬放散形式轉化為CO2排放。烘爐、點火送氣、熱備或停爐過程最后產生的煙氣可以通過設置除塵、脫硫及脫硝系統(tǒng)進行有效處理,從而減少污染物排放。

5總結
(1)從煙氣污染物初始排放強度分析,煤氣發(fā)生爐煤氣排放強度相對較小,僅次于天然氣。從我國能源能源結構和能源供需情況及能源安全角度分析,天然氣不具備大范圍推廣應用的前提,作為煤系燃料的煤氣發(fā)生爐煤氣更符合我國陶瓷行業(yè)的燃料選擇。
(2)在煤氣站內對煤氣進行脫硫和脫氨等有效處理后,可以使煤氣燃燒煙氣達到不經煙氣脫硫、脫硝處理就可以滿足相關排放標準的水平。
(3)煤氣發(fā)生爐煤氣站可以通過采用先進技術,對其產生的酚水、脫硫廢液、VOCs及煤粉揚塵和放散廢氣等無組織排放進行有效治理,從而使煤氣站自身存在的環(huán)境問題得到徹底解決。
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第一作者
姓名:苑衛(wèi)軍(1968-),男,河北省霸州市,高級工程師,工程碩士,1990年本科畢業(yè)于華北理工大學,從事工作內容:煤炭氣化行業(yè),研究方向:煤氣化工藝及設備,聯(lián)系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com。
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