焦爐煤氣燃機電廠燃料系統的設計

潛紀儒，李碩平，許 平，羅 輦

（浙江省電力設計院，杭州 310012）

焦爐煤氣是鋼鐵產業煉焦過程的副產品，其主要成分是 H2和CH4， 并有少量 CO，CO2，N2，O2和其它烴類。根據焦化工藝流程，在煤炭的焦化過程中每生產1 t焦炭產生300～350 m3焦爐煤氣（按焦炭級別決定）。其中，只有近一半可以回爐自用，其余必須專門回收，否則只能直接排入大氣或燃燒放散[1]。2007年全國總計焦炭產量約3.35億t，粗略估計，可回收的能量相當于2個西氣東輸工程設計年供氣量?？梢?，每年產生的焦爐煤氣非常驚人，如果不采取有效的措施進行治理或加以利用，而均作為廢氣對空燃燒排放或直接放散，會嚴重污染空氣，增加溫室效應氣體的排放。

聯合循環發電是焦爐煤氣最經濟有效的利用方式。將焦爐煤氣提煉、凈化，作為燃料輸入燃機進行循環發電甚至供熱，不但可以改善環境，而且提高了能源的綜合利用率。

本文結合某燃用焦爐煤氣的燃氣—蒸汽聯合循環電廠，介紹燃機電廠焦爐煤氣燃料系統的設計要點。

1 焦爐煤氣燃料發電項目簡介

某燃氣—蒸汽聯合循環電廠為焦爐煤氣綜合利用工程，來自各焦化廠的粗煤氣經回收、加壓輸送至粗煤氣柜，經凈化后輸送至凈煤氣柜。約46%的凈煤氣加壓后輸送至焦化廠，滿足焦化廠焦爐自用，剩余的凈煤氣再送至電廠燃氣輪機燃燒做功發電。燃機的排氣進入余熱鍋爐，產生中壓蒸汽，換熱后的尾氣則排入大氣。中壓蒸汽進入蒸汽輪機做功發電，同時還可以在蒸汽輪機中間抽取部分蒸汽供熱。該工程燃氣輪機采用美國GE公司生產的PG6561B機組，經改造可燃用低熱值焦爐煤氣，啟動燃料為0號輕柴油，機組裝機形式為2套106B機組。

由于焦爐煤氣中含有煤焦油、H2S、苯、萘等雜質，煤焦油和萘在高溫下可能在燃料供應管路內結垢，造成管路堵塞；H2S和水分子化合成為強腐蝕性的硫酸會腐蝕管道及設備；而重烴會造成燃燒不穩定，積炭堵塞噴嘴[2]。雖然在進入發電系統之前會經過煤氣凈化處理，包括除焦油、脫硫、脫萘等工藝，但不能完全除去焦爐煤氣中的雜質。因此，燃用焦爐煤氣聯合循環電廠的燃料系統設計，就需要考慮采取必要措施和工藝加以控制，以消除雜質對燃氣輪機的影響。

2 系統設計要點

2.1 凈煤氣中的雜質

該工程凈化后的焦爐煤氣儲存在氣柜中，凈煤氣干式氣柜壓力為8 kPa，設計溫度為30℃。凈煤氣成分見表1，雜質含量見表2。

表1 凈煤氣成分

表2 凈煤氣中雜質含量 g/m3

根據美國GE公司的要求，燃機入口絕對壓力要求為2.273～2.411 MPa，溫度要求為143.3～154.4℃。GE公司確認凈煤氣成分滿足要求，但要求進入燃氣輪機的焦爐煤氣中顆粒質量百分比總含量不超過30×10-6，其中10 μm以上顆粒質量百分比含量不超過0.3×10-6，且雜質中不允許含有液體。

因此，如何滿足燃機入口壓力、溫度的要求以及除去焦爐煤氣中的雜質，是工程燃料系統設計的重點。

2.2 焦爐煤氣中雜質的處理

凈煤氣的雜質中，苯在常溫下是液體，熔點5.5℃，沸點80.1℃；萘是無色片狀晶體，熔點80℃，沸點218℃；焦油在常溫常壓下是黑色粘稠液體；NH3和H2S均為溶于水的氣體。該工程供至發電部分的凈煤氣約為52 800 m3/h（標況下）。粗略估算，凈煤氣中苯的含量約為105～210 kg/h，萘的含量約為8 kg/h，焦油的含量約為3 kg/h。

進入燃機前的焦爐煤氣需要充分考慮雜質的特性，采取各種措施以消除雜質的影響，使焦爐煤氣得以安全可靠利用。

2.3 增壓、高溫過濾單元的設置

根據燃機入口壓力要求，需要設置增壓單元。增壓后焦爐煤氣系統可以考慮2個方案。

方案一：由于增壓機出口焦爐煤氣的溫度較高，而常規的過濾分離器設計溫度不超過100℃，因此，先將燃料冷卻到小于100℃，經粗過濾、調壓、精過濾后，再將燃料加熱到燃機所需溫度。該方案的缺點是先降溫后升溫造成能量的浪費，同時系統較為復雜。

方案二：通過匹配合適的增壓機出口燃料溫度，采用高溫過濾器，直接將燃料經粗過濾、調壓、精過濾后，送至燃機入口。該方案的優點是系統簡單。但由于設計溫度較高，設備投資會有所增加。

經論證比較，該工程最終采用方案二。

3 焦爐煤氣燃料系統設計

發電廠焦爐煤氣燃料系統包括焦爐煤氣的增壓、粗過濾、調壓、加熱/補熱、精過濾、計量以及輔助系統。

3.1 增壓單元

焦爐煤氣增壓機有往復式、螺桿式或離心式，甚至是軸流式+離心式等多種形式。焦爐煤氣增壓機通常需滿足以下要求：具備寬廣的運行范圍，以適應燃機變工況的要求；由于焦爐煤氣熱值較低，能適應較大流量的要求；由于焦爐煤氣有毒而且易燃易爆，需具備安全可靠的密封；具有高壓比以滿足燃機的要求。

經技術經濟比選并招標，決定采用往復式增壓機。2臺機組共設5臺50%容量的對稱平衡型往復式增壓機，4用1備。單臺增壓機的設計參數為：進口設計壓力4 kPa，設計溫度30℃；出口設計絕對壓力2.7 MPa，設計溫度150～155℃；設計流量為29 000 m3/h（標況下）。增壓機內設置氣量調節系統，以滿足燃機快速起停以及升/降負荷的要求。

5臺增壓機室內布置。從凈煤氣柜出口的焦爐煤氣經入口隔斷閥供至增壓機房?？紤]選取合適的管徑和坡度，以減少雜質的堆積和堵塞。同時還需要定期清掃或吹掃管道以除去沉淀雜質。增壓機入口設置80目過濾器，可以對進入增壓機內的雜質或顆粒（包括苯、萘和焦油）進行粗過濾以保護增壓機。增壓機出口的焦爐煤氣分別經逆止閥和電動球閥匯總至焦爐煤氣母管，然后進入過濾分離單元。在母管上設置緊急關斷閥，用于發生火災時緊急切斷焦爐煤氣氣源。

3.2 粗過濾單元

增壓機出口設計溫度為150～155℃，此時，殘余雜質均為液體或氣體。粗過濾單元采用2臺過濾分離器，1用1備，每個過濾分離橇塊的設計處理量為2臺機組的總流量。過濾分離器的設計溫度為160℃，采用2級處理，第1級采用可更換和清洗的過濾元件利用濾網過濾原理除去固體雜質，能100%過濾3 μm以上的固體微粒；第2級利用葉片擋板除去焦爐煤氣中的液滴，能100%過濾10 μm以上的液滴。

經過增壓機入口的過濾器和粗過濾單元后，凈煤氣中3 μm以上的固體微粒和10 μm以上的液滴已經被全部除去。

3.3 調壓單元

經過粗過濾的焦爐煤氣進入調壓單元，該單元設置3條調壓支路，2用1備，每條調壓支路的流量設計按1臺機組考慮。由于焦爐煤氣溫度較高，并且雜質中可能存在的萘和焦油會堵塞自立式調壓器的指揮器[3]，因此，調壓支路采用調節閥進行壓力調節。調節閥的流量調節范圍1%～100%，調壓精度≤±1%。調節閥之前設置安全切斷閥，可以實現緊急情況下的氣體截斷。調節閥之后設置檢修隔離球閥。

3.4 加熱/補熱單元

考慮到管路溫降以及焦爐煤氣經調壓后溫度會小幅降低，為滿足燃氣輪機對進口燃料氣體溫度的嚴格要求，焦爐煤氣在調壓后設置加熱/補熱單元，采用1套電加熱裝置，滿足2臺機組設計流量下溫升5℃的要求。同時，加熱器設置旁路系統。

3.5 精過濾單元

焦爐煤氣經粗過濾、調壓、加熱/補熱之后將進入燃氣輪機進行燃燒，為使燃氣輪機更經濟安全的運行，在加熱單元之后設置精過濾單元，2用1備，采用旋風分離加濾芯分離的方式，過濾精度為5 μm。經過濾器至燃機的管道和管件均采用不銹鋼材料。

3.6 計量單元

焦爐煤氣經精過濾單元出口母管分別供至2臺燃機的燃氣模塊。在燃機燃氣模塊前設置計量單元，1臺機組1套，不設備用。采用孔板流量計對焦爐煤氣進行計量，同時配置流量計算、差壓、溫度補償等設備。孔板流量計的精度為1%，性能試驗時需更換為0.5%精度的流量計。為便于檢修，流量計設旁路閥，流量計前后設手動隔離球閥。

3.7 輔助系統

焦爐煤氣燃料系統按壓力等級不同分別設置放散母管。各設備上均設有安全放散閥，以保證設備本身不超壓。設備上或連接的管路上還設有手動放散閥，用于停機檢修時將該設備或管道內的存氣放空。安全放散閥和手動放散閥分別接入放散母管，所有放散母管引至放散塔內集中放散，放散塔采用高空排放式。

燃機前設有泄壓放空管，接入放散母管。泄壓放空用于在電廠重大事故時，緊急關斷閥關閉后，盡快將管道內的存氣放空。泄壓放空管路上設有電動隔離球閥、手動隔離球閥各1只，其中手動隔離球閥為全開閥。

焦爐煤氣燃料系統在設備通氣前或每次檢修后都要進行氮氣置換處理。置換通常利用各單元的隔斷閥門分段進行，先用氮氣將管道內的空氣排空，在排氣口處連續檢測3次，間隔5 min，每次檢測出的氮氣體積百分比濃度大于98%，即置換合格，然后用天然氣將管道內的氮氣排出，直到排氣口處檢測出有天然氣為止。

3.8 控制系統

焦爐煤氣燃料系統所有測量和控制設備及就地儀表和控制器，都配置遠傳到輔控網或DCS系統所需的通訊或硬接線接口信號，并做到就地無人值班?？刂葡到y采用可編程控制器（PLC）對焦爐煤氣燃料系統進行控制。焦爐煤氣燃料系統通過通信接口與電廠輔控網絡通訊連接，運行人員通過設在集中控制室的輔控網絡操作員站對焦爐煤氣燃料系統進行集中監視和控制及運行管理。

由于焦爐煤氣是無色有臭味的有毒氣體，在常溫常壓下比空氣輕。為保證安全，在焦爐煤氣燃料系統各模塊最有可能發生泄漏的區域設置可燃氣體濃度探測器，可以連續檢測環境空氣中存在的微量可燃性氣體，當環境空氣中可燃性氣體的含量達到警戒值時，即能發出報警信號。

4 結語

焦爐煤氣燃機電廠燃料系統將焦爐煤氣作為燃料輸入燃機進行循環發電甚至供熱。在系統設計過程中考慮設置增壓、高溫過濾單元以滿足燃機入口壓力、溫度的要求，并在系統流程各單元中充分考慮燃氣中雜質的特性，采取各種必要的措施和工藝消除雜質對燃氣輪機的影響。目前，該工程還處于建設階段。燃料系統的設計還需要在調試、試運行過程中予以檢驗、完善。

[1]魏惠芳.在山西興建燃氣—蒸汽聯合循環電廠的必要性和可行性探討[J].科技情報開發與經濟,2007，17（11）∶140-142.

[2]陳福元，張小軍.淺析焦爐煤氣雜質對輸配系統的危害及其對策[J].煉焦與制氣，1995，4∶28-34.

[3]吳濤，劉志東.焦爐煤氣調壓器常見故障及解決辦法[J].煤氣與熱力，2007，9（9）∶54-55.