煤制氣中甲烷、氫氣含量變化對發電氣耗的影響

李偉龍 王佰仟

（北京京能未來燃氣熱電有限公司，北京 102209）

煤制氣中甲烷、氫氣含量變化對發電氣耗的影響

李偉龍 王佰仟

（北京京能未來燃氣熱電有限公司，北京 102209）

通過闡述煤制氣的基本原理、與常規天然氣的區別，分析其甲烷和氫氣含量對發電氣耗的影響，凸顯出尋求一種更科學、更公平的天然氣結算方式的必要性，從而維護天然氣公司的經濟效益。

煤制氣；熱值；發電氣耗；天然氣結算

1 什么是煤制氣

以煤為原料經過加壓氣化后，脫硫提純制得的含有可燃組分的氣體。根據加工方法、煤氣性質和用途分為：煤氣化得到的是水煤氣、半水煤氣、空氣煤氣（或稱發生爐煤氣），這些煤氣的發熱值較低，故又統稱為低熱值煤氣；煤干餾法中焦化得到的氣體稱為焦爐煤氣，屬于中熱值煤氣，可供城市作民用燃料。煤氣中的一氧化碳和氫氣是重要的化工原料，可用于合成氨、甲醇等。為此，將用作化工原料的煤氣稱為合成氣，也可用天然氣、輕質油和重質油制得。

2 煤制氣與天然氣的區別

天然氣是一種多組合的混合氣態化石燃料，主要成分為甲烷，也含有乙烷、丙烷、氮氣和二氧化碳等成分，幾乎不含氫。作為產品天然氣，國家標準——《天然氣》（GB17820-2012）對其熱值有規定：高位發熱值＞31.4MJ/m3。煤制氣是人工煤氣的一種，是將燃料煤經干餾、氣化、裂解制取的可燃氣體。生產原理是由一氧化碳與氫氣反應形成甲烷，因此煤制天然氣的產品中不可避免地含有氫氣［1］。

3 天然氣成分變化對熱值的影響

表1為大唐克旗煤制天然氣的成分表，可見與常規天然氣相比，其甲烷及氫氣含量偏高（常規天然氣含量分別為93%和0.1%左右），且不含油其他烷烴類（常規天然氣中含有約4%），造成兩者低位熱值存在一定差異。

表1 大唐克旗煤制天然氣成分表

相同體積下的氫氣和甲烷的熱值低于其他烷烴類，因此，天然氣中氫氣和甲烷的相對含量越高，其他烷烴類相對含量越低，則熱值越低。而天然氣的熱值分為高位熱值和低位熱值，高位熱值是指一標準立方米天然氣完全燃燒后其煙氣被冷卻至原始溫度，而其中的水蒸氣以凝結水狀態排出時所放出的熱量；低位熱值是指一標準立方米天然氣完全燃燒后其煙氣被冷卻至原始溫度，但煙氣中的水蒸氣仍為蒸氣狀態時所放出的熱量。高低位熱值差值為水蒸氣的氣化潛熱。氣化潛熱是不能轉化為有效做功的熱能。甲烷在燃燒時發生以下化學反應：CH4+2O2=CO2+2H2O。

甲烷在烴類中含氫量最高，密度最小，約0.54。因此，在一標方天然氣中，甲烷及氫氣含量越高，其他烴類氣體則越少，可燃燒的物質越少，燃燒后產生的熱值自然會降低。而產生的水分比例增加，低位熱值則更低，發電可利用的有效熱值也越低。

4 煤制氣對發電氣耗的影響

表2 未來熱電天然氣含量檢驗報告統計表

4.1 煤制氣進廠前后天然氣成分對比情況

表2和圖1為煤制氣進廠前后天然氣成分對比情況，據此可以直觀看出，隨著甲烷及氫氣相對含量的增加，熱值呈現下降趨勢。

4.2 煤制氣與天然氣同期熱值比較

表3為煤制氣與天然氣同期熱值比較，北京京能未來燃氣熱電有限公司一年約耗用2.3億Nm3天然氣，按太陽宮3月化驗結果計算，該公司如果用北石槽（混合氣氫含量0.787 2%）較用天然氣多耗用2.3×34.613 98/33.355 32-2.3=0.086 79億Nm3=867.9萬Nm3，每年增加燃料費用約0.279 46億元。如果按表1中混合氣氫含量1.08%時低位熱值計算，較用天然氣多耗用2.3×34.613 98/33-2.3=0.112 48億Nm3=1 124.8萬Nm3，每年增加燃料費用約0.362 22億元。

圖1 未來熱電天然氣成分對比情況

表3 2015年3月天然氣公司提供太陽宮電廠兩取樣點天然氣化驗結果

4.3 天然氣和煤制氣中氫氣含量變化對發電氣耗的影響

煤制氣中甲烷含量比較穩定，因此，氫氣含量變化極大地影響了天然氣的耗氣量。鑒于此，現就平均負荷190MW、最大負荷250MW下天然氣和煤制氣中氫氣含量變化對發電氣耗的影響進行分析。因為考慮環境因素等影響，取值為一天中的不同時段的對應值。通過比較在煤制氣進廠后，190MW時氣耗增加0.004 5Nm3/（kW·h），250MW時氣耗增加0.004 8Nm3/（kW·h）。在190MW負荷時，氫含量每上升0.1%，氣耗上升為0.001 5Nm3/（kW·h）。在250MW負荷時，氫含量每上升0.1%，氣耗上升為0.002 4Nm3/（kW·h）。因為機組在正常運行時，負荷越高，氣耗相對越小。所以，在高負荷時，氫含量的上升對氣耗的影響更大。

4.4 發電氣耗情況分析

①2015年全年利用小時按4 500計算，全年平均負荷預測為171MW，參照2014年生產指標機組用純天然氣發電時氣耗約為0.21Nm3/（kW·h），若2015年摻燃燒煤制氣后天然氣氫含量全年按0.4%計算，發電氣耗增加約0.004Nm3/（kW·h），全年多消耗天然氣約459萬Nm3。

②2014年冬季克旗進北京六環方向煤制氣5萬～8萬Nm3/h，總用氣250萬～300萬Nm3/h，2014年冬季供暖（2015年3月前）監測氫含0.2%～0.3%。2015年隨著冬季大負荷的結束，北京六環方向總用天然氣量的逐漸下降，根據2014年11月下旬煤制氣進京后監測當天然氣氫含量0.3%～0.7%，2015年夏季總用氣40萬～50萬Nm3/h，克旗進京煤制氣仍將保持在5萬～8萬Nm3/h，預測2015年3-11月天然氣中氫含量0.5%～1.5%，按平均190MW負荷計算將使發電氣耗增加約0.007 5～0.022 5Nm3/（kW·h），2015年全年多消耗天然氣約860.625萬～2 581.875萬Nm3，增加運營成本約2 771.212 5萬～8 313.640 0萬元。

5 結語

目前北京京能未來燃氣熱電有限公司天然氣采用按體積進行計量和結算，年耗氣量高達2.3億Nm3，熱值相對較低且氫含量不穩定的煤制氣的通入，無疑對運營成本、機組效率和壽命造成了極大的影響，尋找一條更科學、更公平的結算方式才能維護自身經濟效益。

［1］劉驥.天然氣組分對燃機電廠的經濟影響［J］.中國高新技術企業，2014（19）：69-70.

Influence of Methane and Hydrogen Content on Power Generation Gas Consumption in Coal Gasification

Li Weilong Wang Baiqian
（Beijing Jingneng Future Gas Thermal Power Co.Ltd.，BeiJing 102209）

This paper introduced the basic principle of coal gas and the difference between conventional natural gas, and the effect of methane and hydrogen content on the power consumption of electricity generation was analyzed, which highlight the need to seek a more scientific and equitable way of natural gas settlement,so as to maintain the economic benefits of natural gas companies.

coal gas；calorific value；power generation gas consumption；natural gas settlement

TE646

A

1003-5168(2016)09-0146-03

2016-09-02

李偉龍（1990-），男，本科，研究方向：巡檢、燃氣發電。