焦爐煤氣發電技術應用

1、技術應用背景

焦爐煤氣為煉焦企業生產過程中的副產品，我國現狀有很多中小型煉焦廠產生的焦爐煤氣除部分返回煉焦爐作為加熱燃料外，大量的焦爐煤氣直接放空，不僅造成大量資源浪費而且嚴重污染環境。焦爐煤氣利用問題一直困擾著政府主管部門。同時，由于工業的發展，造成局部地區電力供應緊張也會制約當地經濟發展，因此將焦爐煤氣利用勢在必行，從而使焦爐煤氣發電項目具有很好經濟效益和社會效益。依據《中華人民共和國環境保護法》中關于“新建工業企業和現有工業企業的技術改造，應當采取資源利用率高，污染物排放量少的設備和工藝。”和《中華人民共和國節約能源法》中關于“國家鼓勵發展熱電聯產”的規定。結合焦化企業污染源多，危害嚴重及地區缺電少熱的特點，將富裕的焦爐煤氣提煉、凈化、同時將其作為燃料輸入燃氣發電機機發電，可改善環境、降低成本、發展循環經濟、提高能源綜合利用率。

2、項目技術方案

2.1發電需求

本技術依托河南某煉焦企業，簡要選取分析焦爐煤氣發電的可行性方案。河南某煉焦企業是一家集煉焦、化產品回收、煤氣凈化商用為一體的民營企業，年產焦炭100萬噸以上，焦爐煤氣氣量（處于排放浪費狀態）達20000Nm3/h，公司廠區內每月用電量245萬kWh，煙氣脫硫裝置投運后，小時用電量達到4300kWh。因此焦爐煤氣發電的電量可以提供給廠區各設備使用。

2.2焦爐煤氣氣質參數分析

根據其煉焦廠提供的焦爐煤氣氣質參數表分析燃氣發電機用氣氣質要求。

一般市場上典型燃氣發電機對焦爐煤氣氣質要求為焦油含量≤50mg/Nm3， 氨含量≤20mg/Nm3，H2S≤50mg/Nm3，總硫化物含量≤200mg/Nm3，雜質粒度≤5μm，雜質含量≤30mg/Nm3，水分含量≤10g/Nm3，熱值≥6MJ/Nm3。

所以廠區經過凈化處理后焦爐煤氣符合燃氣發電機氣質的用氣氣質要求。

2.3工藝技術方案選取

通過調研資料，國外同類燃氣發電機組與國內燃氣發電機相比，設備制造周期長，設備造價較高，結合投資規模及建設周期的需求，焦爐煤氣發電站主要設備選型立足于國內為主，根據廠區內焦爐煤氣量和廠區用電負荷來確定電站規模，并在此基礎上進行裝機方案的比選，經市場調查和研究，相適應方案有以下三種：

方案一：燃氣鍋爐+蒸汽輪機發電

裝機容量：3MW，外供蒸汽8t/h

本方案為焦爐煤氣利用常規技術方案，采用鍋爐直接燃燒焦爐煤氣，將焦爐煤氣通過鍋爐內的管束把水轉換為蒸汽，利用蒸汽推動蒸汽輪機再驅動發電機發電，系統主要設備是燃氣燃燒器、鍋爐本體、化學水系統、給水系統、蒸汽輪機、冷凝器、冷卻塔、發動機、變壓器和控制系統，工藝流程比較復雜。

燃氣鍋爐與蒸汽輪機組成發電站過去一直是利用焦爐煤氣的主要技術方式。但是該技術最大的限制為水，國內水資源匱乏，消耗大量的水資源來保障焦爐煤氣的利用是不可取的，所以要解決焦爐煤氣資源綜合利用，必須考慮其他更加可行的方案。

方案優點：對燃氣要求比較低，適應性強，煤氣處理系統投資較少，該方案技術比較成熟。

方案缺點：

1、工藝復雜，建設周期比較長，建成后難以再移動建設

2、裝機容量小，熱利用率較低

3、機組占地面積大，投資相對較大

4、水消耗量大，機組需要的冷卻水循環量高

5、機組啟動較慢，且低負荷運行對機組效率影響大。

方案二：采用燃氣內燃機發電

裝機容量：3MW，外供蒸汽無

燃氣內燃機的工作原理基本與汽車發動機類似，需要火花塞點火，由于內燃機氣缸內的核心區域溫度可以達到1400℃，使其效率大大超過了蒸汽輪機，甚至燃氣輪機。燃氣內燃機的發電效率通常在30%～40%，比較常見的機型可以達到35%。

目前我國有許多燃氣發電機廠家可以提供相應的機組。根據與各廠家交流，并經過多方調研資料，目前國內較為成熟的燃氣內燃機組裝機容量為500KW，在許多中小型焦化廠已經有廣泛的應用。

方案優點：

1、設備集成度高，安裝快捷，維修工作量小，自動化程度高

2、對燃料氣體的粉塵度等要求不高

3、運行過程中基本不需要水

4、設備啟動簡單快速，控制系統集成度高，勞動定員少

5、設備模塊化設計，占地面積小，也便于整體搬遷。

缺點：

1、綜合效率不是很高 雖然發電效率高，但蒸汽產量低，無法同時滿足用戶用電和蒸汽的要求

2、燃料不同，對機組出力影響較大，采用焦爐煤氣的燃氣內燃機其出力為燃用天然氣的55%左右

3、單機容量較小 目前國內較為成熟的燃氣內燃機為500KW。

方案三：采用燃氣輪機+余熱回收鍋爐

裝機容量：10MW，外供蒸汽：20t/h

燃氣輪機是從飛機噴氣式發動機技術演變而來的，通過軸流壓氣機將空氣壓縮，高壓空氣在燃燒室與燃料混合燃燒，燃氣急速膨脹推動動力渦輪旋轉做功驅動發電機發電，因為是旋轉持續做功，可以利用熱值較低的燃料氣體。

燃氣輪機自身發電的發電效率不算很高，一般在30%～35%，但可利用廢熱煙氣溫度通過余熱鍋爐再次回收熱能轉換為蒸汽，驅動蒸汽輪機再次發電，形成聯合循環發電。

但是燃氣輪機燃料發電機組所需要燃氣壓力較高，越是發電效率高的機組燃料進氣壓力越高，需要使用煤氣壓縮機，煤氣壓縮機需要消耗大量的能量，需要消耗燃氣輪機12%～14%的功率，本方案存在與蒸汽輪機相同的水資源條件要求，系統比較復雜，投資比較大。

燃氣輪機在焦爐煤氣上使用的經驗不多，主要原因是中小型焦化廠較少，所產生的焦爐煤氣多用于化工產品制造，所以采用焦爐煤氣的大型燃氣輪機發電項目很少。

方案優點：

1、裝機容量大

2、機組結構簡單，運行穩定

3、相比方案一水消耗量小

方案缺點：

1、發電機組需要按照制造廠家要求定期的停機維護檢查

2、燃氣輪機大修需要返回制造廠修理，拆、裝難度大

3、燃料進氣壓力要求高，需要設置煤氣升壓裝置。

結論：通過以上三個方案比選，結合廠區用電負荷少，電能只廠區自用，不并網外輸的前提下，本項目推薦采用方案二。所需焦爐煤氣自廠區引入，經過凈化處理，滿足燃氣發電機組燃氣氣質需求。選取6臺500GFMJ（8300D/MJ-2）作為發電站主要設備。

燃氣發電機組產生的煙氣溫度達到550℃，后期也可充分利用這部分熱量，采用設置補燃機余熱鍋爐的方式產生中溫中壓蒸汽，為周邊工業企業或居民用戶提供蒸汽氣源。

3、項目技術方案分析

焦爐煤氣發電項目充分利用煉焦廠豐富廉價的焦爐煤氣資源，將焦爐煤氣作為燃氣發電機燃料發電。做到綜合利用資源，保護環境。

發電裝置采用的燃氣內燃機直接發電方式，它具有綜合效率高、占地面積小、啟停迅速、操作方便、維護簡單、可靠性高等特點。

總之，焦爐煤氣發電利用的工藝路線、生產規模和產品方案均符合國家的產業政策和環保法規，也適合當地的實際情況和市場需求。工藝路線具有技術先進可靠、成熟、操作方便、工藝短捷、經濟合理、保護環境等特點。對節約能源、環境保護、發展地區經濟、提高當地煤化工水平都起著積極的作用。方案合理，經濟效益、社會效益、環境效益較好，有很好的應用市場。