焦炉煤气发电厂成功案例

焦炉煤气发电厂成功案例
一、项目提出的背景
山西焦化有限责任公司有年产60万吨、100万吨焦炉各一座，每小时产煤气32407 Nm3，该煤气除供锅炉和职工生活用外，每日有焦炉煤气直接排放约为48万Nm3，煤气的排放对大气和环境也造成了较严重的污染。

如何更好的利用这部份煤气，减少由于焦碳生产带来的环境污染问题，因此，拓宽煤气的利用领域已变得非常紧迫。

山西焦化有限责任公司严格遵循环保、高效、可行的原则，就如何利用好这部份煤气多次组织技术经济考察团对全国各大型焦化厂进行了深入细致考察和论证。

决定建设一座焦炉煤气综合利用电厂，充分利用能源，降低生产成本，创造经济效益。

二、装机容量及设备选型
电站设备选型以立足于国内和国内配套为原则，根据目前日排放焦炉煤气量（48万Nm3、热值不低于15.07MJ/ Nm3）和外供蒸汽量（45～60T/h）来确定新建电站规模。

并在此基础上进行装机方案的比较。

经市场调查和研究，相适应的方案有如下三种。

方案一：燃气锅炉＋蒸汽轮机发电：
装机容量：12000kw，外供蒸汽34t/h
这是一个非常传统的技术，也是大家比较熟悉的工艺方式。

它是采用锅炉来直接燃烧焦化煤气，将煤气的热能通过锅炉内的管束把水转换为蒸汽，利用蒸汽推动蒸汽轮机再驱动发电机发电。

系统的主要设备是燃气燃烧器、锅炉本体、化学水系统、给水系统、蒸汽轮机、冷凝器、冷却塔、发动机、变压器和控制系统，工艺流程比较复杂。

根据国内煤气锅炉对燃料的要求：当锅炉燃料的发热量≥12.56MJ/Nm3时，即可使锅炉稳定燃烧。

根据山西焦化有限责任公司提供的煤气资料，完全可以满足锅炉稳燃的要求。

根据煤气气量、热值计算得出，可产生84/h蒸汽。

可选一台双压燃气锅炉，可产生：50t/h、415℃、3.5Mpa和34t/h、190℃、1.25Mpa蒸汽。

可选配一台N12-3.43-V型凝汽式汽轮机，该型号机组最大功率可达12000kW,锅炉还可外供蒸汽：压力为1.27MPa、190℃、34T/h蒸汽。

组成热电联供电站。

过去这一技术是中国利用焦化煤气的主要技术方式，它可以与燃煤电厂结合，在燃煤锅炉中安装燃气燃烧器，将焦化厂的焦化气直接喷入锅炉燃烧，这种方式最大的优点是可以适应焦化厂间歇性生产的特性，有气少燃煤，无气多燃煤，不会影响电力供应的品质和能力。

该技术最大的限制是水，中国水资源极度缺乏，特别是山西、陕西、内蒙等焦炭生产大省，连人畜饮水都有困难，消耗大量的水资源来保障焦化煤气的利用几乎是不可能的，所以要解决焦炉煤气资源综合利用，必须考虑其他更加可行的技术解决方案。

●优点：
对于燃料气体要求比较低，只要燃气燃烧器能够承受的气体，一般都可以适应，煤气只需要有限的压力，因而煤气处理系统投资比较简单；该方案是国内常规电站设计模式。

电站的运行、维修、管理等国内都有一套可参考的成熟经验。

●缺点：
⑴工艺复杂，建设周期比较长，难以再移动；
⑵装机容量仅达12000KW, 热效率为45.7%(含外供蒸汽)；
⑶机组占地面积大，投资相对较大。

⑷水消耗量大，机组需要的冷却水循环量约2020t/h(消耗量约为80t/h、大气温度25～40℃)；
⑸厂房结构、设备复杂，施工周期较长；
⑹机组启动较慢，约需4小时以上，且低负荷运行对机组效率影响大。

方案二、采用燃气内燃机发电
装机容量：20800kw，外供蒸汽：无
燃气内燃机的工作原理基本与汽车发动机无异，需要火花塞点火，由于内燃机气缸内的核心区域工作温度可以达到1400℃，使其效率大大超过了蒸汽轮机，甚至燃气轮机。

燃气内燃机的发电效率通常在30％－40％之间，比较常见的机型一般可以达到35％。

在使用焦炉煤气时，由于煤气的热值不太稳定，含氢量较大，杂质含量较大，实际使用条件与设计值偏差较大，其发电效率一般在25%左右甚至更低。

目前我国已经有几家厂家可以提供相应的机组，例如500KW级燃气内燃机，并在中小型焦
化厂得到大量应用。

但因其发电功率小仅500KW，发电电压低仅380V，因此只能作为厂用电，无法并网外输，无法大规模利用焦化煤气。

优点：
●设备集成度高，安装快捷。

●对气体中的粉尘要求不高，
●基本不需要水。

缺点：
●综合热效率低：虽然发电效率可达25%，但蒸汽产量非常低，无法同时满足用户用电和蒸汽的要求。

●机组可用性和可靠性较低：从目前其它焦化厂使用的燃气内燃发电机组的运行情况来看，机组的稳定性不高，运行100～200小时就停机检修，有时不得不采取增加发电机组台数的办法，来消除利用率低的影响。

●燃料的不同，对机组出力影响较大：一台500kW燃气内燃发电机组当燃用焦化煤气时（4000Kcal/m3），其出力仅为燃用天然气时的55%左右（280～320kW）。

●单机容量小：目前国内生产的机组最大机组为1000kw，燃用焦炉煤气其出力仅为600kw 左右。

●气缸、进排气阀、火花塞更换频繁。

●需要频繁更换机油，消耗材料比较大。

●内燃机设备对焦化煤气中的水分子含量和硫化氢比较敏感，可能导致硫化氢和水形成硫酸腐蚀问题，需要采取一些必要措施加以克服。

根据焦化公司提供的焦炉煤气资料,采用国产燃气内燃机的情况如下：(生产厂家提供)
根据目前日焦炉煤气量（48万Nm3/d、热值为15.07MJ/ Nm3）
该型号机组每KW耗气量为:0.96Nm3/kWh(14.65MJ/Kwh)
每小时可发电量：48万Nm3/24h/0.96Nm3/kWh =20833kWh
建站容量：20833kWh
选用燃气机组：20833kW÷320kW/台=65台
采用燃气发电机组需要65台建立发电站：
采用国产燃气内燃机发电主要是单机容量偏小，组成的台数也多，500kW级燃气内燃机只能在380V等级并网，因此只能作为厂用电电源，还无法实现大规模利用焦化煤气，同时也不能满足大型设备的启动和运行，机组对煤气热值要求高（热值需稳定，而焦化厂很难保证煤气热值不变化），因此机组适应范围小，稍有波动，即影响机组的稳定运行。

根据实地考察，煤气发电机组实际运行情况长期限运行时最大出力为320KW。

发电功率仅能达到额定功率的64%（500KW机组在320KW下运行),机组不能做到满发满供。

还不能满足供蒸汽的要求。

方案三：采用燃气轮机：
从工作原理上看，燃气轮机无疑是最适合焦化煤气利用的工艺技术之一。

燃气轮机是从飞机喷气式发动机的技术演变而来的，它通过轴流压气机将空气压缩，高压空气在燃烧室与燃料混合燃烧，燃气急速膨胀推动动力涡轮旋转做功驱动发电机发电，因为是旋转持续做功，可以利用热值比较低的燃料气体。

国内已经有了不少成功的经验，燃气轮机比较适用于高含氢低热值和气体含杂质较多的劣质燃料，燃气轮机自身的发电效率不算很高，一般在30％～35％之间，但是产生的废热烟气温度高达450～550℃，可以通过余热锅炉再次回收热能转换蒸汽，驱动蒸汽轮机再发一次电，形成燃气轮机--蒸汽轮机联合循环发电，发电效率可以达到45%～50%，一些大型机组甚至可以超过55%。

如果采用燃气轮机热电联供机组的效率可达到75%以上。

因此采用燃气轮机的优势相对比较多，首先是设备的可用性和可靠性都比较高，综合利用率一般可以保持在90%；其次，对于燃料的适应性比较强，含硫、含尘高一点问题都不大；再有就是发电出力一般不会减少，甚至因为燃料进气量增加而有所增加；此外，燃气轮机功率密度大体积小，比较适合再移动，便于转移运行现场，这对于存在一些不确定性的焦化厂项目的焦化煤气利用非常有利。

但是，燃气轮机燃料进气压力比较大，越是发电效率高的机组燃料进气压力越高，因为焦化煤气本身没有什么压力，这就需要使用煤气压缩机，压缩煤气需要消耗大量的能量，影响到设备的实际输出功率，一些项目甚至需要消耗燃气轮机12%～14%的功率，对于联合循环项目达到影响可能是10%～15%的输出功率；采用联合循环系统存在与蒸汽轮机相同的水资源条件要求，系统比较复杂，投资也比较大，同时搬迁也比较困难。

燃气轮机在我国焦炉煤气利用上已经有不少成功的尝试，焦炉煤气在国际上主要规类为高氢燃料，国外公司在燃气轮机利用高氢燃料上都具有较多的经验，但是具体到焦炉煤气上的经验都不太多，主要原因是国外炼焦工业一直处于不断萎缩，中小型焦化厂已经很少，而大多数焦炭来自大型联合化工企业，产生的焦炉煤气多用于化工产品的制造，所以焦炉煤气发电项目不多。

根据焦化公司提供的焦炉煤气资料，采用国产燃气轮机的情况如下：装机容量：20000Kw，外供蒸汽55～65t/h。

根据煤气气量、热值，可选用十台2000Kw燃气轮机热电联供机组，并配置十台6.5t/h （1.25Mpa、194℃）的余热锅炉，该方案可满足焦化公司用电和用汽的要求。

●优点：
⑴装机容量达20000KW, 热效率为74.7～83.9%(含外供蒸汽)
⑵项目投资少、电站建设周期短、投资回收周期短。

⑶机组结构简单、启动迅速、运行稳定、故障率低、维修工作量小、灵活方便、自动化程度高。

⑷占地面积小
⑸水消耗量小，机组需要的冷却水循环量约600t/h。

(消耗量约为24t/h、大气温度25～40℃)
⑹该方案选用的燃气轮机热电联供机组是国家“九五、十五、十一五”期间重点推荐的节能、环保、高新技术项目，特别适合冶金、焦化、石化、油田、煤矿等剩余焦炉煤气、石油伴生气、炼油厂排放瓦斯气、煤矿排放的煤层气的开发利用。

●缺点：
热电联供机组需按制造厂家要求进行定期的维护检查工作，燃气轮机大修需返制造厂修理，燃料进气压力要求高，需增设煤气升压装置。

方案比较表：
项目方案一方案二方案三
装机型式蒸汽轮机燃气内燃机燃气轮机
装机容量12000KW32500KW(20800KW)20000KW
机组自耗电12%6%12%
外供电能力10560KW19552KW17600KW
装机台数1台套65台套10台套
外供蒸汽34T/h不能供蒸汽只能供热水55～65T/h 机组综合效率45.7%24.5%74.7～83.9%
结论：通过以上三个方案的比较，推荐方案三，选用十套燃气轮机热电联供机组建设电站为最佳方案。

三、发电机组工艺流程
在燃气轮机发电机机组中，燃气轮机是原动机，它将燃料中的热能转换成机械能，然后再通过其拖动的发电机转换成电能。

燃气轮机在启动时，先由与主机相联的励磁起动电机拖动机组运转。

待燃气轮机达到一定转速后，其燃气轮机上的压气机能将外部的空气吸入并增压，再送至燃烧室中。

当燃气轮机转速达到点火转速时，煤气经升压后进入燃气轮机燃料调节器，经调节的燃料进入燃气轮机燃烧室，与燃气轮机压气机吸入的空气混合并点火燃烧，产生高温高压的燃气以驱动燃气轮机涡轮作功。

当机组达到平衡转速后，发电机就可独立或并网发电了。

在额定状态下，从燃气轮机涡轮排出流量约20kg/s、温度约为400℃的尾气，通过排气管道引入余热锅炉。

余热锅炉从这些尾气中回收部分热量来产生蒸汽，余热锅炉产生的蒸汽通过管线送到焦化公司厂区工艺蒸汽管网供生产生活用汽。

从而实现了燃气轮机热电联供。

四、评价结论
由于焦化公司每日有48万Nm3煤气排放，48万Nm3煤气可折合标煤294864kg。

根据当时煤炭市场情况，每公斤标准煤按0.6元计算，每天浪费的煤气折合人民币176918.4元，全年达5307.55万元。

因此建设焦炉煤气综合利用电厂是势在必行，以焦炉煤气为燃料实现热电联供，即可满足焦化公司的用电负荷，同时又可以满足热负荷。

使放散煤气变害为利，减少
了煤气对大气的排放量，即改变的环境又创造了效益，因此该项目的建设不仅带来了良好的社会效益而且给企业又产生了经济效益。

党的十六大指出：能源是战略资源，是全面建设小康社会的重要物质基础。

节能是缓解能源约束矛盾的现实选择，是解决能源环境问题的根本措施，是提高经济增长质量和效益的重要途径，是增强企业竞争力的必然要求。

不下大力节约能源，是难以支持国民经济持续快速协调健康发展；不走跨越式节能的道路，新型工业化难以实现。

因此本工程燃用放散的焦炉煤气发电并供热，其本身就是节能行为，完全符合国家政策和胡锦涛主席提出的全面建设资源节约型、环境友好型社会及国务院及有关部、委颁发的鼓励和支持能源综合利用政策和精神。

也符合煤炭工业以煤为本、加快发展多种经营的政策。

采用放散煤气为发电站的燃料就地发电、供热，不仅解决了煤气排放问题，而且对资源的合理开发和综合利用、提高经济效益等无不是一个重要的举措。