煤制气中甲烷、氢气含量变化对发电气耗的影响

煤制气中甲烷、氢气含量变化对发电气耗的影响
作者：李伟龙王佰仟
（北京京能未来燃气热电有限公司北京市昌平区未来科技城南区邮编102209）
【摘要】本文介绍了煤制气的基本原理、与常规天然气的区别以及其甲烷和氢气含量对发电气耗的影响。

凸显了寻求一种更科学、更公平的天然气结算方式的必要性。

【关键词】煤制气热值发电气耗天然气结算
一、什么是煤制气
以煤为原料经过加压气化后，脱硫提纯制得的含有可燃组分的气体。

根据加工方法、煤气性质和用途分为：煤气化得到的是水煤气、半水煤气、空气煤气(或称发生炉煤气)，这些煤气的发热值较低，故又统称为低热值煤气；煤干馏法中焦化得到的气体称为焦炉煤气，属于中热值煤气，可供城市作民用燃料。

煤气中的一氧化碳和氢气是重要的化工原料，可用于合成氨、合成甲醇等。

为此，将用作化工原料的煤气称为合成气，它也可用天然气、轻质油和重质油制得。

煤制天然气化流程示意图
水煤浆制取甲烷流程图
SNG-电联产系统流程示意图
二、煤制气与天然气的区别
天然气是一种多组合的混合气态化石燃料，主要成分为甲烷，也含有乙烷、丙烷、氮气和二氧化碳等成分，几乎不含氢。

作为产品天然气，国家标准—《天然气》（GB17820-2012）对其热值有规定：高位发热值>31.4MJ/m3。

煤制气是人工煤气的一种，是将燃料煤经干馏、气化、裂解制取的可燃气体，生产原理是由一氧化碳与氢气反应形成甲烷，因此煤制天然气的产品中不可避免地含有氢气。

三、天然气成分变化对热值的影响
成分CO CO2N2+Ar H2CH4合计含量V%0.050.77 1.0 2.4895.7100上表为大唐克旗煤制天然气成分表，可见与常规天然气相比，其甲烷及氢气含量偏高（常规天然气含量分别为93%和0.1%左右），且不含油其他烷烃类（常规天然气中含有约4%），造成两者低位热值存在一定差异。

名称高热值（MJ/Nm3）低热值（MJ/Nm3）
氢12.7418.79
硫化氢25.3523.37
甲烷39.8235.88
乙烷70.364.35
丙烷101.293.18
正丁烷133.8123.56
异丁烷132.96122.77
戊烷169.26156.63
由上表可知相同体积下的氢气和甲烷的热值低于其他烷烃类，因此天然气中氢气和甲烷的相对含量越高、其他烷烃类相对含量越低，则热值越低。

我们知道天然气的热值分为高位热值和低位热值，高位热值是指一标准立方米天然气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量，低位热值是指一标准立方米天然气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态
时所放出的热量。

高低位热值差值为水蒸气的气化潜热。

气化潜热是不能转化为有效做功的热能。

甲烷在燃烧时发生以下化学反应：
CH4+2O2=CO2+2H2O
甲烷在烃类中含氢量最高，密度最小，约0.54。

因此在一标方天然气中，甲烷及氢气含量越高，其他烃类气体则越少，可燃烧的物质越少，燃烧后产生的热值自然会降低。

而产生的水分比例增加，低位热值则更低。

发电可利用的有效热值也越低。

四、煤制气对发电气耗的影响
表一为煤制气进厂前后天然气成分对比，可直观看出随着甲烷及氢气相对含量的上升，热值呈现下降趋势。

表2为煤制气与天然气同期热值比较，1、我公司一年约耗用2.3亿NM3天然气，按太阳宫3月份化验结果计算我公司如果用北石槽（混合气氢含量0.7872%）较用天然气多耗用2.3*34.61398/33.35532-2.3=0.08679亿NM3=867.9万Nm3，每年增加燃料费用约0.27946亿元；如果按表一中混合气氢含量1.08%时低位热值计算，较用天然气多耗用2.3*34.61398/33-2.3=0.11248亿Nm3=1124.8万Nm3，每年增加燃料费用约0.36222亿元。

煤制气中甲烷含量比较稳定，因此氢气含量的变化极大的影响了天然气的耗气量，表3为我厂平均负荷190MW及最大负荷250MW下天然气及煤制气中氢气含量变化对发电气耗的影响。

因为考虑环境因素等影响，取值为一天之中的不同时段的对应值。

通过比较在煤制气进厂后190MW时气耗增加0.0045Nm³/KW·h，,250MW时气耗增加0.0048Nm³/KW·h。

在19万负荷时，氢含量每上升0.1%,气耗上升为0.0015m³/KW·h。

在250MW 负荷时，氢含量每上升0.1%，气耗上升为0.0024Nm³/KW·h。

因为机组在正常运行时，负荷越高，气耗相对越小；所以在高负荷时，氢含量的上升对气耗的影响更大。

（1）2015年全年利用小时按4500计算，全年平均负荷预测为171MW，参照2014年生产指标机组用纯天然气发电时气耗约为0.21Nm³/KW·h，若2015年掺燃烧煤制气后天然气氢含量全年按0.4%计算，发电气耗增加约0.004Nm³/kwh,全年多消耗天然气约459万Nm³。

（2）2014年冬季克旗进北京六环方向煤制气每小时5～8万Nm³，每小时总用气约250～300万Nm³，2014年冬季供暖（2015年3月前）我公司监测氢含0.2-0.3。

2015年随着冬季大负荷的结束，北京六环方向总用天然气量的逐渐下降，根据2014年11月下旬煤制气进京后我公司监测当天然气氢含量0.3%～0.7%，2015年夏季每小时总用气约40-50万Nm³，克旗进京煤制气仍将保持在每小时5～8万Nm³左右，预测2015年3月至11月天然气中氢含量0.5%～1.5%，按平均190MW负荷计算将使发电气耗增加约0.0075Nm
³/kwh-0.0225Nm³/kwh，2015年全年全年多消耗天然气约860.625万Nm³～2581.875万Nm³，增加运营成本约2771.2125万元～8313.64万元。

五、总结
目前我厂天然气采用按体积进行计量和结算，年耗气量高达2.3亿NM3，热值相对较低且氢含量不稳定的煤制气的通入无疑对运营成本、机组效率和寿命造成了极大的影响，寻找一条更科学、更公平的结算方式才能维护自身经济效益。

参考文献：
【1】刘骥天然气组分对燃机电厂的经济影响《中国高新技术企业》2014(19):69-70
【2】煤制天然气项目基本情况报告。