發(fā)展焦化煤氣發(fā)電 推進節(jié)能優(yōu)先
摘要：中國是世界焦炭產(chǎn)量最大的國家，但每年在煉焦過程之中浪費了大量的焦化煤氣，如果能夠積極利用這一資源，每年可以節(jié)約數(shù)千萬噸標準煤。焦化煤氣發(fā)電是一種比較便捷的綜合利用方式，本文主要研究相應的技術設備應用，以及應該采取的配套政策。
關鍵字：焦化煤氣利用 煤氣發(fā)電 熱電聯(lián)產(chǎn)
中國是全世界最大的焦炭生產(chǎn)國，每年估計有2億噸左右的優(yōu)質(zhì)煤炭用于生產(chǎn)焦炭，僅山西一省的不完全統(tǒng)計，每年煉焦消耗煤炭就超過9,000萬噸。盡管今年中國限制了焦炭出口，但全年預計出口總量仍然將超過1,300萬噸，中國焦炭的出口量直接影響著世界市場。根據(jù)煉焦爐型和煤質(zhì)不同的條件，每噸原煤轉(zhuǎn)化為焦炭時可以產(chǎn)生300～400立方米，熱值當量1,500～4,500大卡/立方米的焦化煤氣，全國每年在煉焦中伴生600－800億立方米的焦化煤氣，粗略估算折合約250－350億立方米的天然氣，超過西氣東輸工程的熱值總量，相當3,000～4,000萬噸標準煤。
在目前生產(chǎn)焦炭的工藝流程中，絕大多數(shù)的項目沒有回收利用焦化煤氣，不是采取火炬頭排空燃燒，就是直接放散。不僅造成了資源的嚴重浪費，對環(huán)境也產(chǎn)生的巨大污染。在山西、陜西和內(nèi)蒙的一些產(chǎn)焦地區(qū)，大氣污染已經(jīng)達到了觸目驚心、無法忍受的程度，空氣中彌漫著嗆人的煙霧和硫化氫的臭味，造成當?shù)睾粑兰膊〉穆�，肺癌發(fā)病率持續(xù)走高，嚴重危害到當?shù)厝嗣袢罕姷纳眢w健康，對社會穩(wěn)定和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展都構成了極大的威脅。
如何能夠有效利用煉焦伴生煤氣資源，對于中國的可持續(xù)發(fā)展是一個非常重要的課題，它不僅僅是治理環(huán)境污染，更主要的是節(jié)約資源，提高能源利用效率，解決目前的電力、煤炭供應緊張局面，維持國家社會和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。
中國煤炭資源按目前技術經(jīng)濟條件下開采，在生態(tài)環(huán)境容量所允許的范圍內(nèi)，達到有效供給的滿負載開采能力的凈有效量僅1,037億噸，只占探明儲量一萬億噸的10％。中國煤炭資源供給的基本態(tài)勢是總量豐富，但有效供給能力明顯不足。再加上人口因素，人均實際可利用的煤炭遠遠低于世界平均水平。2003年中國的煤炭生產(chǎn)能力達到16億噸，超過2002年的14億噸，根據(jù)預計2004年將超過17億噸。根據(jù)預測，2020年中國需要煤炭約29億噸，而煤炭工業(yè)聯(lián)合會正在進行的規(guī)劃研究中到2020年中國煤炭工業(yè)可能達到的最大產(chǎn)量為20.5~22.1噸，考慮環(huán)境制約因素和其他限制條件，專家預測中國產(chǎn)煤的最高峰值僅在25億噸左右。按照現(xiàn)在的開采和利用方式，山西的煤炭只能維持40年，而有關專家認為中國全國的煤炭資源僅能維持60年左右。
一邊是資源的大量浪費揮霍和環(huán)境的急遽惡化，一邊是資源供應的大限即將臨至，如果我們把資源耗盡，到那時讓我們的孩子們守著一片荒蕪的國土將如何面對他們的未來？如果我們現(xiàn)在立即行動也許還能亡羊補牢，國務院發(fā)展研究中心已經(jīng)建議國家將節(jié)約資源與環(huán)境保護和計劃生育共同列入“基本國策”，國務院主持的國家中長期能源發(fā)展規(guī)劃中也確立的“節(jié)能優(yōu)先”的宗旨，要落實這一決策，有效回收利用焦化煤氣是一項必不可少的工作。
焦化煤氣的利用方向
焦化煤氣的利用主要有兩個方向：一個是化工原料；另一個是直接作為燃料燃燒發(fā)電與供熱。用于化工的重要用途也是轉(zhuǎn)換成為甲醇及二甲醚等石油代用燃料，甲醇可以作為發(fā)電燃料，但這樣做經(jīng)濟上不合適，技術上也是多此一舉，所以甲醇的重要用途是交通根據(jù)代用燃料。甲醇汽油技術已經(jīng)成熟，作為石油代替燃料已經(jīng)開始起到積極的作用。對于甲醇燃料技術的研究和應用，各地政府及企業(yè)早在上世紀70年代就已經(jīng)相繼展開，山西省經(jīng)過長時間的研究測定，將15%的甲醇摻入汽油中使用，不需要增加其他添加劑，也不必采取特殊的工藝技術，以及保護封閉，用不著改造發(fā)動機，對于汽車、動力性和環(huán)境都沒有太大的負面影響。檢測顯示使用甲醇汽油的汽車，尾氣常規(guī)排放中一氧化碳和碳化氫濃度平均降低23.2%和28.5%，達到歐洲Ⅱ號排放標準。
根據(jù)中國化工信息中心副總工張瑞同志和提供的資料，2003年，山西省在太原、陽泉、臨汾、晉城四個市進行了甲醇汽油推廣試點工作，全省有48.26萬輛車次使用了甲醇汽油，涉及近50種車型，累計消耗甲醇汽油12,192t。在此基礎上，山西省政府前不久決定，2004年下半年在全省11個城市推廣甲醇汽油，甲醇汽油的用量從2003年的1.2萬t增至2004年的3萬t。河南駐馬店、漯河及黑龍江哈爾濱等地也有類似成功經(jīng)驗。
由于目前世界和國內(nèi)油價持續(xù)居高不下，北京地區(qū)93#汽油市場零售價格達到每公升3.66元，為甲醇汽油大踏步進入市場創(chuàng)造了機遇，一些產(chǎn)煤大省和大型焦炭生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開始積極行動。中石化山西公司銷售的M15甲醇汽油比銷售國標93#汽油增加121元/t的經(jīng)濟效益。甲醇燃燒值5,426kcl/kg，汽油的燃燒值為11,000kcl/kg，熱值比為1:2，按照熱值等價計算法，兩者價格比也應為1:2，如果目前車用汽油價格為4元/kg計，甲醇的價格可以達到2,000元/t，銷售甲醇汽油的經(jīng)濟性是非常明顯的，但是世界燃料油的價格是否會長時間維持在這一高價位還是一個不可預測的問題。
由于煤氣轉(zhuǎn)換石油代用燃料的投資比較大，存在一個規(guī)模效益問題，所以利用焦化煤氣生產(chǎn)石油代用燃料對于大型煉焦企業(yè)比較合適，而中國在相當一段時間中焦炭生產(chǎn)占主導地位的還是中、小型煉焦企業(yè)，由于規(guī)模的限制采用轉(zhuǎn)換石油代用燃料工藝的經(jīng)濟性未必合適。目前，全國出現(xiàn)大范圍電力和煤炭供應緊張，焦化煤氣更主要的利用方向中不可避免地要直接作為燃料利用，而生產(chǎn)高品位的電能應該成為直接燃料的主導方向。
焦化煤氣中的主要成分是氫氣，占體積的45－65％，如果燃料電池技術能夠成熟普及，煤氣將是非常理想的氫燃料來源，但是根據(jù)目前的發(fā)展，燃料電池的普及，以及氫燃料體系的建立也許還需要10～20年甚至更長的時間。因此，當前的利用方式還需要立足于現(xiàn)有的成熟技術上，主要是燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機，以及正在快速發(fā)展普及之中的微型燃氣輪機和最傳統(tǒng)的蒸汽輪機發(fā)電。
焦化煤氣中可燃的主要成分中有氫、一氧化碳和甲烷三種物質(zhì)可以直接作為燃料利用，以內(nèi)蒙西部地區(qū)某焦化廠和山西呂梁地區(qū)某焦化廠的焦化煤氣成分為例：可以參加燃燒的氣體成分比例高達88－91％，屬于非常優(yōu)質(zhì)的氣體燃料。利用這種優(yōu)質(zhì)燃料的主要困難是過慮吸附焦化煤氣中的一些不利物質(zhì)，主要是粉塵、硫化氫、焦油、奈和水。
氣體處理是這一資源利用的最大的問題之一，也是一個瓶頸性質(zhì)的問題，很多動力設備是無法適應焦化煤氣中的大量雜質(zhì)及影響。特別是焦油和奈在高溫下，可能在燃料供應管路內(nèi)結垢，造成管路堵塞問題；水分子和硫化氫化合成為強腐蝕性的硫酸，損害機械設備；在粉塵中可能殘存鉀、鈉或其他重金屬，鉀鈉在高溫下可以形成強腐蝕，造成動力系統(tǒng)熱部件的損傷，而重金屬在高溫下可能附著在熱部件表面，造成設備功率衰減；燃料中的塵埃會形成動力設備內(nèi)部積灰積炭，影響設備效率和出力等等。所以，上述問題都需要采取必要措施和工藝加以控制。
我國焦化煤氣后處理工藝的研究和實踐一直在進行，有多家研究機構、企業(yè)能夠通過提供合理的工藝設計和設備技術集成，滿足各種工藝純度的處理要求。例如中國科學院山西煤化所，長期以來從事這方面的研究，在世界上處于比較領先的地位。目前，有關機構正在考慮設計生產(chǎn)一些模塊化的處理單元，這些單元甚至具備移動性，可以根據(jù)需要和動力設備類型進行匹配組合，適應各種需要和變化。
由于焦化煤氣的利用在中國還沒有形成氣候，市場的設備需求有限，所以還不可能形成批量化生產(chǎn)，所以產(chǎn)品價格也難以大幅度降低。而處理設備價格居高不下，也直接影響到利用焦化煤氣的普及。
焦化煤氣成分分析
項目
內(nèi)蒙西部
山西呂梁
H2
59%
55%
CH4
24.8%
24%
CO
7%
9%
O2
0.7%
0.5%
N2
4.5%
3%
S
15mg/m3
H2S
15mg/m3
20mg/m3
奈
100mg/m3
510mg/m3
焦油
10mg/m3
20mg/m3
LHV
4500
4200以上
焦化煤氣發(fā)電
焦化煤氣發(fā)電目前可以利用的設備主要是最傳統(tǒng)的利用鍋爐和蒸汽輪機的技術組合；以氣體為燃料的燃氣內(nèi)燃機；燃氣輪機和微型燃氣輪機四種技術選擇。這四種技術選擇各有優(yōu)勢和不足，用戶可以根據(jù)項目實際操作情況和現(xiàn)場條件進行選擇。
一、 鍋爐＋蒸汽輪機：這是一個非常傳統(tǒng)的技術，也是大家比較熟悉的工藝方式。它是采用鍋爐來直接燃燒焦化煤氣，將煤氣的熱能通過鍋爐內(nèi)的管束把水轉(zhuǎn)換為蒸汽，利用蒸汽推動蒸汽輪機再驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。系統(tǒng)的主要設備是燃氣燃燒器、鍋爐本體、化學水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、蒸汽輪機、冷凝器、冷卻塔、發(fā)動機、變壓器和控制系統(tǒng)，工藝流程比較復雜。優(yōu)點是：對于燃料氣體要求比較低，只要燃氣燃燒器能夠承受的氣體，一般都可以適應，燃氣只需要有限的壓力，因而燃氣處理系統(tǒng)投資比較簡單；但缺點是：工藝復雜，建設周期比較長，難以再移動，必須消耗大量的水資源，占地比較多，管理人員也比較多，能源利用效率太低，通常不到20％。這一技術過去是中國利用焦化煤氣的主要技術方式，它可以與燃煤電廠結合，在燃煤鍋爐中安裝燃氣燃燒器，將焦化廠的焦化氣直接噴入鍋爐燃燒，這種方式最大的優(yōu)點是可以適應焦化廠間歇性生產(chǎn)的特性，有氣少燃煤，無氣多燃煤，不會影響電力供應的品質(zhì)和能力。該技術最大的限制是水，中國水資源極度缺乏，特別是山西、陜西、內(nèi)蒙等焦炭生產(chǎn)大省，連人畜飲水都有困難，消耗大量的水資源來保障焦化煤氣的利用幾乎是不可能的，所以要解決中國的焦化煤氣資源綜合利用，必須考慮其他更加可行的技術解決方案。
二、 燃氣內(nèi)燃機：世界上第一臺內(nèi)燃機就是以煤氣為燃料的內(nèi)燃機，1876年德國商人兼機械師奧托發(fā)明了人類第一臺以煤氣為燃料的四沖程內(nèi)燃機，經(jīng)過10年的不斷改進之后，德國的另一個機械師“奔馳汽車之父”戴姆勒•本茨才將這種四沖程發(fā)動機改進為汽油發(fā)動機，直到1895年狄塞爾才發(fā)明出柴油機。燃氣內(nèi)燃機的工作原理基本與汽車發(fā)動機無異，需要火花塞點火，由于內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的核心區(qū)域工作溫度可以達到1400℃，使其效率大大超過了蒸汽輪機，甚至燃氣輪機。燃氣內(nèi)燃機的發(fā)電效率通常在30％－40％之間，比較常見的機型一般可以達到35％。燃氣內(nèi)燃機最突出的優(yōu)點正是發(fā)電效率比較高，其次是設備集成度高，安裝快捷，對于氣體中的粉塵要求不高，基本不需要水，設備的單位千瓦造價也比較低。但是內(nèi)燃機也有一些不足的地方，首先，內(nèi)燃機燃燒低熱值燃料時，機組出力明顯下降，一臺燃燒低熱值8000大卡/立方米天然氣燃料的500千瓦級燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組，在使用低熱值4000大卡/立方米的焦化煤氣時，出力可能下降到350～400kW左右。此外，內(nèi)燃機需要頻繁更換機油和火花塞，消耗材料比較大，也影響到設備的可用性和可靠性兩個主要設備利用指標，對設備利用率影響比較大，有時不得不采取增加發(fā)電機組臺數(shù)的辦法，來消除利用率低的影響。內(nèi)燃機設備對焦化煤氣中的水分子含量和硫化氫比較敏感，可能導致硫化氫和水形成硫酸腐蝕問題，需要采取一些必要措施加以克服�？傊�，內(nèi)燃機是一種比較合適的技術選擇，目前我國已經(jīng)有幾家廠家可以提供相應的機組，例如山東勝利油田勝動機械廠，已可以大量生產(chǎn)500千瓦級燃氣內(nèi)燃機，該機組已經(jīng)在焦化煤氣利用中起到了非常積極的作用，并在國內(nèi)得到大量應用。但是500千瓦級燃氣內(nèi)燃機只能在380V等級并網(wǎng)，只能作為廠用電電源，還無法實現(xiàn)大規(guī)模利用焦化煤氣，據(jù)了解，該公司正在研制1000千瓦級以上的機組，并網(wǎng)電壓也將有所提高。此外，國外的卡特彼勒和顏巴赫等公司也有相關技術和運行經(jīng)驗。
三、 燃氣輪機：從工作原理上看，燃氣輪機無疑是最適合焦化煤氣利用的工藝技術之一。燃氣輪機是從飛機噴氣式發(fā)動機的技術演變而來的，它通過壓氣機渦輪將空氣壓縮，高壓空氣在燃燒室與燃料混合燃燒，是空氣急遽膨脹做功，推動動力渦輪旋轉(zhuǎn)做功驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，因為是旋轉(zhuǎn)持續(xù)做功，可以利用熱值比較低的燃料氣體。國內(nèi)已經(jīng)有了不少成功的經(jīng)驗，國內(nèi)最著名的一個案例是寶山鋼鐵公司采用原ABB公司（現(xiàn)阿爾斯通公司）的GT11燃氣輪機利用熱值僅有750大卡立方米高爐煤氣的項目。燃氣輪機比較適用于高含氫低熱值和氣體含雜質(zhì)較多的劣質(zhì)燃料，一些燃氣輪機甚至使用原油和高硫渣油燃料。燃氣輪機自身的發(fā)電效率不算很高，一般在30％～35％之間，但是產(chǎn)生的廢熱煙氣溫度高達450～550℃，可以通過余熱鍋爐再次回收熱能轉(zhuǎn)換蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機再發(fā)一次電，形成燃氣輪機--蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，發(fā)電效率可以達到45%~50%，一些大型機組甚至可以超過55％。采用燃氣輪機的優(yōu)勢相對比較多，首先是設備的可用性和可靠性都比較高，綜合利用率一般可以保持在90％；其次，對于燃料的適應性比較強，含硫、含塵高一點問題都不大；再有就是發(fā)電出力一般不會減少，甚至因為燃料進氣量增加而有所增加；此外，燃氣輪機功率密度大體積小，比較適合再移動，便于轉(zhuǎn)移運行現(xiàn)場，這對于存在一些不確定性的焦化廠項目的焦化煤氣利用非常有利。但是，世上的事務有一利，必有一弊，沒有十全十美的事情。燃氣輪機進氣壓力比較大，越是發(fā)電效率高的機組燃料進氣壓力越高，因為焦化煤氣本身沒有什么壓力，這就需要使用燃氣壓縮機，壓縮燃氣需要消耗大量的能量，影響到設備的實際輸出功率，一些項目甚至需要消耗燃氣輪機15%~20%的功率，對于聯(lián)合循環(huán)項目達到影響可能是10%~15%的輸出功率；采用聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)存在與蒸汽輪機相同的水資源條件要求，系統(tǒng)比較復雜，投資也比較大，同時搬遷也比較困難。燃氣輪機在我國焦化煤氣利用上已經(jīng)有不少成功的嘗試，焦化煤氣在國際上主要規(guī)類為高氫燃料，國外公司在燃氣輪機利用高氫燃料上都具有較多的經(jīng)驗，但是具體到焦化煤氣上的經(jīng)驗都不太多，主要原因是國外煉焦工業(yè)一直處于不斷萎縮，中小型焦化廠已經(jīng)很少，而大多數(shù)焦炭來自大型聯(lián)合化工企業(yè)，產(chǎn)生的焦爐煤氣多用于化工產(chǎn)品的制造，所以焦化煤氣發(fā)電項目不多。國內(nèi)生產(chǎn)的燃氣輪機主要是航空改型機組和引進技術組裝生產(chǎn)的機組，航空改型主要以株洲和沈陽兩大航空發(fā)動機制造企業(yè)為主，株洲采用渦輪螺旋槳發(fā)動機改進的燃氣輪機更加適合焦化煤氣燃料，目前石家莊焦化廠就是采用渦槳6發(fā)動機改進的機組。引進生產(chǎn)的燃氣輪機除了“西氣東輸”工程中使用的F級燃氣輪機外，主要是南京汽輪機廠引進GE6B型40兆瓦級燃氣輪機，703所烏克蘭25MW級燃氣輪機和沈陽GE10型10MW級燃氣輪機等，其中GE機組可以適應焦爐煤氣。
四、 微型燃氣輪機：研究焦化煤氣發(fā)電就不得不涉及到微型燃氣輪機技術，盡管微燃機目前還沒有普及，但是未來它在這一行業(yè)的潛力將是非常巨大。微型燃氣輪機的技術與其說是來自航空技術，不如說是來自汽車技術。微燃機采用了離心式渦輪設計，而不是目前燃氣輪機普遍采用的軸流式渦輪，世界上最早的航空噴氣式發(fā)動機和地面使用的燃氣輪機都是采用這種設計，但是后來因為效率太低，所以沒有能夠繼續(xù)采用。離心式渦輪可以將壓氣機和動力渦輪共同鑄造在一個輪盤上，制造工藝簡單，體積也比較小，后來，這一技術一直沿用在大型噴氣式客機的啟動發(fā)動電機上。該技術真正得到推廣是因為汽車發(fā)動機采用廢氣渦輪進氣增壓技術而得到普及，它利用汽車發(fā)動機廢氣驅(qū)動一個離心式渦輪的動力葉片，利用鑄造在另一側(cè)的壓氣機渦輪給進入氣缸的新鮮空氣增壓，通過增加氣缸工質(zhì)密度增加發(fā)動機出力，達到減少燃料和降低排放的作用，目前這一技術已經(jīng)在汽車工業(yè)中廣泛采用。將這一成熟技術再一次轉(zhuǎn)回的發(fā)電技術是因為回熱器技術的突破，早在上世紀70年代后期，工業(yè)國家因為經(jīng)歷了兩次慘痛的能源危機之后，就開始致力于研發(fā)各種國家先進高效的能源利用技術，將燃氣輪機高溫煙氣中的余熱，直接加溫經(jīng)過壓縮的功質(zhì)空氣，一方面可以回收能量，另一方面可以提高燃燒室燃燒的基礎溫度將大大提高燃氣輪機的效率，目前采用這一技術美國索拉公司水星50小型燃氣輪機組的發(fā)電效率從原型機27％的效率一下提高到38.5%。將這一技術與簡單的離心式渦輪組合的微型燃氣輪機應運而生，而且很快得到了市場的高度青睞，現(xiàn)在市場上的微型燃氣輪機的容量在28－250kW，正在研發(fā)400kW級的機組，已經(jīng)將離心式渦輪12－16％的發(fā)電效率提高到26－34％，目前的計劃是在2008年以前將發(fā)電效率突破40％。現(xiàn)在科學家們正在為其研發(fā)陶瓷轉(zhuǎn)子，航天飛機上使用的陶瓷隔熱瓦可以承受遠遠超過各種金屬溶化溫度的高溫極限，并具有很大的強度，而且制造簡單，加工成本低廉，能夠適應各種燃料而不被腐蝕。目前已經(jīng)投入市場的微型燃氣輪機使用壽命在5－8萬小時，設備的維護工作量極少，可以采用多臺機組并聯(lián)的“模塊化組合”方式，非常機動靈活。目前，由中國科學院徐建中院士牽頭的國產(chǎn)微型燃氣輪機研發(fā)已經(jīng)列入“國家863計劃”，項目正在緊鑼密鼓地實施之中。微型燃氣輪機暫時可能還沒有焦化煤氣的實際運行經(jīng)驗，都是這些機組肯定可以使用焦化煤氣，因為目前微機燃機已經(jīng)在垃圾壜癯∠钅恐兄苯永?萌戎迪嗟鋇惱悠??約叭戎迪嗟鋇目缶?咚溝繞?�。微人E??媒夠?浩?饕?惱習?僑劑洗?淼乃?膠臀榷ㄐ浴?/SPAN>
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