由于煤气转换石油代用燃料的投资比较大,存在一个规模效益问题,所以利用焦化煤气生产石油代用燃料对于大型炼焦企业比较合适,而中国在相当一段时间中焦炭生产占主导地位的还是中、小型炼焦企业,由于规模的限制采用转换石油代用燃料工艺的经济性未必合适。目前,全国出现大范围电力和煤炭供应紧张,焦化煤气更主要的利用方向中不可避免地要直接作为燃料利用,而生产高品位的电能应该成为直接燃料的主导方向。
焦化煤气中的主要成分是氢气,占体积的45-65%,如果燃料电池技术能够成熟普及,煤气将是非常理想的氢燃料来源,但是根据目前的发展,燃料电池的普及,以及氢燃料体系的建立也许还需要10~20年甚至更长的时间。因此,当前的利用方式还需要立足于现有的成熟技术上,主要是燃气轮机和燃气内燃机,以及正在快速发展普及之中的微型燃气轮机和最传统的蒸汽轮机发电。
焦化煤气中可燃的主要成分中有氢、一氧化碳和甲烷三种物质可以直接作为燃料利用,以内蒙西部地区某焦化厂和山西吕梁地区某焦化厂的焦化煤气成分为例:可以参加燃烧的气体成分比例高达88-91%,属于非常优质的气体燃料。利用这种优质燃料的主要困难是过虑吸附焦化煤气中的一些不利物质,主要是粉尘、硫化氢、焦油、奈和水。
气体处理是这一资源利用的最大的问题之一,也是一个瓶颈性质的问题,很多动力设备是无法适应焦化煤气中的大量杂质及影响。特别是焦油和奈在高温下,可能在燃料供应管路内结垢,造成管路堵塞问题;水分子和硫化氢化合成为强腐蚀性的硫酸,损害机械设备;在粉尘中可能残存钾、钠或其他重金属,钾钠在高温下可以形成强腐蚀,造成动力系统热部件的损伤,而重金属在高温下可能附着在热部件表面,造成设备功率衰减;燃料中的尘埃会形成动力设备内部积灰积炭,影响设备效率和出力等等。所以,上述问题都需要采取必要措施和工艺加以控制。
我国焦化煤气后处理工艺的研究和实践一直在进行,有多家研究机构、企业能够通过提供合理的工艺设计和设备技术集成,满足各种工艺纯度的处理要求。例如中国科学院山西煤化所,长期以来从事这方面的研究,在世界上处于比较领先的地位。目前,有关机构正在考虑设计生产一些模块化的处理单元,这些单元甚至具备移动性,可以根据需要和动力设备类型进行匹配组合,适应各种需要和变化。
由于焦化煤气的利用在中国还没有形成气候,市场的设备需求有限,所以还不可能形成批量化生产,所以产品价格也难以大幅度降低。而处理设备价格居高不下,也直接影响到利用焦化煤气的普及。
焦化煤气成分分析
项目 | 内蒙西部 | 山西吕梁 |
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 |
焦化煤气发电
焦化煤气发电目前可以利用的设备主要是最传统的利用锅炉和蒸汽轮机的技术组合;以气体为燃料的燃气内燃机;燃气轮机和微型燃气轮机四种技术选择。这四种技术选择各有优势和不足,用户可以根据项目实际操作情况和现场条件进行选择。
一、锅炉+蒸汽轮机: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。优点是: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,燃气只需要有限的压力,因而燃气处理系统投资比较简单;但缺点是:工艺复杂,建设周期比较长,难以再移动,必须消耗大量的水资源,占地比较多,管理人员也比较多,能源利用效率太低,通常不到20%。这一技术过去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,所以要解决中国的焦化煤气资源综合利用,必须考虑其他更加可行的技术解决方案。
二、燃气内燃机:世界上第一台内燃机就是以煤气为燃料的内燃机,1876年德国商人兼机械师奥托发明了人类第一台以煤气为燃料的四冲程内燃机,经过10年的不断改进之后,德国的另一个机械师“奔驰汽车之父”戴姆勒•本茨才将这种四冲程发动机改进为汽油发动机,直到1895年狄塞尔才发明出柴油机。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%。燃气内燃机最突出的优点正是发电效率比较高,其次是设备集成度高,安装快捷,对于气体中的粉尘要求不高,基本不需要水,设备的单位千瓦造价也比较低。但是内燃机也有一些不足的地方,首先,内燃机燃烧低热值燃料时,机组出力明显下降,一台燃烧低热值8000大卡/立方米天然气燃料的500千瓦级燃气内燃发电机组,在使用低热值4000大卡/立方米的焦化煤气时,出力可能下降到350~400kW左右。此外,内燃机需要频繁更换机油和火花塞,消耗材料比较大,也影响到设备的可用性和可靠性两个主要设备利用指标,对设备利用率影响比较大,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。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。总之,内燃机是一种比较合适的技术选择,目前我国已经有几家厂家可以提供相应的机组,例如山东胜利油田胜动机械厂,已可以大量生产500千瓦级燃气内燃机,该机组已经在焦化煤气利用中起到了非常积极的作用,并在国内得到大量应用。但是500千瓦级燃气内燃机只能在380V等级并网,只能作为厂用电电源,还无法实现大规模利用焦化煤气,据了解,该公司正在研制1000千瓦级以上的机组,并网电压也将有所提高。此外,国外的卡特彼勒和颜巴赫等公司也有相关技术和运行经验。