综合利用型焦化煤气发电技术分析

综合利用型焦化煤气发电技术分析梁军辉，韩东太，孙守强，杨宏坤 中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 (221116) E-mail: Ljha123a456摘要：从综合利用型焦化煤气发电技术应用的可行性分析入手，分别通过外部宏观环境、经济效益对此发电方式进行深入讨论，并且论述了焦化煤气发电的相关技术在实际中应用。 关键词：焦化煤气；疏干水；发电；供热；节能环保1. 相关背景石家庄某煤化实业集团有限公司现有焦炉 2 座，年产焦炭为 60 万吨年，焦炭生产过 程中每年产生煤气量将达到 2.60X108Nm3/a，这些煤气除焦炉自身要消耗一部分、本公司其 它车间和附近居民利用一部分外，还剩余很大一部分；且邻近某煤矿产生的采煤疏干水约为270t/h，综合利用率不足 20%，未利用的矿井疏干水的水量约为 210t/h。为充分利用剩余部 分的煤气和矿井疏干水，可以建设一座利用剩余焦炉煤气为燃料、疏干水为水源的综合利用 型环保热电站，所发出的电力供给此煤化实业集团有限公司使用，同时为此煤化实业集团有 限公司提供蒸汽。2. 焦化煤气、疏干水综合利用技术的可行性焦炉煤气中含有大量的 CO、H2 等可燃性气体，其热值一般在 1600018500Kj/Nm3，未 被有效利用的焦炉煤气如不综合利用，只能通过放散管排向大气，这不仅严重污染了周围环 境，危害周围地区人民群众的身心健康，同时也大量地浪费了其中可利用的热能。为了从根 本上避免上述污染与浪费的问题，可以将排放的焦炉煤气通过燃烧发电，从而有效的保护环 境,并可以提供一定的电力供应，这对降低本公司的生产成本，缓解电网供电紧张的局面也 是十分有益的。我国煤矿每年外排矿井疏干水约 22 亿 m3 ，利用率却不足 20%1。矿井疏干水经混凝 沉淀后，浊度、色度、氟化物、硬度大大降低，对沉淀后的疏干水进行过滤，以进一步去除 水中的细小煤粒、岩粒及呈胶体状的物质，降低色度、硬度、矿化度，可作为水质要求较高 的生产、生活用水。矿井疏干水开发利用将会减除其对地表水系的污染，保护和美化矿区环 境，保护地表水资源。实现经济效益、环境效益和社会效益的统一。2.1 焦化煤气发电的宏观市场环境随着我国钢铁企业的蓬勃发展，近年来我国的炼焦工业取得了较大的发展。焦炭是冶金、 机械、化工行业的主要原料，其中以冶金行业的高炉炼铁消耗量为最大。在未来 2030 年 内，世界钢铁生产仍将以高炉炼铁为主，取代焦炭炼铁的新工艺在未来几十年内不会有更新 进展。钢铁行业的高速发展，会不断加剧对焦炭的需求。河北省虽然是焦炭生产大省，但对 焦炭需求仍有很大的缺口。河北省是焦炭第一消费大省2，同时又是全国产焦仅次于山西之 后的第二焦炭生产大省，从河北省目前的发展情况看，一是焦炭的增长低于钢铁生产的增长， 二是河北省的焦炭生产不能满足自身钢铁生产企业的的需要。随着煤化工行业的繁荣发展， 国内企业的煤气放散率仍在 10左右，因此而产生的不能够有效利用的煤气将成为一大能 源的浪费，同时还会带来巨大的环境污染隐患。因此，焦炉煤气将成为日益兴起的新型发电- 3 -产业，建设配套的焦炉煤气发电工程是符合市场需要的。2.2 焦化煤气发电及疏干水利用的经济和社会效益目前，为了节约成本，大部分炼焦企业均选择建设在煤矿周围，所以发电生产所需的水 资源可以利用煤矿产生的疏干水等废水，实现废水循环利用。同时，以炼焦煤气为燃料的发 电厂，从根本上避免了一些污染与浪费上的问题，将需要排放的焦炉煤气烧掉，减少了甲烷、 硫化氢等有害气体的直接排放，这将对保护臭氧层、降低温室效应有很大的帮助，焦炉煤气 发电工程既实现了资源的综合利用又减少了环境污染，其建设符合国家提倡的“循环经济” 的产业政策。近阶段我国的电力供应比较紧张，此电站建成后，可提供约一定的廉价电力， 在基本满足厂用电自给的情况下还可以并网发电，在冬季可以利用汽轮机抽汽向周围居民和 热用户供暖、供热，这对降低本公司的生产成本，缓解电网供电紧张的局面，服务社会都是 十分有益的。此外，利用焦炉煤气发电的技术科技含量高，经济和社会效益明显，可以提高企业自身 的可持续发展能力，增加发电市场的竞争能力。根据国家有关政策的规定，对生产过程中产 生的废渣、废水、废气、余热、余压等进行回收和合理利用，支持资源综合利用的电厂生产 电力，对于综合利用的小火电机组不在被关停的范围，国家有关部门和电网企业要按照有关 政策继续给予支持。3. 焦炉煤气发电技术的实际应用3.1 焦化煤气发电流程焦净煤蒸 炉化气汽 煤处锅轮 气理炉机发电机组烟气处理变压并网发电尾部烟气 排向大气采废汽煤水机 废处抽水理气供热管道输送至热 用户图 1 焦化煤气发电简要过程基本流程3如图 1 所示：炼焦所产生的焦炉煤气首先进入燃气处理系统进行除杂和燃料 配比等处理，此过程将产生合格的锅炉燃料，然后将合格煤气送入燃气锅炉内进行燃烧。锅炉用水来自于处理和净化后的煤矿产生的疏干水，经过锅炉燃烧将水加热至过热蒸汽，送入配套的蒸汽轮机进行膨胀做功，将热能转变为机械能，蒸汽轮机带动发电机组发电，经过生 压变压后便可以并网发电。凝结水则由凝结水泵打人除氧器，除氧后的水再由给水泵打人锅炉。与此同时，燃料燃烧后产生的烟气在脱硫和除尘处理之后通过烟囱排向大气。在供暖季节，可以从蒸汽轮机抽出一部分参数合适的蒸汽，利用低真空循环水集中供暖，通过架设相 应的供热管网，输送至周围的热用户，供生产与生活之用。3.2 实际应用技术的分析计算3.2.1 热力系统主要设备 此系统的主要热力设备4是由燃气燃烧器、锅炉、化学水系统、给水系统、蒸汽轮机、冷凝器、冷却塔、发电机、变压器和控制系统等组成。主要设备选择如下：锅炉蒸发量：V =BQ/（i0-i1)+（ip-i1）式中：V锅炉蒸发量 t/h； B燃用煤气量 Nm /h； 锅炉排污率 ；i0 一过热蒸汽焓 kj/kg； ip锅炉排污水焓 kj/kg； i1锅炉给水焓 kj/kg； 锅炉效率 。根据工程实际状况，本项目以焦化煤气为燃料，经过计算可采用 1 台 40t/h 煤气锅炉， 并且考虑到要同时满足电、热两种负荷变化的需要，抽汽凝汽式汽轮发电机组运转灵活、有 抽汽的情况下热经济性较高，可以组合 1 台 6MW 抽汽凝汽式汽轮机以及额定功率为 6MW 的发电机，电压采用 10.5kV。电站建成后，最大可发电 6MW，扣除自用电后，可向公司提 供 5460kW 的电力。具体参数5如下：锅炉：40t/h 中温中压纯烧煤气锅炉 额定蒸汽压力：3.82MPa额定蒸汽温度：450 额定蒸汽量：40t/h 锅炉热效率：87%额定给水温度：150汽轮机：6MW 抽凝式汽轮机额定功率：6MW 额定进汽温度：450 额定进汽压力：3.43MPa额定进汽量：53.96 t/h额定抽汽量：25 t/h额定抽汽压力：0.98 MPa额定排汽压力：0.005Mpa回热加热抽汽级数：3 级（1 低加，1 除氧器，1 高加）3.2.2 燃料来源、成份及消耗量根据现有数据，此煤化实业集团有限公司现有焦炉 2 座,年产焦炭为 60 万吨/年，生产煤 气量为 32800m3/h，其中自身消耗量为 14100m3/h ，其它车间等设备消耗量(含预留)为8400m3/h，供附近居民用煤气量为 2000m3/h，现有锅炉房消耗量 4000m3/h，剩余量为4300m3/h，本工程投产后，可以将现有锅炉停产，所以可供本电厂利用的煤气量为 8300 m3/h。发电设备年利用小时数按 7200 小时计算，日利用小时数按 22 小时考虑，电站按设计负 荷运行时锅炉燃料消耗量计算得到：每小时燃煤气量 7375 m3/h，每日燃煤气量 162250 m3/d， 每年燃煤气量 5310 万 m3/a。通过采取一定的高效利用措施，理论上使本项目发电标煤耗可 以达到 0.449kg/kwh，供电标煤耗可以达到 0.493kg/kwh，这个数据，虽然高于目前电网的平 均供电标煤耗 0.365 kg/kwh，但对于排放的煤气进行了充分的利用。焦炉煤气成份见表 1：表 1 焦炉煤气成份项目CO（%）02（%）CO2（%）H2（%）CH4（%）N2（%）CmHn（%）热值（KJ/Nm3）数值8.61.182.059.223.423.62.0169503.2.3 电厂水源处理与供应此环保电厂可以综合利用各种废弃资源，其锅炉用水可以全部来自矿井开采产生的废 水，矿井疏干水的开采及前期处理流程如图 2 所示：- 7 -疏干水井下提 水泵聚合氯化铝、石灰、苏打聚丙烯酰胺自然充氧曝气调节池提升泵站正旋流网格反应池进入电站水处理系统电渗 析器无阀沉淀池 滤池图 2 矿井疏干水开采处理流程电站锅炉用水处理系统流程为：处理后的疏干水原水箱原水泵机械过滤器保安过滤器高压泵反渗透中间水箱中间水泵混合离子交换器除盐水箱除盐水泵主厂房 此煤化实业集团有限公司全厂用水来自于周边煤矿的疏干水，就其中某一煤矿来说，其矿井疏干水的水量 210t/h，目前全厂最大耗水量为 115t/h；剩余 95t/h 可供配套的焦化煤气 发电厂使用；另外该公司还有深井 3 眼，总供水能力为 135 t/h ，作为本公司的备用水源使 用， 本次设计电厂最大用水量为 69.2t/h，可见供水能力可足够满足要求，锅炉用水经净化后可以循环利用，可以节约大量水源。3.2.4 节能减排量分析 由于焦化煤气主要由氢气、甲烷、一氧化碳、硫化氢、氮气、焦油以及烃类等成分构成，所以在锅炉燃烧过程中主要涉及如下化学反应6：H 2 + O2 H 2O CO + O2 CO2CH 4 + O2 CO2 + H 2O Cn H m + O2 CO2 + H 2O 燃气在锅炉中充分燃烧后可以降低有害成份的含量，因而可以减少有害成分的排放量，起到环保的作用。 由于采用未有效利用的放散煤气进行发电，从而减少了煤炭的消耗量，每年的燃煤减排量7可以由下式计算得： 年减排量=年发电量减排系数=4.16104MWh0.2268=9435 吨 (根据相关资料查得，减排系数按 0.2268 计算)3.2.5 综合经济效益指标 对于以石家庄此煤化实业集团有限公司剩余焦炉煤气为燃料的发电厂，若项目投产运营后，每小时可利用煤气 7375m3/h，每年按 7200 小时计算，可利用煤气 5310 万 m3/a，每年可供电 3.78107 kWh，每年可供热 29.1104GJ/a，由此节约标准煤 25728t，其节能效 果是十分明显的。对各项指标的粗略计算数据如表 2 所示：表 2 综合经济指标序号项目单位140t/h+C6-3.43/0.981热负荷汽量t/h15.9714.7212.8811.13热量GJ/h47.543.738.333.12汽机进汽量t/h38.838.838.8037.783汽机外供热量GJ/h47.543.738.333.14汽机外供汽量t/h15.9714.7212.8811.135汽机凝汽量t/h15.4216.6918.5619.506发电功率53625582590760007锅炉蒸发量t/h40404038.948发电平均标煤耗Kg/KW.h0.4499厂用电率%910供电年平均标煤耗率Kg/KW.h0.49311年发电量KW.h/a4.1610712年供电量KW.h/a3.7810713年供热量GJ/a29.110414热电比%19915机组年发电利用小时数h720016年平均全厂热效率%48.917年节约标煤量t/h257284. 结束语利用剩余的焦炉煤气为燃料的发电站，建设周期短，投资少，发电机组集成度高，同时 将需要排放的焦炉放散煤气烧掉，并将周边煤矿开采产生的疏干水综合利用，不但使煤气污 染环境、水资源浪费的问题从根本上得到解决，而且还可以得到廉价的电力，可以大大降低 企业的生产成本，有利于减少煤炭一次能源的消费比重，并且可以解决一部分人的就业问题， 符合国家的有关政策，其经济效益、环保效益和社会效益是非常显著的。参考文献1 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Utilization of coke oven gas for power generation, Koks i Khimiya, n 11, 2003, p 34-35. 4 许翠群,余热发电,上海科学技术出版社,1981.5 叶江明,电厂锅炉原理及设备,中国电力出版社,2007 年 8 月第二版. 6 徐一,炼焦化学工业,1985 年 11 月第二版.7 高小平,高炉煤气发电的效益分析,重钢技术,2003 年第 1 期.8 Toll, H.; Worberg, R. The current development and latest achievements in cokemaking technology, Revue deMetallurgie Cahiers DInformations Techniques, v 100, n 3, March, 2003, p 243-250The Application Of Power Generation By Coke Oven GasLiang Junhui, Han Dongtai, Sun Shouqiang, Yang HongkunCollege of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou (221116)AbstractThe feasibility of power generation by coke oven gas is deeply analyzed from the exterior marketEnvironment and economic benefits respectively, and a example of application of the technology isExpatiated on.Keywords: coke oven gas; power generation; heating; energy conservation; environmental protection作者简介： 梁军辉（1987），男，中国矿业大学，机电工程学院，热能与动力工程专业，本科生，E-mail： ljha123a456；韩东太（1973 ），男，中国矿业大学，机电工程学院，动力系，副教授，E-mail ：119774024。