焦炉煤气热电联产的应用.doc

焦炉煤气热电联产的应用 焦炉煤气热电联产的应用目录简介1燃气轮机用于焦炉煤气的益处1索拉在世界范围内的经验.3索拉在应用焦炉煤气方面的经验.4个案分析.4索拉焦炉煤气燃机机组方面的特点.6焦炉煤气燃料的处理.7预处理.8二级处理.10总结12备注13 参考资料.13Caterpillar is a registered trademark of Caterpillar IncSolar and Taurus are trademarks of Solar Turbines IncorporatedSpecifications subject to change without noticePrinted in the U.S.A?2007 Solar Turbines IncorporatedAll rights reservedTPCOG/CHP 焦炉煤气热电联产的应用李临军 中国地区经理 索拉透平公司,卡特彼勒 简介 焦炉煤气(COG)是炼焦过程中的副产物。在炼焦过程中形成焦炭,焦炭是钢铁厂用来炼钢的最重要原料之一。 传统上大约有一半的焦炉煤气重新返回到炼焦炉中用于再加热。而剩下的一半大多被点天灯或者直接扩散到大气中,可利用率不足 10%。焦炉煤气是中热值气体,可以将其转换成有用的能源,如电能和蒸汽。世界上超过一半的焦炭产自中国,这就意味着焦炉煤气对今天飞速发展的中国经济来说是一个巨大的能源库。 在过去的两年中,索拉透平公司(Solar)在中国售出安装了六台燃气轮机用于焦炉煤气热电联产系统(CHP)。这些系统将焦炉煤气转换成电能和有用的热能,整个系统效率达到 75%。 第一套系统已成功运营超过一年。系统运作良好,投资的回报率非常显著。这套系统的业主最近从索拉又购进了 3台燃气轮发电机用于另一个焦炉煤气热电联产项目。 此报告将讨论焦炉煤气热电联产技术在中国的应用的益处,索拉在焦炉煤气热电联产设计和运行方面的经验,高氢燃料对机组成套的特殊要求以及焦炉煤气的净化处理。 燃气轮机用于焦炉煤气的益处 根据中国煤炭资源的报道,中国在 2006年生产了 2.98亿吨焦炭,约占世界焦炭产量的 50%。2006年中国的焦炭产量比 2004年增加了 50%。 2由于炼焦厂中使用的不同的煤质和炼焦技术,所以 1公吨的焦炭可以产生大约380430立方米的焦炉煤气。由此推算有 1130亿1280亿立方米的焦炉煤气产生。假设 50%的焦炉煤气又重新用于炼焦炉中,剩余的焦炉煤气有 10%的回收率,这样下来还有 510亿580亿立方米的焦炉煤气没有合理利用。 1这意味着大约 10GW的电能和 21500吨/小时的蒸汽浪费了 。综合考虑,据美国商业部报告中国 2006年的发电装机容量为 622GW。利用焦炉煤气发电的市场容量占总发电容量的 1.6%,与中国核电装机容量占同样份额。按照每千克煤炭可产2.5千瓦/小时的电能计算,中国的燃煤电厂一年可节省 2480万吨标准煤。应用燃气轮机热电联产的最大好处在于变废为宝, 这是一个解决中国日益短缺能源问题的极好方法,同时也符合中国的能源政策。回收焦炉煤气不但能减少燃煤电厂所造成空气污染还能降低燃机电厂的空气污染。 在燃气轮机上使用焦炉煤气,焦炉煤气必需经过处理满足燃气轮机燃料的要求。二氧化硫,焦油,苯,萘和其他化学成分必须脱离出来避免直接排放造成空气污染。与使用锅炉和燃气内燃机的热电联产系统比较,燃气轮机热电联产系统有更多的好处:系统效率高,单位体积出力更大,燃料适用面广。 燃气轮机的排烟温度非常高,大约 500摄氏度。高温烟气是余热锅炉(HRSG)非常好的热源。表 1是焦炉煤气热电联产系统在无补燃情况下的设计参数,其综合效率达到 75%。若用补燃的余热锅炉系统,整个系统的效率将达到 85%以上。 金牛 60 用于热能联产的参数 无 补燃 发电机 数值 单位 现场温度 13 C 现场高度 30 m 电量 5341 kW 燃料消耗 4369.91 kcal/sec 18273 kW 电机效率 29.20%HRSG蒸汽量 13000 kg/hr 蒸汽压力 1.25 Mpa 蒸汽温度 190 oC 消耗 2%HRSG 功率 8292 kW 总效率 75%表 1 金牛 60 CHP 设计参数表 3燃气轮机发电机组提供了极高功率密度,这就是说在单位立方米的设备安装和操作空间内,燃气轮机组比其它设备提供更多的能源输出。燃气轮机发电机组的其它好处还包括维护性好,排放易控制,噪音和震动低。 索拉透平公司的金牛 60发电机在 ISO工况下可产生 5.6MW电量,占用了不足80立方米(9.8M 长2.7M 宽3.0M 高)的空间。随着土地空间越来越紧张,房地产开发成本不断升高,高功率密度意味着低资本投入。另外燃气内燃机的单机功率输出低于燃气轮机,也就是说在炼焦厂中使用燃气内燃机时需要采用多机组组合,结果是土地占用更多,操作系统更为复杂而且一次性投资高。 各个工厂的焦炉煤气成分是不同的,甚至在同一炼焦厂中的同一炼焦炉里一炉焦炭产生的焦炉煤气与下一炉的都各不相同。 有许多因素诸如,煤炭产地和质量的不同,炼焦技术不同,操作工的水平不同都会影响焦炉煤气的成分。换一句话说,焦炉煤气成分每天都各不相同,在有些炼焦厂中焦炉煤气成分一天都在变化。燃料成分的变化对于往复式内燃机发电机的操作是十分有害的,而燃气轮机却可以适应气体成分的变化,只要调整燃料阀的开度大小便可了。表 2是索拉在中国的焦炉煤气热电联产项目中的一个气体成分检测报告。 3 3项目 CO2% CmHn% O2 CO CH4 H2 N2 Mj/Nm H2S NH日 班设计期 次 范围 2.2-3.6 1.6-3.0 0.4-1.0 7.4-10.2 20.3-27.1 52.2-60.3 2.5-60.3 16.1-18 5.5-312 0-101.9 3.6 0.2 1.2 11.4 23.4 52.4 7.8 15.7 70.2 1.2 夜班 第一 4.4 0.2 0.2 11.2 21.1 62.7 0.2 15.9 35.3 12.7 日班 天 4.6 0.3 0.7 8.4 24.1 59.2 2.7 16.3 134.1 4.6 晚班 4.2 0.1 0.7 11.6 23.4 53.4 6.7 15.7 7.3 1.2 夜班 第二 5.3 0.2 0.6 10.7 25.7 57.5 0.0 16.9 218.0 23.1 日班 天 3.5 0.2 0.6 9.6 22.4 63.6 0.0 16.3 3.6 23.7 晚班 3.8 0.4 0.6 11.6 24.5 53.5 5.6 16.4 423.6 1.8 夜班 第三 3.6 0.2 0.8 7.5 23.4 56.3 8.2 15.6 86.4 54.1 日班 天 4.0 0.3 1.3 9.4 23.8 61.2 0.0 16.6 3.2 32.8 晚班 3.8 0.2 0.2 11.8 23.5 55.3 5.2 16.1 105.9 10.8 夜班 第四3.9 0.1 1.4 8.2 24.2 55.3 6.9 15.8 403.6 4.4 日班 天 3.8 0.3 0.7 7.0 24.7 61.9 1.6 15.6 5.4 4.8 晚班 平均值 4.0 0.2 0.8 9.9 23.7 57.7 3.7 16.1 124.7 14.6 表 2 焦炉煤气成分检测报告 索拉在世界范围内的经验 4索拉透平是世界上设计生产 115MW型号的工业燃气轮机的领先企业,在世界范围内 93个国家中有 12500台索拉燃气轮机正在工作运行。这些机组在陆地和海上已经累计超过 13亿个小时运行时间,如此丰富的经验,业内无与伦比。 焦炉煤气的应用经验 在 2004 年,索拉透平公司就发现焦炉煤气是工业发电中具有潜力的燃料。从那时起,索拉已陆续售出并安装了六台燃气轮机用于焦炉煤气热电联产的应用。第一台设备在 2006 年 4 月初投入使用,满负荷运转。另外两台设备根据计划在本月给客户发货,将在 2007年第三季度投产。还有三台设备在 2007年初签约订货,今年年底出运。索拉燃气轮机使用焦炉煤气的热电联产系统具有成熟的技术,多年以来在在使用低热值气体,高氢气体和热电联产方面的运行操作经验。第一套焦炉煤气热电联产系统的成功运行更进一步验证了索拉产品的能力,详情见下面的个案分析。 个案分析 在 2005年,山东的一家化工企业建了一个年产量为 60万吨炼焦厂。炼焦炉每3 小时产出大约 86.5万标方英尺的焦炉煤气scf/hr, 或者 24500 M 。焦炉煤气的消耗如表 3所示。设备 焦炉煤气消耗量 金牛 60 燃机 124,000 scf/hr 3,500 M3, 14 % 焦炉煤气 锅炉 265,000 scf/hr 7,500 M3, 31 % 焦炉煤气炼焦炉加热 477,000 scf/hr 13500 M3, 55 % 焦炉煤气表 3 焦炉煤气消耗表该炼焦厂采购金牛(Taurus60燃气轮发电机和余热锅炉建成了热电联产系统,利用高温烟气产生热能以提高经济效率。这个热电联产系统可提供 5.6MW 的电能和 13吨/时,13 barg 的饱和蒸汽。索拉透平提供了燃气轮发电机。力顺燃机服务有限公司提供设计服务包括:项目可行性报告,现场设计,咨询和项目管理等。索拉的工程设计和客户服务人员在 2006 年 7 月对该机组进行了检测。现场进行的工作如下: 5 气体燃料系统的管路检测 气液凝聚过滤器的检测以确认可燃性和排污频率 燃料总管的排污管检测看是否有液体 获取完整气体燃料分析。备注:现场能做有限的气体分析 收集运行记录文件 完成喷嘴污损监控软件 更换 PCD 清洁管 进行全部热通道部件内窥镜检测 检查柴油燃料系统 检查燃料系统的伴热装置 与 Ude代理讨论有关燃料的清洁系统,此公司是德国的一家气体燃料清洁的专业公司。 进行性能和排放测试 参观焦炉煤气清洁设备 检测后结果是金牛 60 燃气轮机使用焦炉煤气是完全可行的,没有发现任何问题和隐患。以下是现场拍摄的照片。图 4 是第一级转子叶片,状况良好。上面虽然有小的擦痕,但与焦炉煤气的运行是无关的。图 5 是第一级的喷嘴环,状况保持良好。 图片 4. 第一级转子叶片状况图片 5第一级喷嘴环状况 6如报告前面提到的,索拉在世界范围内有超过 12500 台燃机运行。其中 6600多台是发电机组,有将近 1900 台机组安装在各种不同的热电联产系统上。表 6 显示了这方面的业绩经验和市场应用情况。应用 数量 机场 8 陶瓷制造业 62 化工/石化/医药 149 通信 26 区域供热 9 食品加工业 150 国有电厂 51 医院 51 酒店 8 个体能源生产行业 14 个人投资项目 32 垃圾/废物处理 9 制造业 165 矿业 30 城市/农村合作应用 99 造纸业 208 纺织业 62 轮胎橡胶 18 大学/研究院应用 82 其他商业应用 31 其他工业应用 107 油气田应用 395 其他热电联产应用 88 总数 1,854 表 6索拉燃机在热电联产系统中的应用 索拉焦炉煤气燃机的成套特点 燃烧高氢燃料例如焦炉煤气的燃气轮机成套有特别的要求。众所周知,氢气H2是最轻的气体,分子量是 2.016,而空气是 28.96,甲烷是 16.04。由于分子量轻,氢气能在空气中快速扩散还能渗透垫片材料(橡胶和弹性体),而这些材料甲烷是不能渗入的。氢气是燃烧性极强的气体,比天然气的可燃区限大,在空气中燃烧时产生淡蓝色几乎不发光的火焰。 根据美国矿业署的报告,在大气压力下,氢气/空气混合气体的点火温度是500C 932F,比较之下甲烷/空气混合气体的点火温度是 537C 999F。大气压7力下,它的可燃范围(体积的 4-74%)远远大于甲烷(5-15%)。氢气是负的焦尔-汤普森系数,气体从高压膨胀时温度会升高。 金属吸收氢元素会影响它的延展性,或者说氢脆化,这种情况可在室温下发生。高强度的马氏永磁体钢尤其易受影响,在拉伸时容易突然断裂。金属的强度越大阻止氢渗入的能力就越差。稳定碳合金钢和 300系列以上等级的不锈钢可以减少这种损坏。氢气可通过多种材料扩散,可能聚集在“死穴”中,有潜在的爆炸危害。由于氢气的透明性,要多关注氢敏感材料制成的部件,尤其是那些在燃气管线外部的但靠近燃气管线的部件,例如法兰螺帽的材料。焦炉煤气是富含氢气的燃料,氢气含量大约 60%。根据上面提到的注意事项,因此焦炉煤气的应用更要多考虑安全问题。索拉制定了一套高氢燃料的安全操作指南。该指南适用于所有发动机的使用。为了保证在高氢燃料应用中特有的质量保证措施得到落实,检测试验计划(ITP)将对发动机和机组成套的燃料系统部件提出特殊质保,检查和测试的要求。基于高氢燃料的通用安全指南的要求,燃烧焦炉煤气机组也具有一些特殊动能,诸如: 增加氢气探测系统 增加氮的吹扫系统 增加橇内通风流量。如有氢气泄漏,能尽可能的淡化氢气残留 以柴油做燃料,停车前一刻或停车过程中用氮气吹扫 以焦炉煤气为燃料,紧急停车前一刻或紧急停车过程中用氮气吹扫 使用柴油启动或加速、加载到 300 Kw时切换成焦炉煤气 停车前换回柴油系统 通风失效时关停燃机系统 焦炉煤气燃料处理 刚从炼焦炉中出来的焦炉煤气被称为荒煤气,在成为燃机燃料前要经过处理。处理过程分两步,如表 7 中所示。这两个步骤对确保焦炉煤气体达到燃气轮机燃料的要求都十分重要。 8焦炉煤气燃料 燃机焦炉煤气燃料 荒煤气 预处理 二次处理表 7 燃料处理 第一阶段是预处理,也可称为化产部分处理。大多数的炼焦厂在现场都有这一段处理来分离焦炉煤气中的化学成分,然后将其在市场卖出获取额外的利润。荒煤气在成为焦炉煤气燃料后可以用于炼焦炉的再加热和用于工业锅炉。第二阶段就是二级处理,硫磺,水,焦油,萘和其它有害物质进一步分离,使燃料变为燃机燃料。 预处理焦炭和焦炭的副产物,包括焦炉煤气都是由适当等级的煤炭经过高温分解(真空条件下加热)产生的。现代化焦炭厂的生产过程包括化产部分,从焦炉煤气中分解提取焦油,苯,氨和其它化学成分。这些化学原料可卖到其它行业中。焦炉煤气只有在其它污染物,例如氨(通常以硫氨分离出来),苯酚,萘,轻油和硫磺, 从气体中分离出来才能用作燃料加热炼焦炉。图 8是关于预处理的示意性图解。 9炼焦炉 初级冷却气体鼓风机 焦油电捕 脱 H2S 脱氨 终冷器 分离二甲苯和萘 焦炉煤气 二次处理 储罐表 8 焦炉煤气的处理初级冷却器是焦油凝结并从盛液器中排出。冷却器通常采用焦油和冷却剂直接接触的方法冷却。除焦油外,大量的水也在这个冷却过程中除去。图 9 是关于焦炉煤气初次冷却后的典型成分显示。需注意的是由于最初使用的煤和上游处理工艺不同,表中的气体组分会有很大的变化。 焦炉煤气 成份体积 成分 % Vol 氢 57 甲烷 4 水 1 O2 6 CO 4 N 21 C2-C5 1 C6+ 0.4 10CO2 0.01 污染物 PPMV 焦油 2500 氨 4000 硫化物 1000 卤素混合物 5 硅混合物 1 表 9 焦炉煤气 体积成分焦炉煤气用气体鼓风机吹过静电捕捉器。静电捕捉器可最大程度地降低焦油通过,确保后续的焦炉煤气处理。在冷却焦炉煤气的过程中,焦油冷凝物形成悬浮微粒。穿过充满静电的金属盘,收集后焦油可作其它他用途或卖给他人。 使用链烷醇胺溶液分离硫化氢。焦炉煤气中的酸性气体主要是二氧化碳和硫化氢。这些气体分离主要是通过再生气体处理实现的。分解介质/吸收解职的选择是根据这些气体的特性和残留媒介的成本来确定。这个系统包含了洗涤器,链烷醇胺在逆流中吸收酸性成分。净化了的焦炉煤气通过后,清洁媒介流入可再生稀博器中,进行脱硫和分离不纯净物质。硫可以制成硫磺也可用于生产硫酸。氨脱离过程是用硫酸处理中和在炼焦炭过程中生成的氨。在这个过程中产生的硫氨结晶经分离可作为肥料出售。由于硫氨的供应过剩,因此该产品价格降低了。其它脱氨的方法也在研发过程中。焦炉煤气脱氨后在终冷器进行压缩。在压缩中气体温度升高,因此在进行清洗油处理前需要冷却再次降温。冷却器使冷冻剂与焦炉煤气直接接触。使用清洁油带走浓缩的萘,然后把油溶液带到洗苯塔中处理。焦油用来吸收萘,防止萘结晶造成堵塞,然后用水冲走。此过程中焦油可循环使用。清洗萘,苯,甲苯,二甲苯通过清洗油完成,可再生系统在焦炉煤气中提取重碳氢化合物。清洗油通过洗涤器可循环利用,把底部的清洗油通过剥离器分离出重碳氢化合物再利用。重油系统收集萘,后面的轻质洗涤油用于收集二甲苯。如果上述初级处理系统运作良好,焦炉煤气的成分就会与表 10 的成分相近。即使如此,这时的焦炉煤气中也有可能存在液态的水,而水中存在各种各样的污染物,这些污染物可能对于燃机的操作有很大的危害。11初次处理后的饱和焦炉煤气样品 占体积量% 成分 volH2 57 CO 4 CO2 1 N2 6 O2 4 CH4 21 C2-C6 1 C6+