浅谈兰炭尾气综合利用发电技术

【摘要】

本文论述了兰炭尾气发电技术，通过分析兰炭尾气的成分以及燃烧特性，提出 “燃气锅炉+汽轮发电机组”是利用兰炭尾气发电的最佳选择。利用兰炭尾气进行发电，能够实现节能减排，具有良好的环境效益和社会效益，值得大力加以推广。

【关键词】

兰炭、尾气、综合利用、发电技术

1.0引言

兰炭又称半焦，广泛应用于铁合金、钢铁、化工等行业。陕西省每年炼焦伴生860～930亿立方米的兰炭废气，其中外排尾气约500亿立方米，折合标准煤约1000万吨。如果能够积极利用兰炭尾气这一资源，不仅每年可以节约千万吨标准煤，而且能够有效减少污染，对促进兰炭行业清洁生产，实现循环经济具有重要意义。

2.0兰炭尾气成分及燃烧特性

陕西省榆林市拥有丰富的煤炭资源，是生产兰炭的优质原料。以神木县西沟地区的煤炭为例，通过中、低温干馏工艺生产兰炭，排放的尾气成分如下：

通过成分分析，可以看出：兰炭尾气作为燃料，由于可燃气体浓度不到50%，低位热值并不高，介于高炉煤气和焦炉煤气之间，远低于天然气。

根据计算，兰炭尾气的爆炸极限及着火温度如下：

爆炸极限符号单位数值

不可燃气体（惰性气体）浓度Φd%59.015

可燃气体浓度100-Φd%40.985

混合气体爆炸下限（不含惰性气体）L下%5.173

混合气体爆炸上限（不含惰性气体）L上%34.858

混合气体爆炸下限（含惰性气体）Ld下%11.747

混合气体爆炸上限（含惰性气体）Ld上%56.628

着火温度

最低着火温度Tz℃486.187

兰炭尾气作为混合气体，其爆炸下限略大于10%，着火温度不到500℃，可判定为：易燃烧、有爆炸危险性气体。

3.0兰炭尾气发电技术

根据兰炭尾气拥有一定热值且可燃烧的特性，将其作为燃料用于发电是一种比较便捷，易于普及推广的利用方式。

利用兰炭尾气发电的技术路线有：燃气锅炉+汽轮机发电机组、燃气-蒸汽轮机联合循环和燃气内燃机三种。

3.1燃气锅炉+汽轮机发电机组

采用燃气锅炉直接燃烧兰炭尾气，将兰炭尾气的热能通过锅炉内的管束把水转换为蒸汽，利用蒸汽推动汽轮发电机发电。系统中主要设备有燃气锅炉、汽轮机发电机组、变压器、水处理设备等，和常规火力发电站一样，都遵循朗肯循环原理。

燃气锅炉燃烧效率高，可达到90%以上；负荷调节性好，不仅可以适应低过氧燃烧，而且具有迅速响应负荷变动的特性，可在较宽范围内进行燃烧调节；对于燃气的要求较低，兰炭尾气经简单处理即可；燃气锅炉进气压力通常在5kpa～10kpa之间，兰炭尾气只需根据输送距离简单增压即可；与燃气锅炉配套的发电机组单机功率较大，目前已达到50MW，预计可达到135MW。

与燃煤电站相比，由于兰炭尾气可采用管道输送，燃烧系统大大简化；兰炭尾气易着火，可以实现无油直接点火，不需要设燃油助燃系统；占地面积减少约1/4。

“燃气锅炉+汽轮机发电机组”技术成熟、可靠，运行方式灵活，主机及配套辅机设备可做到全部国产化，单位造价约4500～5000元/千瓦，发电成本不高，非常具有竞争力。

3.2 燃气-蒸汽轮机联合循环（CCCP）

燃气-蒸汽联合循环（又称CCPP-Combined Cycle Power Plant）发电装置，一般由燃气轮机、兰炭尾气压缩机、空气压缩机、余热锅炉、蒸汽轮机、发电机等构成。其工作原理是：先将经过净化及加压的兰炭尾气与空气送入燃气轮机的燃烧室内混合燃烧，生成高温高压气体，经燃气轮机膨胀做功，驱动发电机发电，排出的废热烟气温度高达550～600℃，可以通过余热锅炉再次回收热能产生蒸汽，送入蒸汽轮机驱动发电机发电，形成燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电。

CCPP发电装置机组热效率可以达到40%～45%，比同等常规火力发电机组高。燃气轮机的进气压力高，一般位1.5～2.4Mpa，越是发电效率高的机组进气压力越高，炼焦排放的兰炭尾气本身没有什么压力，需要使用燃气压缩机；而且燃气轮机对燃气品质的要求非常高，兰炭尾气净化处理系统较为复杂；此外CCPP系统复杂，整体化要求高。目前燃气轮机多为进口产品，导致发电成本较高，单位造价约8000～9000元/千瓦，运行维护成本也相对较高。

3.3燃气内燃机

燃气内燃机发电的工作原理与车用发动机类似，需要火花塞点火，由于燃气内燃机气缸内的核心区域工作温度可达1400℃，其效率可达40%，该方案现主要应用在单机功率20MW以下的小型发电机组领域。

燃气内燃机最大的优点是设备集成度高，安装快捷；对气体中的粉尘要求低，基本不需要水；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，兰炭尾气的热值不到天然气热值的1/4，机组出力下降后，整体经济性差；而且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；此外内燃机设备对兰炭尾气中的水分和硫化氢比较敏感，容易导致酸腐蚀问题。

4.0兰炭尾气发电技术选择及应用

根据兰炭尾气成分、燃烧特性以及有关兰炭尾气发电的技术路线，为了便于兰炭尾气集中利用，同时兼顾兰炭企业的生产工艺特点，综合考虑占地和投资，以及设备的国产化，选择“燃气锅炉+汽轮发电机组”这种发电技术更为适合。在北方富煤缺水地区，特别是山西、陕西、内蒙等焦炭生产大省，由于采用了直接空冷汽轮发电机组，大大降低了水耗，50MW电厂水耗控制在0.3Kg/KWh以下，使得这一技术的广泛应用成为可能。

在陕西省榆林地区的兰炭产业工业园区内，采用“燃气锅炉+汽轮发电机组” 这种综合利用兰炭尾气的发电技术，累计投运发电机组规模已达400MW。例如：年产90万吨兰炭企业，可装设2×30 MW发电机组，回收利用废气约8亿标方，年发电量可达3.6亿度，与燃煤电站相比每年可节约标煤约15万吨，实现CO2减排约28万吨，不仅促进兰炭行业产业链延伸，而且具有良好的经济效益和社会效益。

5.0 结语

实践证明，“燃气锅炉+汽轮发电机组”这种利用兰炭尾气发电的技术路线是符合中国国情的最佳选择。能够预见，这一技术将在我国能源工业建设中发挥重要的作用，同时也为实现节能减排，推动可持续发展作出贡献。

【参考文献】

1、姜湘山. 燃油燃气锅炉及锅炉房设计.北京：机械工业出版社，2004.

2、焦树建. 燃气-蒸汽联合循环. 北京：机械工业出版社，2000.

作者简介：郑红梅（1971—），女，陕西户县人，高级工程师，主要从事新能源及可再生能源发电领域设计与研究工作。

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