中是世界上焦炭產量較大的家，但每年都有大量的焦化氣體在焦化過程中被浪費。如果能積極利用這一資源，每年可節(jié)約數千萬噸標準煤。焦化煤氣發(fā)電是一種方便的綜合利用方法。本文主要研究相應技術和設備的應用以及應采取的配套政策。

關鍵詞：焦化煤氣利用煤氣發(fā)電熱電聯(lián)產

中是世界上較大的焦炭生產，估計每年有2億噸優(yōu)質煤用于生產焦炭。據不完全統(tǒng)計，僅山西省，煉焦每年就消耗煤炭9000多萬噸。雖然中今年限制了焦炭出口，但預計全年總出口量仍將超過1300萬噸，中焦炭的出口量將直接影響世界市場。根據焦爐類型和煤質的不同閾值，每噸原煤轉化為焦炭，可生產300 ~ 400立方米熱值相當于1500 ~ 4500千卡/立方米的焦爐煤氣。中每年有600-800億立方米的焦化氣伴隨著焦化，粗略估計相當于250-350億立方米的天然氣，超過西氣東輸工程的總熱值，相當于3000

在目前的焦炭生產過程中，大多數項目不回收焦化氣體，焦化氣體要么通過火炬頭排出，要么直接排放。它不僅造成了嚴重的資源浪費，而且對環(huán)境造成了巨大的污染。在山西、陜西和內蒙古的一些焦炭產區(qū)，空氣污染已經達到了令人震驚和無法忍受的程度?？諝庵袕浡钊酥舷⒌臒熿F和硫化氫的氣味，導致當地呼吸道疾病的傳播，肺癌的發(fā)病率不斷上升，嚴重危及當地人民的健康，對社會穩(wěn)定和經濟持續(xù)發(fā)展構成巨大威脅。

如何有效利用焦化伴生氣資源是我可持續(xù)發(fā)展的一個非常重要的問題。它不僅是為了控制環(huán)境污染，而且是為了節(jié)約資源，提高能源利用效率，解決當前電力和煤炭供應短缺，維護民社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展。

我煤炭資源是在目前的技術經濟門檻下開采的，在生態(tài)環(huán)境容量允許的范圍內，達到有效供給滿負荷開采能力的凈有效量僅為1037億噸，僅占1萬億噸探明儲量的10%。中煤炭資源供給的基本情況是總量充足，但有效供給能力明顯不足。再加上人口因素，實際人均可用煤遠低于世界平均水平。2003年，中煤炭生產能力達到16億噸，2002年超過14億噸，預計2004年將超過17億噸。根據預測，2020年中將需要約29億噸煤炭，根據工業(yè)煤炭聯(lián)合會正在進行的規(guī)劃研究，到2020年工業(yè)的較大煤炭產量將達到20.5~22.1噸?？紤]到環(huán)境約束和其他限制門檻，專家預測，中煤炭產量的較高峰值僅為25億噸左右。按照目前的開采利用方式，山西的煤炭只能維持40年，而相關專家認為中的煤炭資源只能維持60年左右。

一方面是資源大量浪費，環(huán)境迅速惡化；另一方面，資源供應的極限正在逼近。如果我們耗盡了資源，如果我們在那個時候保留一片荒蕪的土地，我們的孩子將如何面對他們的未來？如果我們現(xiàn)在就行動，也許還能彌補。務院發(fā)展研究中心曾建議，家應將節(jié)約資源、保護環(huán)境和計劃生育納入“基本策”。務院主持的家中長期能源發(fā)展規(guī)劃也確立了“節(jié)能優(yōu)先”的宗旨。為了實施這一決定，有必要有效地回收焦化氣體。 #p#分頁標題#e#

焦化氣體的利用方向

焦化氣體的利用主要有兩個方向：一是化工原料；另一種是直接作為燃料發(fā)電發(fā)熱。甲醇在化學工業(yè)中的重要用途是將其轉化為甲醇、二甲醚等石油替代燃料。甲醇可以作為發(fā)電燃料，但經濟上不合適，技術上多余。因此，甲醇的重要用途是運輸替代燃料。甲醇汽油技術已經成熟，并開始作為石油的替代燃料發(fā)揮積極作用。至于甲醇燃料技術的研究和應用，早在20世紀70年代，地方政府和企業(yè)就紛紛開始。經過長時間的研究和測定，山西省在汽油中加入15%的甲醇使用，不添加其他添加劑，特殊工藝，保護和密封，不需要改造發(fā)動機，對汽車、動力性能和環(huán)境沒有太大的負面影響。試驗表明，使用甲醇汽油的汽車常規(guī)尾氣中一氧化碳和碳氫化合物的濃度平均降低了23.2%和28.5%，達到了歐二排放標準。

根據中化工信息中心副總工程師張睿提供的信息，2003年，山西省在太原、陽泉、臨汾、晉城開展了推廣甲醇汽油的試點工作。全省使用甲醇汽油的車輛48.26萬輛，涉及近50種車型，累計消耗甲醇汽油12192噸。在此基礎上，山西省政府近日決定，2004年下半年在11個城市推廣甲醇汽油，甲醇汽油消費量從2003年的1.2萬t增加到2004年的3萬t。河南駐馬店、漯河、黑龍江哈爾濱都有類似的成功經驗。

目前際內油價居高不下，北京93#汽油市場零售價格達到3.66元/升，為甲醇汽油大踏步進入市場創(chuàng)造了機會。一些大型產煤省份和大型焦炭生產企業(yè)已經開始采取積極行動。中石化山西分公司銷售的M15甲醇汽油與標93#汽油相比，經濟效益提高121元/噸.甲醇的燃燒值為5426 KCl/kg，汽油的燃燒值為11000 KCl/kg，熱值比為1:2。按照熱值當量計算方法，甲醇和汽油的價格比也應該是1，333，602。如果按現(xiàn)在的汽車汽油價格4元/公斤計算，甲醇的價格可以達到2000元/t，銷售甲醇汽油的經濟性非常明顯，但是燃油的價格世界較好。

由于將煤氣轉化為石油替代燃料的投資較大，存在規(guī)模效益問題，因此適合大型焦化企業(yè)利用焦化煤氣生產石油替代燃料，焦炭生產在相當長一段時間內占主導地位

位的還是中、小型煉焦企業(yè)，由于規(guī)模的限制采用轉換石油代用燃料工藝的經濟性未必合適。目前，全出現(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燃機，以及正在快速發(fā)展普及之中的微型燃氣輪機和較傳統(tǒng)的蒸汽輪機發(fā)電。#p#分頁標題#e#

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可以直接作為燃料利用，以內蒙西部地區(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)質的氣體燃料。利用這種優(yōu)質燃料的主要困難是過慮吸附焦化煤氣中的一些不利物質，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較大的問題之一，也是一個瓶頸性質的問題，很多動力設備是無法適應焦化煤氣中的大量雜質及影響。特別是焦油和奈在高溫下，可能在燃料供應管路內結垢，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，所以產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較傳統(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的管束把水轉換為蒸汽，利用蒸汽推動蒸汽輪機再驅動發(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、干式變壓器和控制系統(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，這種方式較大的優(yōu)點是可以適應焦化廠間歇性生產的特性，有氣少燃煤，無氣多燃煤，不會影響電力供應的品質和能力。該技術較大的限制是水，中水資源極度缺乏，特別是山西、陜西、內蒙等焦炭生產大省，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。#p#分頁標題#e#

二、燃氣內燃機：世界上較好臺內燃機就是以煤氣為燃料的內燃機，1876年德商人兼機械師奧托發(fā)明了人類較好臺以煤氣為燃料的四沖程內燃機，經過10年的不斷改進之后，德的另一個機械師“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，由于內燃機氣缸內的核心區(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％。燃氣內燃機較突出的優(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。但是內燃機也有一些不足的地方，先先，內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)電機組臺數的辦法，來消除利用率低的影響。內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瑑热紮C是一種比較合適的技術選擇，目前我已經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500千瓦級燃氣內燃機，該機組已經在焦化煤氣利用中起到了非常積極的作用，并在內得到大量應用。但是500千瓦級燃氣內燃機只能在380V等級并網，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，據了解，該公司正在研制1000千瓦級以上的機組，并網電壓也將有所提高。此外，外的卡特彼勒和顏巴赫等公司也有相關技術和運行經驗。

三、燃氣輪機：從工作原理上看，燃氣輪機無疑是較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，推動動力渦輪旋轉做功驅動發(fā)電機發(fā)電，因為是旋轉持續(xù)做功，可以利用熱值比較低的燃料氣體。內已經有了不少成功的經驗，內較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較多的劣質燃料，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換蒸汽，驅動蒸汽輪機再發(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，先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。燃氣輪機在我焦化煤氣利用上已經有不少成功的嘗試，焦化煤氣在際上主要規(guī)類為高氫燃料，外公司在燃氣輪機利用高氫燃料上都具有較多的經驗，但是具體到焦化煤氣上的經驗都不太多，主要原因是外煉焦工業(yè)一直處于不斷萎縮，中小型焦化廠已經很少，而大多數焦炭來自大型聯(lián)合化工企業(yè)，產生的焦爐煤氣多用于化工產品的制造，所以焦化煤氣發(fā)電項目不多。內生產的燃氣輪機主要是航空改型機組和引進技術組裝生產的機組，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。#p#分頁標題#e#

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，世界上較早的航空噴氣式發(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)動機廢氣驅動一個離心式渦輪的動力葉片，利用鑄造在另一側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，目前這一技術已經在汽車工業(yè)中廣泛采用。將這一成熟技術再一次轉回的發(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)家因為經歷了兩次慘痛的能源危機之后，就開始致力于研發(fā)各種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，直接加溫經過壓縮的功質空氣，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，由中科學院徐建中院士牽頭的產微型燃氣輪機研發(fā)已經列入“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在垃圾壜癯∠钅恐兄苯永萌戎迪嗟鋇惱悠?，壹s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>#p#分頁標題#e#

五、焦化煤氣的熱電聯(lián)產：上述每一種技術都可以實現(xiàn)熱電聯(lián)產，如果將處理后的焦化煤氣通過管道輸入到就近的小城鎮(zhèn)，利用發(fā)電后的余熱供熱采暖，實現(xiàn)“溫度對口，梯級利用”，可以進一步減少這些地區(qū)對于煤炭資源的消耗，同時減輕當地的環(huán)境污染。上述技術中，特別是燃氣內燃機、燃氣輪機和微型燃氣輪機都是非常適合安裝在城鎮(zhèn)之中的，它們占地小，污染少，并可以采取相對分散化的網絡布置，可以減少熱力管網的投資和熱損耗，增強電網的供電可靠性，更加經濟可行。

政策建議

客觀地說，造成目前焦化煤氣大量浪費的原因，存在對這一資源的綜合利用重視不夠，長期以來沒有將這一資源的綜合利用直接明確地納入到法律支持和政府鼓勵的范圍之內。據查《中華人民共和節(jié)約能源法》，《務院批轉家經貿委等部關于進一步開展資源綜合利用意見的通知[發(fā)(1996)36號]》，2002年發(fā)布的《外商投資產業(yè)指導目錄》，《能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃》和2004年發(fā)布的《產業(yè)結構調整指導目錄（征求意見稿）》等文件中，均未將利用焦化煤氣發(fā)電或熱電聯(lián)產列入到家鼓勵發(fā)展的行業(yè)。因此，各地各部門也無理由制定自己的支持政策，建設之一類電廠到底算是“小火電”？還是“資源綜合利用電廠”？，電價如何歸類？項目如何批準？讓不讓并網？發(fā)的電能不能自發(fā)自用？用不用再交“三項基金”？要不要“競價上網”等等問題，在政策上都不清楚。由此可見，家主管機構發(fā)布一個正式文件澄清是非常必要的。

實際上，發(fā)展焦化煤氣發(fā)電在際上的較新歸類標準，應該列入分布式能源，與沼氣發(fā)電、垃圾填埋氣發(fā)電等類似。家發(fā)改委能源局對于分布式能源的支持態(tài)度是非常明確的，如果將其歸入分布式能源有利于推動這一資源的利用，更有利于緩解目前的資源供應緊張的局面。

要使焦化煤氣的利用工作能夠盡快形成氣候，必須通過市場機制。先先，投資利用焦化煤氣應該是有利可圖的，回收這一資源的投資回報應該與生產銷售焦炭的利益價值接近，當然這一利益價值不僅是生產銷售焦炭的直接收入，還應包括環(huán)境污染排放罰款、稅收優(yōu)惠等因素。

一個焦化廠利用焦化煤氣所發(fā)電量，無論如何是自己所不能消化的，必須上網售電，如果電價過低，企業(yè)就沒有投資的動力。對于環(huán)境治理項目給予更加優(yōu)惠的電價是符合情理的，與風力發(fā)電和太陽能發(fā)電相比，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電僅僅是沒有污染，而利用焦化煤氣發(fā)電可以治理污染，給予較高的電價應該是理所當然的。

我們相信在“節(jié)能優(yōu)先”的能源發(fā)展政策下，隨著資源供應的日益吃緊，焦化煤氣資源的綜合利用將必然會受到各級政府的重視，相應的扶持政策也一定會陸續(xù)到位。#p#分頁標題#e#

來源：中能源網