我国焦炉煤气资源丰富,但利用效率低下,造成巨大污染和浪费。通过燃机用焦炉煤气发电是一条很好的出路,但必须解决一系列复杂的技术难题。南港动力国内外首创MS5000燃机改烧焦炉煤气在柳钢获得成功,拓展了燃气轮机的应用领域,为我国焦化企业有效实现能源综合利用、减少环境污染、提高经济效益、在技术和设备上提供了新的有效途径,是能源回收、高效利用、环保发电一个很好的范例,也为我国燃气轮机电厂机组升级换代、旧机组的重新利用提供了有效出路,有着广阔的市场前景。
一、焦炉煤气发电技术在中国的现状 1.资源 焦炉煤气是制取焦炭时产生的副产品,简称焦炉气,是煤焦化过程得到的可燃气体。其产率和组成因炼焦煤质和焦化过程条件不同而有所差别,一般每吨干煤可产焦炉煤气300~350m3(标准状态)。煤气组成(体积%)为:氢55-60%,甲烷23-27%,一氧化碳5-8%,C2以上不饱和烃2-4%,二氧化碳1.5-3%,氮3-7%,氧0.3-0.8%。+热值Nm3每约为17~19MJ(4000~4500大卡)。 焦炉煤气为有毒和易爆性气体,空气中的爆炸极限为6-30%(体积)。 我国是焦炭生产大国,大小加起来,目前有焦化企业2000余家。一些较大钢铁企业的焦化厂,其产生的焦化煤气可以作为优质燃料用于炼钢,有些焦化厂则供煤气于城市民用。但是相当一批焦化企业的炼焦煤气无法综合利用,只能点上火炬任其燃烧。据不完全统计,年直接空排或空烧的炼焦煤气达到200亿立方米以上,相当于西气东送工程的年输气量。目前,焦炭生产还将继续保持着快速增长的态势,炼焦煤气还将继续增长。 2.现状 很长时间以来,利用焦炉煤气发电未能被国内焦化企业看好。除收集难、设备昂贵、不能直接利用以及企业不重视等原因外,更主要原因还在于我国还不能很好解决燃机技术难题。焦炉煤气高含氢、高含尘、杂质多、热值低、成分易变,燃烧不稳,流量波动和芳香烃、焦油等杂质对燃机的影响,碳、氢、水、氨、硫的腐蚀性及焦化生产的周期性、不确定性,都是开发利用焦炉煤气必须面对和解决的技术难题。国外炼焦工业一直处于不断萎缩,产生的焦炉煤气多用于化工产品的制造,发电项目不多,经验也不多。要想发展焦炉煤气发电,只能依靠国内自己的力量。
二、南港动力国内外首创MS5000燃机改烧焦炉煤气在柳钢获得成功 南港动力公司2008年在柳州钢铁厂承接了一项国内外首创的MS5000燃机改烧焦炉煤气工程。通过南港公司相关人员一年多时间的辛勤努力和刻苦攻关,改造后的机组于2008年5月5日19时顺利完成72小时试运行。 机组停机检查消缺后,于2008年5月13日 正式移交投入商业运行。一年多来,机组烧焦炉煤气运行安全平稳、油气切换可靠,得到了用户的好评。下面就该燃机改造项目做一简单介绍。
1. 燃机改造前状况 柳州振兴电力有限公司(以下简称柳电)1989年从英国JB公司引进的一台PG5361P型燃气轮发电机组为简单循环。该燃机是可烧轻柴油和天然气的双燃料机组,但是引进时没有烧天然气的装置,只可烧轻油。1989年10月16日机组正式投产发电。1996年柳州遭遇有史以来最大洪灾,机组及主控间设备被洪水淹泡。南港公司及时组织了抢修队伍,对机组及热控设备进行全面检修,于当年底恢复发电。1997年柳电委托我司将机组MK-Ⅱ轮机控制盘升级更换成MK-Ⅴ。1998年柳电为机组增添了余热锅炉及12MW汽轮发电机,组成为联合循环燃气轮发电机组,于1998 年9月开始联合循环发电。联合循环调峰只运行了544小时,由于油价上涨、柳州电力紧张状况好转,机组从1999年停止运行。
2. 燃机改造项目的确定 在机组改造前,柳钢有大约2万方多余的焦炉煤气无法有效利用,白白向空中燃烧放散,造成能源浪费和环境污染。与柳钢毗邻(大约相距不到2公里)的柳电则有一台PG5361P型燃机长期搁置停运,设备容易锈蚀损坏,保养需消耗人力及资金,柳电多年来一直为机组寻找出路。 柳电与柳钢能否联合起来,利用柳钢多余的焦炉煤气作为柳电闲置燃机的燃料来发电?柳钢及柳电共同将课题向南港公司提出。由于在这以前这种类型的机组还没有烧焦炉煤气的先例,焦炉煤气的热值仅为天然气的一半,燃机能否安全(包括对运行人员安全)、稳定的燃烧焦炉煤气?机组能否达到额定的出力,这是问题的关键。南港公司领导对此十分重视,立即组织燃机专家进行调研,对焦炉煤气的成分、MS5000燃机的结构、燃烧可能出现的情况、气体流量等经过认真分析和必要的计算,认为该燃机经过必要的改造后可以直接烧焦炉煤气,并做出机组改造的方案及费用估算,提出对焦炉煤气净化、流量、压力、温度等的要求。柳钢及柳电研究了机组改烧焦炉煤气的方案后,决定改造项目立即上马。由于该项目是能源再利用的节能并且有利于环保的项目,得到柳钢高层重视和支持,为此柳钢和柳电合资成立柳州市新和刚电力有限责任公司,于2007年1月该公司与我司正式签订合同,我司承接燃机改烧焦炉煤气的设计、配件制作、进口及国产设备购买、改造现场安装施工、调试及试运行。
3. 燃机改造主要内容 3.1. 燃机气体燃料系统 增加气体燃料分配环管及其管路,以确保将气体燃料均匀分配到10个燃烧室。 增加液体燃料管路清吹系统,降低液体燃料喷嘴的积碳倾向。 增加气体燃料控制阀站,根据需要控制及切断进入燃气轮机的气体燃料流量。 增加控制阀站前的100%容量的精过滤模块,以净化进入燃气轮机的焦炉煤气,确保设备运行安全。
3.2. 增加N2清吹管路系统 作为机组的安全保护措施,每次燃气轮机燃料切换前(油切气)/后(气切油)及起停机过程中必须对气体燃料管路进行N2吹扫,确保管路内部含O2量降到要求的数值。
3.3. 增加雾化空气旁通管路系统 在燃气轮机以气体燃料运行时,一部分雾化空气进入喷嘴对喷嘴进行冷却,而多余的雾化空气通过雾化空气旁通管路旁通到雾化空气冷却器进口。
3.4 增加可燃性气体检测系统 在燃机间和气体燃料控制阀站内等易积聚泄漏的可燃性气体的地方设置隔爆型可燃气体检测器,并将信号远传至控制室,进行指示和报警。报警分两级,两级报警开关信号送至MAK V控制盘。
3.5.火灾检测系统 增加燃机间紫外线型火灾检测探头及其报警系统,以探测燃机间内火灾发生情况。因为当含有高浓度氢气燃料的管路中有小的H2泄漏并接近高温时,就会引起燃烧,而燃烧的火焰普通火灾探头不易测到,但可通过紫外线探头测到氢气燃烧火焰中的紫外线光谱,因此须采用紫外线探头探测H2外泄造成的火灾,并将火灾信号送至MAK V控制盘报警。 3.6. 罩壳通风系统 为了防止少量的可燃性气体外泄积聚在燃机间罩壳及阀站罩壳内造成火灾,燃机间和阀站罩壳内须采用2×100%容量(一用一备,从里往外抽风形式)的通风机进行通风,确保燃机间和阀站罩壳内的可燃性气体浓度不会达到爆炸极限。通风机为一备一用,只要一台故障另一台会自动立即投入运行,当两台风机全部故障时机组会立即遮断。
3.7. 控制程序修改 对原有控制盘(单重信号MK-Ⅴ)上的控制程序进行重新修改和增加以适应烧焦炉煤气及油气切换的需要。
3.8. 电气系统 根据改烧焦炉煤气后的系统要求,电气系统全部考虑防爆、隔爆要求。
4.施工和调试 虽然我们从理论上分析,机组经改造后可以烧焦炉煤气。但是没有前例可借鉴,柳钢的焦炉煤气含氢量(62.7%)和一氧化碳(5.3%)高,比天然气危险大大增加。我司领导对这项工程非常重视,组织最强的安装调试队伍进场施工,对采购的设备、器材严格按安全生产许可条例符合技术要求进行选购验收。由于机组搁置时间很长,在机组改造前我们对燃机、发电机、辅机等进行全面大修。气体燃料管路全部选用不锈钢管,所有B类焊缝100%拍片检查、C类焊缝100%着色探伤,管道安装前后要进行打水压试验(工作压力1.5倍),气体燃料系统安装后要做氮气密封试验(工作压力1.15倍)。 这里特别提出燃机轮控盘的改造,该轮控盘是1997年由MK-Ⅱ升级更换为MK-Ⅴ,是单信号型(标准的盘是三重)控制器,只有烧轻柴油的程序及接口,现在机组要增加烧焦炉煤气的功能,需增加很多程序和接口,而且要对许多原来程序进行修改。这个单信号型的老轮控盘容量是否够用?能否接受新增加的程序?若无法实现机组改造后的控制功能,就要更换新的MK-Ⅵ盘,换盘的费用约400多万元,而且购买、换盘施工的周期长。本着一切为用户着想的宗旨,我司燃机控制方面的专家经过仔细的探索、试验,终于在现有的单信号MK-Ⅴ盘上完成了全部改造,为业主节省了换盘所需资金和缩短了工期。 整个改造施工及机组静态调试大约2个月全部完成。从2008年1月29日开始进入机组动态调试,机组用柴油启动进行了高速盘车、点火、全速空载、机械超速、主要的保护、发电机励磁等试验。机组 完成上述试验到全速空载后,进行手动、自动并网带负荷、在线氮气轻吹试验、在烧柴油带5MW负荷下进行烧油切换到烧气以及在规定的条件下自动烧气切换到烧油。由于该工程是一个大的系统,我司负责的燃气轮发电机组只是系统中一个环节,只要其他外部任何一个环节(如煤气输送、氮气的输送、煤压机、冷却水泵、等)有问题都会影响燃机的调试。 我司调试人员受其外部环节的影响多次往返柳州,为了能够使工程尽快竣工投产,我司积极与业主及兄弟单位配合,终于在2008年4月29日完成机组全部调试,烧焦炉煤气带18MW负荷试运行,余热发电联合循环投入试运行。5月2日18时机组烧焦炉煤气带满负荷19.5MW进入72小时试运行,此时余热发电带负荷11MW,燃气轮机运行平稳,运行的各项参数正常。2008年5月5日19时顺利完成72小时试运行。 由于没有MS5000机组烧焦炉煤气运行的经验,为了解烧焦炉煤气对燃机燃烧部件的影响,在机组带满负荷运行110小时停机后,拆下3个燃料喷嘴、1个燃烧室中的火焰筒、2个联焰管,经检查情况正常,机组可以稳定安全运行。
5. 竣工移交 经过72小时试运行、机组停机消缺,经验收合格,我国首台MS5000燃气轮机改烧焦炉煤气工程圆满竣工,2008年5月13日机组移交给柳州新和刚电力有限责任公司正式投入商业运行。
三、意义和展望 1. 经济效益和促进我国节能环保事业发展的现实和长远意义 柳电机组改造后,利用钢厂炼焦产生的多余煤气发电,初步估算在环境温度25℃联合循环发电约30MW,扣除厂用电约5MW(主要是煤压机耗电)可输出约25MW,即每小时发电25MWh,实际用煤气约16000 m3/h,平均每m3焦炉煤气发电约1.5KWh,该电厂每年发电约1.8亿度(机组年运行7000h);同时还解决了机组的闲置、焦炉煤气排放造成的环境污染等问题,给电厂创造了良好的经济效益和社会效益。 焦炉煤气的主要成分是氢气和甲烷以及一氧化碳,对空排放无疑将使生态环境遭到破坏。我国钢铁炼焦企业和其它焦化企业有大量多余的焦炉煤气向大气排放,不但浪费能源还污染环境,为这些废气寻找出路已成为焦化企业生存的必由之路。与此同时,因燃油、天然气的价格上涨,我国有许多中小型燃机处于闲置之中。投入不多的资金对燃机进行改造就可将闲置的燃机重新启用,又可将炼焦再生的焦炉煤气高效地利用起来,这对于相关企业和国家来说均是有益的事情。南港在柳钢的这一创造性技术改造,标志着我国燃机行业在解决燃机技术难题方面有了长足的进步,同时在促进我国节能减排和环境保护事业的发展方面具有重大的现实和长远意义。
2. 南港此项技术的前景展望 随着西气东送工程的实施,由于焦炉煤气与天然气的不可比性,国内目前管道煤气30-40%将被管道天然气取代,一些焦化企业的煤气将逐渐退出民用领域,这又意味着更多的煤气无地可去。焦炉煤气变废为宝,最经济、最简便的利用方式就是发电,因此,将空排的焦炉煤气用于发电,前景非常广阔,在我国必将会有很大的市场需求。 柳电机组的改造成功,拓展了燃气轮机的应用领域,为我国焦化企业有效实现能源综合利用、减少环境污染、提高经济效益、在技术和设备上提供了新的有效途径,是能源回收、高效利用、环保发电一个很好的范例,也为我国燃气轮机电厂机组升级换代、旧机组的重新利用提供了有效出路。南港动力以自己的成功为国内同行树立起了一个节能环保、技术创新型企业的典范,同时以实际行动践行了其一贯坚持的经营理念——敬业、服务、专业、合作;用户的需求就是我们的追求;开拓进取永无止境。
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