潛紀儒，李碩平，許 平，羅 輦

（浙江省電力設(shè)計院，杭州 310012）

焦爐煤氣是鋼鐵產(chǎn)業(yè)煉焦過程的副產(chǎn)品，其主要成分是 H2和CH4， 并有少量 CO，CO2，N2，O2和其它烴類。根據(jù)焦化工藝流程，在煤炭的焦化過程中每生產(chǎn)1 t焦炭產(chǎn)生300～350 m3焦爐煤氣（按焦炭級別決定）。其中，只有近一半可以回爐自用，其余必須專門回收，否則只能直接排入大氣或燃燒放散[1]。2007年全國總計焦炭產(chǎn)量約3.35億t，粗略估計，可回收的能量相當于2個西氣東輸工程設(shè)計年供氣量?？梢?，每年產(chǎn)生的焦爐煤氣非常驚人，如果不采取有效的措施進行治理或加以利用，而均作為廢氣對空燃燒排放或直接放散，會嚴重污染空氣，增加溫室效應氣體的排放。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是焦爐煤氣最經(jīng)濟有效的利用方式。將焦爐煤氣提煉、凈化，作為燃料輸入燃機進行循環(huán)發(fā)電甚至供熱，不但可以改善環(huán)境，而且提高了能源的綜合利用率。

本文結(jié)合某燃用焦爐煤氣的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠，介紹燃機電廠焦爐煤氣燃料系統(tǒng)的設(shè)計要點。

1 焦爐煤氣燃料發(fā)電項目簡介

某燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠為焦爐煤氣綜合利用工程，來自各焦化廠的粗煤氣經(jīng)回收、加壓輸送至粗煤氣柜，經(jīng)凈化后輸送至凈煤氣柜。約46%的凈煤氣加壓后輸送至焦化廠，滿足焦化廠焦爐自用，剩余的凈煤氣再送至電廠燃氣輪機燃燒做功發(fā)電。燃機的排氣進入余熱鍋爐，產(chǎn)生中壓蒸汽，換熱后的尾氣則排入大氣。中壓蒸汽進入蒸汽輪機做功發(fā)電，同時還可以在蒸汽輪機中間抽取部分蒸汽供熱。該工程燃氣輪機采用美國GE公司生產(chǎn)的PG6561B機組，經(jīng)改造可燃用低熱值焦爐煤氣，啟動燃料為0號輕柴油，機組裝機形式為2套106B機組。

由于焦爐煤氣中含有煤焦油、H2S、苯、萘等雜質(zhì)，煤焦油和萘在高溫下可能在燃料供應管路內(nèi)結(jié)垢，造成管路堵塞；H2S和水分子化合成為強腐蝕性的硫酸會腐蝕管道及設(shè)備；而重烴會造成燃燒不穩(wěn)定，積炭堵塞噴嘴[2]。雖然在進入發(fā)電系統(tǒng)之前會經(jīng)過煤氣凈化處理，包括除焦油、脫硫、脫萘等工藝，但不能完全除去焦爐煤氣中的雜質(zhì)。因此，燃用焦爐煤氣聯(lián)合循環(huán)電廠的燃料系統(tǒng)設(shè)計，就需要考慮采取必要措施和工藝加以控制，以消除雜質(zhì)對燃氣輪機的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計要點

2.1 凈煤氣中的雜質(zhì)

該工程凈化后的焦爐煤氣儲存在氣柜中，凈煤氣干式氣柜壓力為8 kPa，設(shè)計溫度為30℃。凈煤氣成分見表1，雜質(zhì)含量見表2。

表1 凈煤氣成分

表2 凈煤氣中雜質(zhì)含量 g/m3

根據(jù)美國GE公司的要求，燃機入口絕對壓力要求為2.273～2.411 MPa，溫度要求為143.3～154.4℃。GE公司確認凈煤氣成分滿足要求，但要求進入燃氣輪機的焦爐煤氣中顆粒質(zhì)量百分比總含量不超過30×10-6，其中10 μm以上顆粒質(zhì)量百分比含量不超過0.3×10-6，且雜質(zhì)中不允許含有液體。

因此，如何滿足燃機入口壓力、溫度的要求以及除去焦爐煤氣中的雜質(zhì)，是工程燃料系統(tǒng)設(shè)計的重點。

2.2 焦爐煤氣中雜質(zhì)的處理

凈煤氣的雜質(zhì)中，苯在常溫下是液體，熔點5.5℃，沸點80.1℃；萘是無色片狀晶體，熔點80℃，沸點218℃；焦油在常溫常壓下是黑色粘稠液體；NH3和H2S均為溶于水的氣體。該工程供至發(fā)電部分的凈煤氣約為52 800 m3/h（標況下）。粗略估算，凈煤氣中苯的含量約為105～210 kg/h，萘的含量約為8 kg/h，焦油的含量約為3 kg/h。

進入燃機前的焦爐煤氣需要充分考慮雜質(zhì)的特性，采取各種措施以消除雜質(zhì)的影響，使焦爐煤氣得以安全可靠利用。

2.3 增壓、高溫過濾單元的設(shè)置

根據(jù)燃機入口壓力要求，需要設(shè)置增壓單元。增壓后焦爐煤氣系統(tǒng)可以考慮2個方案。

方案一：由于增壓機出口焦爐煤氣的溫度較高，而常規(guī)的過濾分離器設(shè)計溫度不超過100℃，因此，先將燃料冷卻到小于100℃，經(jīng)粗過濾、調(diào)壓、精過濾后，再將燃料加熱到燃機所需溫度。該方案的缺點是先降溫后升溫造成能量的浪費，同時系統(tǒng)較為復雜。

方案二：通過匹配合適的增壓機出口燃料溫度，采用高溫過濾器，直接將燃料經(jīng)粗過濾、調(diào)壓、精過濾后，送至燃機入口。該方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單。但由于設(shè)計溫度較高，設(shè)備投資會有所增加。

經(jīng)論證比較，該工程最終采用方案二。

3 焦爐煤氣燃料系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)電廠焦爐煤氣燃料系統(tǒng)包括焦爐煤氣的增壓、粗過濾、調(diào)壓、加熱/補熱、精過濾、計量以及輔助系統(tǒng)。

3.1 增壓單元

焦爐煤氣增壓機有往復式、螺桿式或離心式，甚至是軸流式+離心式等多種形式。焦爐煤氣增壓機通常需滿足以下要求：具備寬廣的運行范圍，以適應燃機變工況的要求；由于焦爐煤氣熱值較低，能適應較大流量的要求；由于焦爐煤氣有毒而且易燃易爆，需具備安全可靠的密封；具有高壓比以滿足燃機的要求。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選并招標，決定采用往復式增壓機。2臺機組共設(shè)5臺50%容量的對稱平衡型往復式增壓機，4用1備。單臺增壓機的設(shè)計參數(shù)為：進口設(shè)計壓力4 kPa，設(shè)計溫度30℃；出口設(shè)計絕對壓力2.7 MPa，設(shè)計溫度150～155℃；設(shè)計流量為29 000 m3/h（標況下）。增壓機內(nèi)設(shè)置氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以滿足燃機快速起停以及升/降負荷的要求。

5臺增壓機室內(nèi)布置。從凈煤氣柜出口的焦爐煤氣經(jīng)入口隔斷閥供至增壓機房。考慮選取合適的管徑和坡度，以減少雜質(zhì)的堆積和堵塞。同時還需要定期清掃或吹掃管道以除去沉淀雜質(zhì)。增壓機入口設(shè)置80目過濾器，可以對進入增壓機內(nèi)的雜質(zhì)或顆粒（包括苯、萘和焦油）進行粗過濾以保護增壓機。增壓機出口的焦爐煤氣分別經(jīng)逆止閥和電動球閥匯總至焦爐煤氣母管，然后進入過濾分離單元。在母管上設(shè)置緊急關(guān)斷閥，用于發(fā)生火災時緊急切斷焦爐煤氣氣源。

3.2 粗過濾單元

增壓機出口設(shè)計溫度為150～155℃，此時，殘余雜質(zhì)均為液體或氣體。粗過濾單元采用2臺過濾分離器，1用1備，每個過濾分離橇塊的設(shè)計處理量為2臺機組的總流量。過濾分離器的設(shè)計溫度為160℃，采用2級處理，第1級采用可更換和清洗的過濾元件利用濾網(wǎng)過濾原理除去固體雜質(zhì)，能100%過濾3 μm以上的固體微粒；第2級利用葉片擋板除去焦爐煤氣中的液滴，能100%過濾10 μm以上的液滴。

經(jīng)過增壓機入口的過濾器和粗過濾單元后，凈煤氣中3 μm以上的固體微粒和10 μm以上的液滴已經(jīng)被全部除去。

3.3 調(diào)壓單元

經(jīng)過粗過濾的焦爐煤氣進入調(diào)壓單元，該單元設(shè)置3條調(diào)壓支路，2用1備，每條調(diào)壓支路的流量設(shè)計按1臺機組考慮。由于焦爐煤氣溫度較高，并且雜質(zhì)中可能存在的萘和焦油會堵塞自立式調(diào)壓器的指揮器[3]，因此，調(diào)壓支路采用調(diào)節(jié)閥進行壓力調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)范圍1%～100%，調(diào)壓精度≤±1%。調(diào)節(jié)閥之前設(shè)置安全切斷閥，可以實現(xiàn)緊急情況下的氣體截斷。調(diào)節(jié)閥之后設(shè)置檢修隔離球閥。

3.4 加熱/補熱單元

考慮到管路溫降以及焦爐煤氣經(jīng)調(diào)壓后溫度會小幅降低，為滿足燃氣輪機對進口燃料氣體溫度的嚴格要求，焦爐煤氣在調(diào)壓后設(shè)置加熱/補熱單元，采用1套電加熱裝置，滿足2臺機組設(shè)計流量下溫升5℃的要求。同時，加熱器設(shè)置旁路系統(tǒng)。

3.5 精過濾單元

焦爐煤氣經(jīng)粗過濾、調(diào)壓、加熱/補熱之后將進入燃氣輪機進行燃燒，為使燃氣輪機更經(jīng)濟安全的運行，在加熱單元之后設(shè)置精過濾單元，2用1備，采用旋風分離加濾芯分離的方式，過濾精度為5 μm。經(jīng)過濾器至燃機的管道和管件均采用不銹鋼材料。

3.6 計量單元

焦爐煤氣經(jīng)精過濾單元出口母管分別供至2臺燃機的燃氣模塊。在燃機燃氣模塊前設(shè)置計量單元，1臺機組1套，不設(shè)備用。采用孔板流量計對焦爐煤氣進行計量，同時配置流量計算、差壓、溫度補償?shù)仍O(shè)備?？装辶髁坑嫷木葹?%，性能試驗時需更換為0.5%精度的流量計。為便于檢修，流量計設(shè)旁路閥，流量計前后設(shè)手動隔離球閥。

3.7 輔助系統(tǒng)

焦爐煤氣燃料系統(tǒng)按壓力等級不同分別設(shè)置放散母管。各設(shè)備上均設(shè)有安全放散閥，以保證設(shè)備本身不超壓。設(shè)備上或連接的管路上還設(shè)有手動放散閥，用于停機檢修時將該設(shè)備或管道內(nèi)的存氣放空。安全放散閥和手動放散閥分別接入放散母管，所有放散母管引至放散塔內(nèi)集中放散，放散塔采用高空排放式。

燃機前設(shè)有泄壓放空管，接入放散母管。泄壓放空用于在電廠重大事故時，緊急關(guān)斷閥關(guān)閉后，盡快將管道內(nèi)的存氣放空。泄壓放空管路上設(shè)有電動隔離球閥、手動隔離球閥各1只，其中手動隔離球閥為全開閥。

焦爐煤氣燃料系統(tǒng)在設(shè)備通氣前或每次檢修后都要進行氮氣置換處理。置換通常利用各單元的隔斷閥門分段進行，先用氮氣將管道內(nèi)的空氣排空，在排氣口處連續(xù)檢測3次，間隔5 min，每次檢測出的氮氣體積百分比濃度大于98%，即置換合格，然后用天然氣將管道內(nèi)的氮氣排出，直到排氣口處檢測出有天然氣為止。

3.8 控制系統(tǒng)

焦爐煤氣燃料系統(tǒng)所有測量和控制設(shè)備及就地儀表和控制器，都配置遠傳到輔控網(wǎng)或DCS系統(tǒng)所需的通訊或硬接線接口信號，并做到就地無人值班。控制系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）對焦爐煤氣燃料系統(tǒng)進行控制。焦爐煤氣燃料系統(tǒng)通過通信接口與電廠輔控網(wǎng)絡(luò)通訊連接，運行人員通過設(shè)在集中控制室的輔控網(wǎng)絡(luò)操作員站對焦爐煤氣燃料系統(tǒng)進行集中監(jiān)視和控制及運行管理。

由于焦爐煤氣是無色有臭味的有毒氣體，在常溫常壓下比空氣輕。為保證安全，在焦爐煤氣燃料系統(tǒng)各模塊最有可能發(fā)生泄漏的區(qū)域設(shè)置可燃氣體濃度探測器，可以連續(xù)檢測環(huán)境空氣中存在的微量可燃性氣體，當環(huán)境空氣中可燃性氣體的含量達到警戒值時，即能發(fā)出報警信號。

4 結(jié)語

焦爐煤氣燃機電廠燃料系統(tǒng)將焦爐煤氣作為燃料輸入燃機進行循環(huán)發(fā)電甚至供熱。在系統(tǒng)設(shè)計過程中考慮設(shè)置增壓、高溫過濾單元以滿足燃機入口壓力、溫度的要求，并在系統(tǒng)流程各單元中充分考慮燃氣中雜質(zhì)的特性，采取各種必要的措施和工藝消除雜質(zhì)對燃氣輪機的影響。目前，該工程還處于建設(shè)階段。燃料系統(tǒng)的設(shè)計還需要在調(diào)試、試運行過程中予以檢驗、完善。

[1]魏惠芳.在山西興建燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠的必要性和可行性探討[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2007，17（11）∶140-142.

[2]陳福元，張小軍.淺析焦爐煤氣雜質(zhì)對輸配系統(tǒng)的危害及其對策[J].煉焦與制氣，1995，4∶28-34.

[3]吳濤，劉志東.焦爐煤氣調(diào)壓器常見故障及解決辦法[J].煤氣與熱力，2007，9（9）∶54-55.