潛紀(jì)儒，李碩平，許 平，羅 輦

（浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012）

焦?fàn)t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?fàn)t煤氣（按焦炭級(jí)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(jì)焦炭產(chǎn)量約3.35億t，粗略估計(jì)，可回收的能量相當(dāng)于2個(gè)西氣東輸工程設(shè)計(jì)年供氣量?？梢?，每年產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣非常驚人，如果不采取有效的措施進(jìn)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(huì)嚴(yán)重污染空氣，增加溫室效應(yīng)氣體的排放。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是焦?fàn)t煤氣最經(jīng)濟(jì)有效的利用方式。將焦?fàn)t煤氣提煉、凈化，作為燃料輸入燃機(jī)進(jìn)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?fàn)t煤氣的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠，介紹燃機(jī)電廠焦?fàn)t煤氣燃料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 焦?fàn)t煤氣燃料發(fā)電項(xiàng)目簡介

某燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠為焦?fàn)t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?fàn)t自用，剩余的凈煤氣再送至電廠燃?xì)廨啓C(jī)燃燒做功發(fā)電。燃機(jī)的排氣進(jìn)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(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功發(fā)電，同時(shí)還可以在蒸汽輪機(jī)中間抽取部分蒸汽供熱。該工程燃?xì)廨啓C(jī)采用美國GE公司生產(chǎn)的PG6561B機(jī)組，經(jīng)改造可燃用低熱值焦?fàn)t煤氣，啟動(dòng)燃料為0號(hào)輕柴油，機(jī)組裝機(jī)形式為2套106B機(jī)組。

由于焦?fàn)t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(yīng)管路內(nèi)結(jié)垢，造成管路堵塞；H2S和水分子化合成為強(qiáng)腐蝕性的硫酸會(huì)腐蝕管道及設(shè)備；而重?zé)N會(huì)造成燃燒不穩(wěn)定，積炭堵塞噴嘴[2]。雖然在進(jìn)入發(fā)電系統(tǒng)之前會(huì)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?fàn)t煤氣中的雜質(zhì)。因此，燃用焦?fàn)t煤氣聯(lián)合循環(huán)電廠的燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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?xì)廨啓C(jī)的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 凈煤氣中的雜質(zhì)

該工程凈化后的焦?fàn)t煤氣儲(chǔ)存在氣柜中，凈煤氣干式氣柜壓力為8 kPa，設(shè)計(jì)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(jī)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(rèn)凈煤氣成分滿足要求，但要求進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的焦?fàn)t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(jī)入口壓力、溫度的要求以及除去焦?fàn)t煤氣中的雜質(zhì)，是工程燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2.2 焦?fàn)t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(diǎn)5.5℃，沸點(diǎn)80.1℃；萘是無色片狀晶體，熔點(diǎn)80℃，沸點(diǎn)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(biāo)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(jìn)入燃機(jī)前的焦?fàn)t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?fàn)t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(jī)入口壓力要求，需要設(shè)置增壓單元。增壓后焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)可以考慮2個(gè)方案。

方案一：由于增壓機(jī)出口焦?fàn)t煤氣的溫度較高，而常規(guī)的過濾分離器設(shè)計(jì)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(jī)所需溫度。該方案的缺點(diǎn)是先降溫后升溫造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)系統(tǒng)較為復(fù)雜。

方案二：通過匹配合適的增壓機(jī)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(jī)入口。該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單。但由于設(shè)計(jì)溫度較高，設(shè)備投資會(huì)有所增加。

經(jīng)論證比較，該工程最終采用方案二。

3 焦?fàn)t煤氣燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)電廠焦?fàn)t煤氣燃料系統(tǒng)包括焦?fàn)t煤氣的增壓、粗過濾、調(diào)壓、加熱/補(bǔ)熱、精過濾、計(jì)量以及輔助系統(tǒng)。

3.1 增壓單元

焦?fàn)t煤氣增壓機(jī)有往復(fù)式、螺桿式或離心式，甚至是軸流式+離心式等多種形式。焦?fàn)t煤氣增壓機(jī)通常需滿足以下要求：具備寬廣的運(yùn)行范圍，以適應(yīng)燃機(jī)變工況的要求；由于焦?fàn)t煤氣熱值較低，能適應(yīng)較大流量的要求；由于焦?fàn)t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(jī)的要求。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選并招標(biāo)，決定采用往復(fù)式增壓機(jī)。2臺(tái)機(jī)組共設(shè)5臺(tái)50%容量的對稱平衡型往復(fù)式增壓機(jī)，4用1備。單臺(tái)增壓機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：進(jìn)口設(shè)計(jì)壓力4 kPa，設(shè)計(jì)溫度30℃；出口設(shè)計(jì)絕對壓力2.7 MPa，設(shè)計(jì)溫度150～155℃；設(shè)計(jì)流量為29 000 m3/h（標(biāo)況下）。增壓機(jī)內(nèi)設(shè)置氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以滿足燃機(jī)快速起停以及升/降負(fù)荷的要求。

5臺(tái)增壓機(jī)室內(nèi)布置。從凈煤氣柜出口的焦?fàn)t煤氣經(jīng)入口隔斷閥供至增壓機(jī)房?？紤]選取合適的管徑和坡度，以減少雜質(zhì)的堆積和堵塞。同時(shí)還需要定期清掃或吹掃管道以除去沉淀雜質(zhì)。增壓機(jī)入口設(shè)置80目過濾器，可以對進(jìn)入增壓機(jī)內(nèi)的雜質(zhì)或顆粒（包括苯、萘和焦油）進(jìn)行粗過濾以保護(hù)增壓機(jī)。增壓機(jī)出口的焦?fàn)t煤氣分別經(jīng)逆止閥和電動(dòng)球閥匯總至焦?fàn)t煤氣母管，然后進(jìn)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(zāi)時(shí)緊急切斷焦?fàn)t煤氣氣源。

3.2 粗過濾單元

增壓機(jī)出口設(shè)計(jì)溫度為150～155℃，此時(shí)，殘余雜質(zhì)均為液體或氣體。粗過濾單元采用2臺(tái)過濾分離器，1用1備，每個(gè)過濾分離橇塊的設(shè)計(jì)處理量為2臺(tái)機(jī)組的總流量。過濾分離器的設(shè)計(jì)溫度為160℃，采用2級(jí)處理，第1級(jí)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(jí)利用葉片擋板除去焦?fàn)t煤氣中的液滴，能100%過濾10 μm以上的液滴。

經(jīng)過增壓機(jī)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?fàn)t煤氣進(jìn)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(jì)按1臺(tái)機(jī)組考慮。由于焦?fàn)t煤氣溫度較高，并且雜質(zhì)中可能存在的萘和焦油會(huì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)緊急情況下的氣體截?cái)唷Ｕ{(diào)節(jié)閥之后設(shè)置檢修隔離球閥。

3.4 加熱/補(bǔ)熱單元

考慮到管路溫降以及焦?fàn)t煤氣經(jīng)調(diào)壓后溫度會(huì)小幅降低，為滿足燃?xì)廨啓C(jī)對進(jìn)口燃料氣體溫度的嚴(yán)格要求，焦?fàn)t煤氣在調(diào)壓后設(shè)置加熱/補(bǔ)熱單元，采用1套電加熱裝置，滿足2臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)流量下溫升5℃的要求。同時(shí)，加熱器設(shè)置旁路系統(tǒng)。

3.5 精過濾單元

焦?fàn)t煤氣經(jīng)粗過濾、調(diào)壓、加熱/補(bǔ)熱之后將進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行燃燒，為使燃?xì)廨啓C(jī)更經(jīng)濟(jì)安全的運(yùn)行，在加熱單元之后設(shè)置精過濾單元，2用1備，采用旋風(fēng)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(jī)的管道和管件均采用不銹鋼材料。

3.6 計(jì)量單元

焦?fàn)t煤氣經(jīng)精過濾單元出口母管分別供至2臺(tái)燃機(jī)的燃?xì)饽K。在燃機(jī)燃?xì)饽K前設(shè)置計(jì)量單元，1臺(tái)機(jī)組1套，不設(shè)備用。采用孔板流量計(jì)對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行計(jì)量，同時(shí)配置流量計(jì)算、差壓、溫度補(bǔ)償?shù)仍O(shè)備。孔板流量計(jì)的精度為1%，性能試驗(yàn)時(shí)需更換為0.5%精度的流量計(jì)。為便于檢修，流量計(jì)設(shè)旁路閥，流量計(jì)前后設(shè)手動(dòng)隔離球閥。

3.7 輔助系統(tǒng)

焦?fàn)t煤氣燃料系統(tǒng)按壓力等級(jí)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(dòng)放散閥，用于停機(jī)檢修時(shí)將該設(shè)備或管道內(nèi)的存氣放空。安全放散閥和手動(dòng)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(jī)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(shí)，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(dòng)隔離球閥、手動(dòng)隔離球閥各1只，其中手動(dòng)隔離球閥為全開閥。

焦?fàn)t煤氣燃料系統(tǒng)在設(shè)備通氣前或每次檢修后都要進(jìn)行氮?dú)庵脫Q處理。置換通常利用各單元的隔斷閥門分段進(jìn)行，先用氮?dú)鈱⒐艿纼?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?dú)怏w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?dú)馀懦?，直到排氣口處檢測出有天然氣為止。

3.8 控制系統(tǒng)

焦?fàn)t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(yuǎn)傳到輔控網(wǎng)或DCS系統(tǒng)所需的通訊或硬接線接口信號(hào)，并做到就地?zé)o人值班。控制系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）對焦?fàn)t煤氣燃料系統(tǒng)進(jìn)行控制。焦?fàn)t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(yùn)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?fàn)t煤氣燃料系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視和控制及運(yùn)行管理。

由于焦?fàn)t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?fàn)t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?xì)怏w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(dāng)環(huán)境空氣中可燃性氣體的含量達(dá)到警戒值時(shí)，即能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 結(jié)語

焦?fàn)t煤氣燃機(jī)電廠燃料系統(tǒng)將焦?fàn)t煤氣作為燃料輸入燃機(jī)進(jìn)行循環(huán)發(fā)電甚至供熱。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中考慮設(shè)置增壓、高溫過濾單元以滿足燃機(jī)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?xì)庵须s質(zhì)的特性，采取各種必要的措施和工藝消除雜質(zhì)對燃?xì)廨啓C(jī)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(jì)還需要在調(diào)試、試運(yùn)行過程中予以檢驗(yàn)、完善。

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