摘要：文章針對撫順礦業(yè)集團(tuán)頁巖煉油廠油頁巖干餾剩余瓦斯氣發(fā)電進(jìn)行了研究，實現(xiàn)瓦斯氣能源發(fā)電利用，發(fā)電后排放的尾氣中含有大量的熱量，通過換熱器進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生飽和蒸汽，從而實現(xiàn)二次利用。這種綜合利用有效地節(jié)約了能源，保護(hù)了環(huán)境，實現(xiàn)了能源的循環(huán)利用。

關(guān)鍵詞：剩余瓦斯氣；燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)；換熱器；油頁巖；能源循環(huán)利用

中圖分類號：TE662 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）01-0151-03

一、概述

撫順礦業(yè)集團(tuán)公司頁巖煉油廠是我國目前唯一的油頁巖綜合利用企業(yè)，主要是利用撫順油頁巖干餾生產(chǎn)頁巖油，現(xiàn)年生產(chǎn)能力超過16萬噸。在低溫干餾生產(chǎn)頁巖油過程中，產(chǎn)生的干餾瓦斯經(jīng)產(chǎn)品回收系統(tǒng)收集頁巖油后，剩余的瓦斯尾氣我們稱之為油母頁巖干餾剩余瓦斯氣。剩余瓦斯量約為150～200Nm3/T油頁巖左右，一部分送往廠中央鍋爐作燃料，供全廠生產(chǎn)及生活用汽；其余還有大約12500～20000m3/h剩余瓦斯氣體，這部分氣體只能隨涼水塔放空，未能得到有效利用，不僅造成資源的極大浪費(fèi)，而且對環(huán)境也造成不良影響。

如能采用燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)發(fā)電，既解決了排放剩余瓦斯對空氣的污染，又可節(jié)約電力資源，從而達(dá)到社會效益與經(jīng)濟(jì)效益雙贏利的局面。

燃?xì)鈾C(jī)產(chǎn)品是國家產(chǎn)業(yè)政策倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，已在油氣田、焦化廠、煤礦、煉油廠等市場領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。燃?xì)獍l(fā)電項目在天然氣、煤層氣、焦?fàn)t尾氣等方面均得到了較好的應(yīng)用，為各方帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

但油頁巖剩余瓦斯氣的熱值較低，一般在800kcal/m3左右，并且氣體中含有一定的雜質(zhì)，這種低熱值的氣體發(fā)電在國內(nèi)還沒有先例。

二、油母頁巖低溫干餾產(chǎn)生剩余瓦斯發(fā)電的研究

（一）頁巖干餾剩余瓦斯對燃?xì)鈾C(jī)適用性的分析

1．頁巖干餾剩余瓦斯氣的特點(diǎn)。油頁巖干餾剩余瓦斯氣的熱值較低，一般在800kcal/m3左右，溫度在50℃～60℃左右，冬季可降至12℃左右，氣體壓力大于3000Pa。

氣體主要成分如下：

該種氣體的特點(diǎn)是熱值低，含水量大，不同于天然氣、煤層氣、焦?fàn)t尾氣，它們的氣體熱值都在3000kcal/m3以上。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)比較適用于高熱值的氣體，對低熱值瓦斯的使用還沒有先例，但機(jī)組的創(chuàng)新技術(shù)可以保證低熱值瓦斯的正常燃燒發(fā)電。

燃?xì)鈾C(jī)對燃?xì)獾囊笫牵涸谑褂们皯?yīng)先經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪^濾、氣液分離、穩(wěn)壓，若溫度過高還經(jīng)過冷卻器，并保證燃?xì)庵袩o液態(tài)成分。燃?xì)馓幚砗驢2S≤20～50mg/m3,焦油≤20mg/m3,NH3≤20mg/m3,雜質(zhì)粒度應(yīng)小于5μm，含量≤30mg/m3。

2．燃?xì)鈾C(jī)技術(shù)的特點(diǎn)。國內(nèi)領(lǐng)先的稀燃技術(shù)、電子點(diǎn)火技術(shù)、燃?xì)鈾C(jī)增壓中冷技術(shù)及先進(jìn)的配置。稀燃技術(shù)是采用內(nèi)置式預(yù)燃室，增大點(diǎn)火能量，提高了燃燒速度，實現(xiàn)了稀薄燃燒，提高了熱效率，同時降低了發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷，從而延長了整機(jī)的使用壽命。

數(shù)字電子點(diǎn)火技術(shù)是由電控單元根據(jù)不同類型的燃?xì)鈾C(jī)，或燃?xì)鈾C(jī)不同的工況，從軟件上調(diào)整點(diǎn)火能量和點(diǎn)火時間。此點(diǎn)火系統(tǒng)尤其適合多缸機(jī)型，可分別調(diào)整每個缸的點(diǎn)火能量和點(diǎn)火時間，使每個缸都能在最佳狀態(tài)工作，發(fā)揮機(jī)器的最佳性能。

改風(fēng)冷燃?xì)鈾C(jī)為水冷燃?xì)鈾C(jī)相比技術(shù)，燃?xì)鈾C(jī)增壓中冷技術(shù)分為混合前增壓和混合后增壓兩種。（1）混合前增壓是增壓器將空氣增壓，經(jīng)中冷器冷卻后，再通過混合器將燃?xì)馀c空氣混合進(jìn)入氣缸內(nèi)。此種機(jī)型對燃?xì)庥幸欢▔毫Γ▔毫Υ笥?.1MPa）。（2）混合后增壓是采用電控混合器，空氣與燃?xì)庠谠鰤呵盎旌希缓蠼?jīng)過增壓器增壓，再經(jīng)中冷器冷卻后進(jìn)入氣缸。此種機(jī)型對燃?xì)鈮毫σ蟛桓?，只要?dú)鈮涸?00mm水柱以上即可使用。該技術(shù)與燃?xì)舛帱c(diǎn)噴射技術(shù)的有效結(jié)合，提高燃?xì)鈾C(jī)的性能價值比，增壓燃?xì)鈾C(jī)成本較非增壓機(jī)高10％，功率卻可提高30％左右。根據(jù)頁巖瓦斯的品質(zhì)，采用雙增壓器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行中冷匹配，成功地將燃?xì)鈾C(jī)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到低熱值氣體。

燃?xì)鈾C(jī)電控技術(shù)是采用微電子控制技術(shù)，通過閉環(huán)自動調(diào)節(jié)混合器空燃比，顯著提高對燃?xì)鉂舛茸兓倪m應(yīng)能力，燃?xì)饪扇汲煞轁舛仍?0%以上頻繁變動，或熱值很低時，都能被有效利用。

燃?xì)鈾C(jī)的配置具有高可靠性，發(fā)電機(jī)組燃?xì)饪刂撇糠置绹⒌聡夹g(shù)并融合專利技術(shù)的新型電控混合器，調(diào)速系統(tǒng)采用美國woodward電子調(diào)速器，發(fā)電機(jī)采用西門子發(fā)電機(jī)。

（二）現(xiàn)場試驗情況

根據(jù)燃?xì)鈾C(jī)的特點(diǎn)及頁巖瓦斯氣的特性，認(rèn)為此種氣體作為發(fā)動機(jī)燃料進(jìn)行發(fā)電是完全可行的。應(yīng)用40GFPT/I型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組現(xiàn)場進(jìn)行了試驗，結(jié)果證明，頁巖瓦斯氣體用于試驗機(jī)進(jìn)行試驗時，機(jī)組起動迅速，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，功率達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可達(dá)64％，并且氣體中氫氣含量介于6％～10％之間，即有利于點(diǎn)火又不易引起回火，是一種良好的可燃?xì)怏w，可作為燃?xì)鈾C(jī)組燃料進(jìn)行發(fā)電。

（三）生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的問題

由于頁巖干餾瓦斯氣發(fā)電在國內(nèi)還沒有先例，在試運(yùn)階段發(fā)現(xiàn)以下問題；

機(jī)組的局部應(yīng)進(jìn)行改造；

頁巖瓦斯氣屬于水蒸氣飽和氣體，其中含水霧和油霧，影響發(fā)電效果，應(yīng)該進(jìn)行氣液分離處理；

瓦斯氣中硫化氫含量偏大，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚?/p>

夏季瓦斯氣溫度過高影響機(jī)組的發(fā)電效率。

（四）剩余瓦斯氣及機(jī)組技術(shù)改造

為了使油母頁巖干餾剩余瓦斯氣能夠適應(yīng)機(jī)組的發(fā)電需要我們主要進(jìn)行了以下研究和改造：

捕霧器和氣液分離篩脫水的研究；

干式脫硫的研究；

旋風(fēng)除塵脫水的研究；

瓦斯冷卻方式采用間接水冷的研究；

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組中冷器的改造；

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組進(jìn)氣方式的改造；

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組控制方式的改造。

在生產(chǎn)過程中對瓦斯氣的硫化氫含量進(jìn)行測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)硫化氫的含量超標(biāo)，達(dá)1500mg/m3。必須對該氣體進(jìn)行脫硫處理。

為了保證機(jī)組對燃?xì)獾囊?，必須對氣體進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。?jīng)過不斷的研究討論，決定對瓦斯氣進(jìn)行脫硫、脫水、冷卻處理。考慮到該剩余瓦斯氣的特殊性并進(jìn)行了市場調(diào)查分析，該廠決定采用干式脫硫方法進(jìn)行脫硫。并同時建脫水脫油器和冷卻罐，用以除去瓦斯氣中的水霧和油霧為氣體降溫。

由于該廠瓦斯氣在夏季溫度過高，嚴(yán)重的影響了機(jī)組的發(fā)電效率，所以為了保證電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須對瓦斯氣進(jìn)行冷卻處理，該廠采取循環(huán)間接水冷的方式對氣體進(jìn)行冷卻處理。

經(jīng)過上述處理的瓦斯氣基本上滿足了機(jī)組的發(fā)電要求。

（五）剩余瓦斯發(fā)電熱電及發(fā)電量的計算

油頁巖干餾剩余瓦斯氣的熱值按3.3MJ/m3（800大卡/m3）計算，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組熱效率為11MJ/kW.h,11000kJ÷(800kcal/m3×4.18)=3.3m3,考慮到利用率，約3.5～4m3瓦斯氣可發(fā)一度電，而且不需要添加任何輔助燃料。

剩余瓦斯排放量按12500萬m3/h考慮，利用這些氣體，可建成12臺500kW發(fā)電機(jī)組。選用機(jī)組型號為500GF-RW，單臺機(jī)組長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率為320kW。機(jī)組數(shù)量為12臺，按年運(yùn)行8000小時計算，總發(fā)電量為3072萬度。

經(jīng)過處理的瓦斯氣用于發(fā)電將電站機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)，發(fā)電效率上升，年發(fā)電量大幅度上升，并且降低維修成本，由此宣布剩余瓦斯發(fā)電在國內(nèi)首次獲得成功。剩余瓦斯發(fā)電的成功實現(xiàn)了“廢物利用、就地發(fā)電、就地使用”的模式，既減少了瓦斯氣對環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)，又有效的解決了生產(chǎn)中的安全隱患問題，并為該廠創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

三、剩余瓦斯氣發(fā)電后高溫尾氣的合理利用

（一）針形管換熱器應(yīng)用

剩余瓦斯氣發(fā)電后的尾氣，出口排放溫度高達(dá)380℃～420℃，排放無疑是一種能源浪費(fèi)，因此，我們利用針形換熱器對發(fā)電機(jī)組的尾氣進(jìn)行回收利用，它的工作原理是通過余熱回收裝置的煙道箱與通過回收裝置中針形管組的水進(jìn)行高效換熱，高溫水再經(jīng)過汽水分離器進(jìn)行汽水分離，來達(dá)到尾氣余熱回收，實現(xiàn)能源二次利用的目的。

（二）發(fā)電機(jī)組尾氣余熱測試

對一臺500GF-1RJ發(fā)電機(jī)組余熱回收裝置測試，針形管換熱器內(nèi)的水被發(fā)電后的尾氣加熱，加熱后水進(jìn)入汽水分離裝置，分離后的汽通過蒸汽流量計進(jìn)入分汽缸，分離后的水繼續(xù)循環(huán)加熱，進(jìn)行汽水分離。

實驗表明：1臺針形管換熱器每小時可產(chǎn)生0.35噸的飽和蒸汽，可用于工廠生產(chǎn)及生活的需要。

剩余瓦斯氣發(fā)電及發(fā)電后尾氣的合理利用示意圖：

四、結(jié)論

對于具有剩余燃?xì)赓Y源的企業(yè)而言，采用氣體發(fā)電，將這些氣體綜合利用，同時進(jìn)一步考慮利用機(jī)組尾氣余熱帶動蒸汽鍋爐，每臺500kW機(jī)組產(chǎn)生的煙氣余熱為6.53×102MJ/H。本項目是符合當(dāng)前國家環(huán)保和能源發(fā)展的方針政策的，因此選擇油母頁巖干餾剩余瓦斯發(fā)電項目是合理的，不僅增加了頁巖油廠的經(jīng)濟(jì)效益，而且有利于改善廢氣污染狀況，社會效益將更為顯著，并且開創(chuàng)了國內(nèi)油母頁巖低溫干餾剩余瓦斯氣發(fā)電的先例。

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作者簡介：肇永輝（1966-），男（滿族），遼寧撫順人，撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司機(jī)電處高級工程師，研究方向：油頁巖。

（責(zé)任編輯：葉小堅）