油頁巖低溫干餾剩余瓦斯氣綜合利用

摘要：文章針對撫順礦業集團頁巖煉油廠油頁巖干餾剩余瓦斯氣發電進行了研究，實現瓦斯氣能源發電利用，發電后排放的尾氣中含有大量的熱量，通過換熱器進行熱交換，產生飽和蒸汽，從而實現二次利用。這種綜合利用有效地節約了能源，保護了環境，實現了能源的循環利用。

關鍵詞：剩余瓦斯氣；燃氣內燃發電機；換熱器；油頁巖；能源循環利用

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

一、概述

撫順礦業集團公司頁巖煉油廠是我國目前唯一的油頁巖綜合利用企業，主要是利用撫順油頁巖干餾生產頁巖油，現年生產能力超過16萬噸。在低溫干餾生產頁巖油過程中，產生的干餾瓦斯經產品回收系統收集頁巖油后，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，而且對環境也造成不良影響。

如能采用燃氣內燃發電機發電，既解決了排放剩余瓦斯對空氣的污染，又可節約電力資源，從而達到社會效益與經濟效益雙贏利的局面。

燃氣機產品是國家產業政策倡導的節能環保產品，已在油氣田、焦化廠、煤礦、煉油廠等市場領域得到廣泛應用。燃氣發電項目在天然氣、煤層氣、焦爐尾氣等方面均得到了較好的應用，為各方帶來了較好的經濟效益。

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，這種低熱值的氣體發電在國內還沒有先例。

二、油母頁巖低溫干餾產生剩余瓦斯發電的研究

（一）頁巖干餾剩余瓦斯對燃氣機適用性的分析

1．頁巖干餾剩余瓦斯氣的特點。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：

該種氣體的特點是熱值低，含水量大，不同于天然氣、煤層氣、焦爐尾氣，它們的氣體熱值都在3000kcal/m3以上。燃氣發電機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，但機組的創新技術可以保證低熱值瓦斯的正常燃燒發電。

燃氣機對燃氣的要求是：在使用前應先經過適當的過濾、氣液分離、穩壓，若溫度過高還經過冷卻器，并保證燃氣中無液態成分。燃氣處理后H2S≤20～50mg/m3,焦油≤20mg/m3,NH3≤20mg/m3,雜質粒度應小于5μm，含量≤30mg/m3。

2．燃氣機技術的特點。國內領先的稀燃技術、電子點火技術、燃氣機增壓中冷技術及先進的配置。稀燃技術是采用內置式預燃室，增大點火能量，提高了燃燒速度，實現了稀薄燃燒，提高了熱效率，同時降低了發動機的熱負荷，從而延長了整機的使用壽命。

數字電子點火技術是由電控單元根據不同類型的燃氣機，或燃氣機不同的工況，從軟件上調整點火能量和點火時間。此點火系統尤其適合多缸機型，可分別調整每個缸的點火能量和點火時間，使每個缸都能在最佳狀態工作，發揮機器的最佳性能。

改風冷燃氣機為水冷燃氣機相比技術，燃氣機增壓中冷技術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，經中冷器冷卻后，再通過混合器將燃氣與空氣混合進入氣缸內。此種機型對燃氣有一定壓力（壓力大于0.1MPa）。（2）混合后增壓是采用電控混合器，空氣與燃氣在增壓前混合，然后經過增壓器增壓，再經中冷器冷卻后進入氣缸。此種機型對燃氣壓力要求不高，只要氣壓在100mm水柱以上即可使用。該技術與燃氣多點噴射技術的有效結合，提高燃氣機的性能價值比，增壓燃氣機成本較非增壓機高10％，功率卻可提高30％左右。根據頁巖瓦斯的品質，采用雙增壓器結構，進行中冷匹配，成功地將燃氣機的應用范圍擴展到低熱值氣體。

燃氣機電控技術是采用微電子控制技術，通過閉環自動調節混合器空燃比，顯著提高對燃氣濃度變化的適應能力，燃氣可燃成份濃度在30%以上頻繁變動，或熱值很低時，都能被有效利用。

燃氣機的配置具有高可靠性，發電機組燃氣控制部分美國、德國技術并融合專利技術的新型電控混合器，調速系統采用美國woodward電子調速器，發電機采用西門子發電機。

（二）現場試驗情況

根據燃氣機的特點及頁巖瓦斯氣的特性，認為此種氣體作為發動機燃料進行發電是完全可行的。應用40GFPT/I型燃氣發電機組現場進行了試驗，結果證明，頁巖瓦斯氣體用于試驗機進行試驗時，機組起動迅速，運轉穩定，功率達到預期目標，可達64％，并且氣體中氫氣含量介于6％～10％之間，即有利于點火又不易引起回火，是一種良好的可燃氣體，可作為燃氣機組燃料進行發電。

（三）生產中發現的問題

由于頁巖干餾瓦斯氣發電在國內還沒有先例，在試運階段發現以下問題；

機組的局部應進行改造；

頁巖瓦斯氣屬于水蒸氣飽和氣體，其中含水霧和油霧，影響發電效果，應該進行氣液分離處理；

瓦斯氣中硫化氫含量偏大，應進行適當的處理；

夏季瓦斯氣溫度過高影響機組的發電效率。

（四）剩余瓦斯氣及機組技術改造

為了使油母頁巖干餾剩余瓦斯氣能夠適應機組的發電需要我們主要進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；

旋風除塵脫水的研究；

瓦斯冷卻方式采用間接水冷的研究；

燃氣發電機組中冷器的改造；

燃氣發電機組進氣方式的改造；

燃氣發電機組控制方式的改造。

在生產過程中對瓦斯氣的硫化氫含量進行測定，結果發現硫化氫的含量超標，達1500mg/m3。必須對該氣體進行脫硫處理。

為了保證機組對燃氣的要求，必須對氣體進行適當的處理。經過不斷的研究討論，決定對瓦斯氣進行脫硫、脫水、冷卻處理。考慮到該剩余瓦斯氣的特殊性并進行了市場調查分析，該廠決定采用干式脫硫方法進行脫硫。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，嚴重的影響了機組的發電效率，所以為了保證電站的正常運轉，必須對瓦斯氣進行冷卻處理，該廠采取循環間接水冷的方式對氣體進行冷卻處理。

經過上述處理的瓦斯氣基本上滿足了機組的發電要求。

（五）剩余瓦斯發電熱電及發電量的計算

油頁巖干餾剩余瓦斯氣的熱值按3.3MJ/m3（800大卡/m3）計算，燃氣發電機組熱效率為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發電機組。選用機組型號為500GF-RW，單臺機組長期連續運轉功率為320kW。機組數量為12臺，按年運行8000小時計算，總發電量為3072萬度。

經過處理的瓦斯氣用于發電將電站機組運行更加平穩，發電效率上升，年發電量大幅度上升，并且降低維修成本，由此宣布剩余瓦斯發電在國內首次獲得成功。剩余瓦斯發電的成功實現了“廢物利用、就地發電、就地使用”的模式，既減少了瓦斯氣對環境的污染和資源的浪費，又有效的解決了生產中的安全隱患問題，并為該廠創造了可觀的經濟效益。

三、剩余瓦斯氣發電后高溫尾氣的合理利用

（一）針形管換熱器應用

剩余瓦斯氣發電后的尾氣，出口排放溫度高達380℃～420℃，排放無疑是一種能源浪費，因此，我們利用針形換熱器對發電機組的尾氣進行回收利用，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行高效換熱，高溫水再經過汽水分離器進行汽水分離，來達到尾氣余熱回收，實現能源二次利用的目的。

（二）發電機組尾氣余熱測試

對一臺500GF-1RJ發電機組余熱回收裝置測試，針形管換熱器內的水被發電后的尾氣加熱，加熱后水進入汽水分離裝置，分離后的汽通過蒸汽流量計進入分汽缸，分離后的水繼續循環加熱，進行汽水分離。

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

剩余瓦斯氣發電及發電后尾氣的合理利用示意圖：

四、結論

對于具有剩余燃氣資源的企業而言，采用氣體發電，將這些氣體綜合利用，同時進一步考慮利用機組尾氣余熱帶動蒸汽鍋爐，每臺500kW機組產生的煙氣余熱為6.53×102MJ/H。本項目是符合當前國家環保和能源發展的方針政策的，因此選擇油母頁巖干餾剩余瓦斯發電項目是合理的，不僅增加了頁巖油廠的經濟效益，而且有利于改善廢氣污染狀況，社會效益將更為顯著，并且開創了國內油母頁巖低溫干餾剩余瓦斯氣發電的先例。

參考文獻

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

（責任編輯：葉小堅）