蘭炭尾氣經濟高效發電技術方案分析

呂仕才，張 彪，朱 勇，劉 洋，張智康

（湖北省工業建筑集團安裝工程有限公司，湖北 武漢 430056）

在當前國家循環經濟、資源利用、生態環境保護的發展理念下，蘭炭尾氣資源化利用勢在必行，這樣不僅能有效提高煤炭資源的綜合利用效率，還能夠提升相應企業自身的經濟效益。本文以陜西省神木市某蘭炭生產公司尾氣發電節能利用改造項目為例，綜合對比分析了高溫超高壓蒸汽輪機發電、燃氣-蒸汽聯合循環發電的優劣，一方面指導現有項目的改造，另一方面為本行業類似項目提供參考。

1 項目概述

本項目位于陜西省神木市，該蘭炭生產公司年產量60 萬噸蘭炭，尾氣排放量為4.8 萬m3/h，尾氣主要成分如表1 所示，其低位熱值為8915kJ/m3。未經凈化的蘭炭尾氣溫度50～65℃，壓力為1～10kPa。

2 發電工藝系統

2.1 高溫超高壓鍋爐發電

該方案的基本流程為經凈化增壓的蘭炭尾氣送入燃氣鍋爐燃燒產生蒸汽，推動蒸汽輪機發電，燃燒的煙氣經凈化后排放。在鋼廠煤氣余熱利用改造中，主蒸汽參數從早期的中溫中壓逐步發展到高溫高壓，近年來高溫超高壓參數的小型鍋爐已大規模推廣應用，其技術十分成熟[1]。

表1 某蘭炭公司尾氣主要成分

本文高溫超高壓鍋爐發電方案中，鍋爐額定過熱蒸汽量為180t/h，過熱器出口壓力為13.7MPa，過熱蒸汽溫度為540℃，給水溫度248℃，汽輪機選用一次中間再熱高溫超高壓凝汽式，再熱蒸汽流量136t/h,再熱蒸汽壓力2.15MPa，額定轉速3000r/min，熱耗8545kJ/(kW·h)。

2.2 燃氣-蒸汽聯合循環發電

燃氣-蒸汽聯合循環發電在鋼鐵高爐煤氣余熱利用較廣[2]。相比于高爐煤氣（熱值小于4000kJ/m3），蘭炭尾氣熱值較高，有利于燃氣的著火和燃燒。燃氣-蒸汽聯合循環發電具有污染物排放低、發電效率高、運行靈活、節約用水的優點，但對燃氣品質要求較為苛刻。

根據燃氣輪機的運行要求，本方案對蘭炭尾氣的凈化工藝。這里一級電捕焦、熱管間接冷卻器、二級電捕焦方法，初步脫焦油后的尾氣經加壓輸送后送往濕法生化脫硫裝置進行脫硫凈化。經脫硫凈化，尾氣中的無機硫含量降到1～5mg/m3，有機硫脫除率30%～50%，粉塵、氨、有害物質（汞、磷化氫等）也同時被脫除。脫硫后的尾氣通過脫水塔對其含有的液態水進行物理脫除，脫水率90%左右。而后將尾氣送入精過濾塔，吸附殘余的粉塵、焦油、硫化物。精過濾工藝由兩級組成，第一級吸附劑采用高強度焦炭，第二級吸附劑采用煤質活性炭。精過濾的尾氣經加壓機加壓，并冷凍脫水后再通過煤氣加壓機增至所需壓力后即可送入燃氣輪機發電。該凈化工藝每天可回收焦油113.5t，熟硫磺0.606t。

燃氣-蒸汽聯合循環發電機組的系統構成參考文獻[1]，這里煤氣加壓機也包含在該系統中。本文選用國產化水平較高的三菱日立公司H25 型燃氣輪機，排煙溫度564℃，空氣耗量約292000m3/h，排煙量約為330000m3/h。余熱鍋爐主蒸汽參數為5.82MPa，502℃，單壓循環，非再熱。燃氣輪機要求燃氣的壓力要達到2.3MPa，而蘭炭尾氣的熱值較低，體積流量較大，煤氣壓縮機的耗電量達到8MW，盡管燃機透平可輸出38.4MW 的電能，但若考慮煤氣加壓的耗能，燃機輸出功率僅為30.4MW。為了提高燃氣輪機發電效率，這里利用一小部分燃氣輪機尾部高溫煙氣通過溴化鋰吸收式制冷來冷凍干燥尾氣及助燃空氣[3]，制冷功率1MW，抽取尾氣量4150 m3/h，扣除這部分煙氣，余熱鍋爐發電功率約為22.4MW。

3 方案技術經濟分析

這里設定年運行小時數為8000h。經過市場調研，煤焦油為1300 元/噸左右，熟硫磺的價格為1000 元/噸左右，上網電價為0.35 元/（kW·h）。高溫超高壓鍋爐發電定員為25 人，而燃氣-蒸汽聯合循環發電定員為12 人，且蘭炭尾氣本身不花成本。

燃氣-蒸汽聯合循環比傳統高溫超高壓蒸汽發電效率高6 個百分比點，但燃氣輪機對燃氣品質要求較高，凈化系統復雜，燃氣輪機昂貴，而蒸汽鍋爐對原料適應性更廣且國內比較成熟，使得燃氣-蒸汽聯合循環發電系統的建造費用比高溫超高壓鍋爐發電系統貴126.5%。除此之外，燃氣輪機的修理費用與折舊費用較高，這也導致燃氣-蒸汽聯合循環發電年總成本遠高于鍋爐發電。昂貴的建設及運行成本，使得燃氣-蒸汽聯合循環發電系統的靜態投資回收期要比高溫超高壓鍋爐發電系統多1.7 年，從投資收益的角度來看，推薦采用高溫超高壓鍋爐發電的方案。但燃氣-蒸汽發電系統用水僅為鍋爐發電的1/3，自動化程度更高，污染物排放更低，資源循環利用效益更好。

4 結論

1）對于該蘭炭生產廠來講，由于蘭炭尾氣排量較大，使其可發電量達到50MW 左右，此時可采用燃氣鍋爐發電或燃氣-蒸汽聯合循環發電，而內燃機發電系統由于占地面積大，余熱無法充分利用，且投資過高，不推薦采用。

2）結合該蘭炭廠的具體情況，高溫超高壓鍋爐發電系統成熟，可靠性高，投資低，回收期短，具有十分明顯的經濟優勢，從投資的角度，推薦采用高溫超高壓鍋爐發電方案。

3）燃氣-蒸汽聯合循環發電的造價昂貴，且檢修與折舊費用較高，但環保與資源利用效益更好，對于水資源匱乏或環保要求嚴格的地區，可酌情考慮該方案。