油页岩低温干馏剩余瓦斯气综合利用

摘要：文章针对抚顺矿业集团页岩炼油厂油页岩干馏剩余瓦斯气发电进行了研究，实现瓦斯气能源发电利用，发电后排放的尾气中含有大量的热量，通过换热器进行热交换，产生饱和蒸汽，从而实现二次利用。这种综合利用有效地节约了能源，保护了环境，实现了能源的循环利用。

关键词：剩余瓦斯气；燃气内燃发电机；换热器；油页岩；能源循环利用

中图分类号：TE662 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）01-0151-03

一、概述

抚顺矿业集团公司页岩炼油厂是我国目前唯一的油页岩综合利用企业，主要是利用抚顺油页岩干馏生产页岩油，现年生产能力超过16万吨。在低温干馏生产页岩油过程中，产生的干馏瓦斯经产品回收系统收集页岩油后，剩余的瓦斯尾气我们称之为油母页岩干馏剩余瓦斯气。剩余瓦斯量约为150～200Nm3/T油页岩左右，一部分送往厂中央锅炉作燃料，供全厂生产及生活用汽；其余还有大约12500～20000m3/h剩余瓦斯气体，这部分气体只能随凉水塔放空，未能得到有效利用，不仅造成资源的极大浪费，而且对环境也造成不良影响。

如能采用燃气内燃发电机发电，既解决了排放剩余瓦斯对空气的污染，又可节约电力资源，从而达到社会效益与经济效益双赢利的局面。

燃气机产品是国家产业政策倡导的节能环保产品，已在油气田、焦化厂、煤矿、炼油厂等市场领域得到广泛应用。燃气发电项目在天然气、煤层气、焦炉尾气等方面均得到了较好的应用，为各方带来了较好的经济效益。

但油页岩剩余瓦斯气的热值较低，一般在800kcal/m3左右，并且气体中含有一定的杂质，这种低热值的气体发电在国内还没有先例。

二、油母页岩低温干馏产生剩余瓦斯发电的研究

（一）页岩干馏剩余瓦斯对燃气机适用性的分析

1．页岩干馏剩余瓦斯气的特点。油页岩干馏剩余瓦斯气的热值较低，一般在800kcal/m3左右，温度在50℃～60℃左右，冬季可降至12℃左右，气体压力大于3000Pa。

气体主要成分如下：

该种气体的特点是热值低，含水量大，不同于天然气、煤层气、焦炉尾气，它们的气体热值都在3000kcal/m3以上。燃气发电机比较适用于高热值的气体，对低热值瓦斯的使用还没有先例，但机组的创新技术可以保证低热值瓦斯的正常燃烧发电。

燃气机对燃气的要求是：在使用前应先经过适当的过滤、气液分离、稳压，若温度过高还经过冷却器，并保证燃气中无液态成分。燃气处理后H2S≤20～50mg/m3,焦油≤20mg/m3,NH3≤20mg/m3,杂质粒度应小于5μm，含量≤30mg/m3。

2．燃气机技术的特点。国内领先的稀燃技术、电子点火技术、燃气机增压中冷技术及先进的配置。稀燃技术是采用内置式预燃室，增大点火能量，提高了燃烧速度，实现了稀薄燃烧，提高了热效率，同时降低了发动机的热负荷，从而延长了整机的使用寿命。

数字电子点火技术是由电控单元根据不同类型的燃气机，或燃气机不同的工况，从软件上调整点火能量和点火时间。此点火系统尤其适合多缸机型，可分别调整每个缸的点火能量和点火时间，使每个缸都能在最佳状态工作，发挥机器的最佳性能。

改风冷燃气机为水冷燃气机相比技术，燃气机增压中冷技术分为混合前增压和混合后增压两种。（1）混合前增压是增压器将空气增压，经中冷器冷却后，再通过混合器将燃气与空气混合进入气缸内。此种机型对燃气有一定压力（压力大于0.1MPa）。（2）混合后增压是采用电控混合器，空气与燃气在增压前混合，然后经过增压器增压，再经中冷器冷却后进入气缸。此种机型对燃气压力要求不高，只要气压在100mm水柱以上即可使用。该技术与燃气多点喷射技术的有效结合，提高燃气机的性能价值比，增压燃气机成本较非增压机高10％，功率却可提高30％左右。根据页岩瓦斯的品质，采用双增压器结构，进行中冷匹配，成功地将燃气机的应用范围扩展到低热值气体。

燃气机电控技术是采用微电子控制技术，通过闭环自动调节混合器空燃比，显著提高对燃气浓度变化的适应能力，燃气可燃成份浓度在30%以上频繁变动，或热值很低时，都能被有效利用。

燃气机的配置具有高可靠性，发电机组燃气控制部分美国、德国技术并融合专利技术的新型电控混合器，调速系统采用美国woodward电子调速器，发电机采用西门子发电机。

（二）现场试验情况

根据燃气机的特点及页岩瓦斯气的特性，认为此种气体作为发动机燃料进行发电是完全可行的。应用40GFPT/I型燃气发电机组现场进行了试验，结果证明，页岩瓦斯气体用于试验机进行试验时，机组起动迅速，运转稳定，功率达到预期目标，可达64％，并且气体中氢气含量介于6％～10％之间，即有利于点火又不易引起回火，是一种良好的可燃气体，可作为燃气机组燃料进行发电。

（三）生产中发现的问题

由于页岩干馏瓦斯气发电在国内还没有先例，在试运阶段发现以下问题；

机组的局部应进行改造；

页岩瓦斯气属于水蒸气饱和气体，其中含水雾和油雾，影响发电效果，应该进行气液分离处理；

瓦斯气中硫化氢含量偏大，应进行适当的处理；

夏季瓦斯气温度过高影响机组的发电效率。

（四）剩余瓦斯气及机组技术改造

为了使油母页岩干馏剩余瓦斯气能够适应机组的发电需要我们主要进行了以下研究和改造：

捕雾器和气液分离筛脱水的研究；

干式脱硫的研究；

旋风除尘脱水的研究；

瓦斯冷却方式采用间接水冷的研究；

燃气发电机组中冷器的改造；

燃气发电机组进气方式的改造；

燃气发电机组控制方式的改造。

在生产过程中对瓦斯气的硫化氢含量进行测定，结果发现硫化氢的含量超标，达1500mg/m3。必须对该气体进行脱硫处理。

为了保证机组对燃气的要求，必须对气体进行适当的处理。经过不断的研究讨论，决定对瓦斯气进行脱硫、脱水、冷却处理。考虑到该剩余瓦斯气的特殊性并进行了市场调查分析，该厂决定采用干式脱硫方法进行脱硫。并同时建脱水脱油器和冷却罐，用以除去瓦斯气中的水雾和油雾为气体降温。

由于该厂瓦斯气在夏季温度过高，严重的影响了机组的发电效率，所以为了保证电站的正常运转，必须对瓦斯气进行冷却处理，该厂采取循环间接水冷的方式对气体进行冷却处理。

经过上述处理的瓦斯气基本上满足了机组的发电要求。

（五）剩余瓦斯发电热电及发电量的计算

油页岩干馏剩余瓦斯气的热值按3.3MJ/m3（800大卡/m3）计算，燃气发电机组热效率为11MJ/kW.h,11000kJ÷(800kcal/m3×4.18)=3.3m3,考虑到利用率，约3.5～4m3瓦斯气可发一度电，而且不需要添加任何辅助燃料。

剩余瓦斯排放量按12500万m3/h考虑，利用这些气体，可建成12台500kW发电机组。选用机组型号为500GF-RW，单台机组长期连续运转功率为320kW。机组数量为12台，按年运行8000小时计算，总发电量为3072万度。

经过处理的瓦斯气用于发电将电站机组运行更加平稳，发电效率上升，年发电量大幅度上升，并且降低维修成本，由此宣布剩余瓦斯发电在国内首次获得成功。剩余瓦斯发电的成功实现了“废物利用、就地发电、就地使用”的模式，既减少了瓦斯气对环境的污染和资源的浪费，又有效的解决了生产中的安全隐患问题，并为该厂创造了可观的经济效益。

三、剩余瓦斯气发电后高温尾气的合理利用

（一）针形管换热器应用

剩余瓦斯气发电后的尾气，出口排放温度高达380℃～420℃，排放无疑是一种能源浪费，因此，我们利用针形换热器对发电机组的尾气进行回收利用，它的工作原理是通过余热回收装置的烟道箱与通过回收装置中针形管组的水进行高效换热，高温水再经过汽水分离器进行汽水分离，来达到尾气余热回收，实现能源二次利用的目的。

（二）发电机组尾气余热测试

对一台500GF-1RJ发电机组余热回收装置测试，针形管换热器内的水被发电后的尾气加热，加热后水进入汽水分离装置，分离后的汽通过蒸汽流量计进入分汽缸，分离后的水继续循环加热，进行汽水分离。

实验表明：1台针形管换热器每小时可产生0.35吨的饱和蒸汽，可用于工厂生产及生活的需要。

剩余瓦斯气发电及发电后尾气的合理利用示意图：

四、结论

对于具有剩余燃气资源的企业而言，采用气体发电，将这些气体综合利用，同时进一步考虑利用机组尾气余热带动蒸汽锅炉，每台500kW机组产生的烟气余热为6.53×102MJ/H。本项目是符合当前国家环保和能源发展的方针政策的，因此选择油母页岩干馏剩余瓦斯发电项目是合理的，不仅增加了页岩油厂的经济效益，而且有利于改善废气污染状况，社会效益将更为显著，并且开创了国内油母页岩低温干馏剩余瓦斯气发电的先例。

参考文献

[1]侯祥麟．中国页岩油工业[M]．石油工业出版社，1983．

[2]钱家麟，尹亮．油页岩—石油的补充能源[M]．中国石化出版社，2008．

[3]陆耀庆．供暖通风设计手册[M]．中国建设工业出版社，1987．

作者简介：肇永辉（1966-），男（满族），辽宁抚顺人，抚顺矿业集团有限责任公司机电处高级工程师，研究方向：油页岩。

（责任编辑：叶小坚）