摘要：中国是世界焦炭产量最大的国家，但每年在炼焦过程之中浪费了大量的焦化煤气，如果能够积极利用这一资源，每年可以节约数千万吨标准煤。焦化煤气发电是一种比较便捷的综合利用方式，本文主要研究相应的技术设备应用，以及应该采取的配套政策。本文选自《能源与节能》。《能源与节能》创刊于1996年，本刊坚持科学发展观，关注我国能源经济现象，报道能源与节能领域最新科研成果，探求我国该领域的方针、政策和发展战略，积极普及节能知识。同时为从事教学、管理、科研、以及广大一线工作的技术人员就能源、环保及节能等相关问题提供了一个政策研讨、理论交流及节能和环保等新技术推广的平台。
关键字：焦化煤气利用煤气发电热电联产,能源与节能
中国是全世界最大的焦炭生产国，每年估计有2亿吨左右的优质煤炭用于生产焦炭，仅山西一省的不完全统计，每年炼焦消耗煤炭就超过9,000万吨。尽管今年中国限制了焦炭出口，但全年预计出口总量仍然将超过1,300万吨，中国焦炭的出口量直接影响着世界市场。根据炼焦炉型和煤质不同的条件，每吨原煤转化为焦炭时可以产生300～400立方米，热值当量1,500～4,500大卡/立方米的焦化煤气，全国每年在炼焦中伴生600－800亿立方米的焦化煤气，粗略估算折合约250－350亿立方米的天然气，超过西气东输工程的热值总量，相当3,000～4,000万吨标准煤。
在目前生产焦炭的工艺流程中，绝大多数的项目没有回收利用焦化煤气，不是采取火炬头排空燃烧，就是直接放散。不仅造成了资源的严重浪费，对环境也产生的巨大污染。在山西、陕西和内蒙的一些产焦地区，大气污染已经达到了触目惊心、无法忍受的程度，空气中弥漫着呛人的烟雾和硫化氢的臭味，造成当地呼吸道疾病的蔓延，肺癌发病率持续走高，严重危害到当地人民群众的身体健康，对社会稳定和经济持续发展都构成了极大的威胁。
如何能够有效利用炼焦伴生煤气资源，对于中国的可持续发展是一个非常重要的课题，它不仅仅是治理环境污染，更主要的是节约资源，提高能源利用效率，解决目前的电力、煤炭供应紧张局面，维持国家社会和经济的持续发展。
中国煤炭资源按目前技术经济条件下开采，在生态环境容量所允许的范围内，达到有效供给的满负载开采能力的净有效量仅1,037亿吨，只占探明储量一万亿吨的10％。中国煤炭资源供给的基本态势是总量丰富，但有效供给能力明显不足。再加上人口因素，人均实际可利用的煤炭远远低于世界平均水平。2003年中国的煤炭生产能力达到16亿吨，超过2002年的14亿吨，根据预计2004年将超过17亿吨。根据预测，2020年中国需要煤炭约29亿吨，而煤炭工业联合会正在进行的规划研究中到2020年中国煤炭工业可能达到的最大产量为20.5~22.1吨，考虑环境制约因素和其他限制条件，专家预测中国产煤的最高峰值仅在25亿吨左右。按照现在的开采和利用方式，山西的煤炭只能维持40年，而有关专家认为中国全国的煤炭资源仅能维持60年左右。
一边是资源的大量浪费挥霍和环境的急遽恶化，一边是资源供应的大限即将临至，如果我们把资源耗尽，到那时让我们的孩子们守着一片荒芜的国土将如何面对他们的未来？如果我们现在立即行动也许还能亡羊补牢，国务院发展研究中心已经建议国家将节约资源与环境保护和计划生育共同列入“基本国策”，国务院主持的国家中长期能源发展规划中也确立的“节能优先”的宗旨，要落实这一决策，有效回收利用焦化煤气是一项必不可少的工作。
焦化煤气的利用方向
焦化煤气的利用主要有两个方向：一个是化工原料；另一个是直接作为燃料燃烧发电与供热。用于化工的重要用途也是转换成为甲醇及二甲醚等石油代用燃料，甲醇可以作为发电燃料，但这样做经济上不合适，技术上也是多此一举，所以甲醇的重要用途是交通根据代用燃料。甲醇汽油技术已经成熟，作为石油代替燃料已经开始起到积极的作用。对于甲醇燃料技术的研究和应用，各地政府及企业早在上世纪70年代就已经相继展开，山西省经过长时间的研究测定，将15%的甲醇掺入汽油中使用，不需要增加其他添加剂，也不必采取特殊的工艺技术，以及保护封闭，用不着改造发动机，对于汽车、动力性和环境都没有太大的负面影响。检测显示使用甲醇汽油的汽车，尾气常规排放中一氧化碳和碳化氢浓度平均降低23.2%和28.5%，达到欧洲Ⅱ号排放标准。
根据中国化工信息中心副总工张瑞同志和提供的资料，2003年，山西省在太原、阳泉、临汾、晋城四个市进行了甲醇汽油推广试点工作，全省有48.26万辆车次使用了甲醇汽油，涉及近50种车型，累计消耗甲醇汽油12,192t。在此基础上，山西省政府前不久决定，2004年下半年在全省11个城市推广甲醇汽油，甲醇汽油的用量从2003年的1.2万t增至2004年的3万t。河南驻马店、漯河及黑龙江哈尔滨等地也有类似成功经验。
由于目前世界和国内油价持续居高不下，北京地区93#汽油市场零售价格达到每公升3.66元，为甲醇汽油大踏步进入市场创造了机遇，一些产煤大省和大型焦炭生产企业已经开始积极行动。中石化山西公司销售的M15甲醇汽油比销售国标93#汽油增加121元/t的经济效益。甲醇燃烧值5,426kcl/kg，汽油的燃烧值为11,000kcl/kg，热值比为1:2，按照热值等价计算法，两者价格比也应为1:2，如果目前车用汽油价格为4元/kg计，甲醇的价格可以达到2,000元/t，销售甲醇汽油的经济性是非常明显的，但是世界燃料油的价格是否会长时间维持在这一高价位还是一个不可预测的问题。
由于煤气转换石油代用燃料的投资比较大，存在一个规模效益问题，所以利用焦化煤气生产石油代用燃料对于大型炼焦企业比较合适，而中国在相当一段时间中焦炭生产占主导地位的还是中、小型炼焦企业，由于规模的限制采用转换石油代用燃料工艺的经济性未必合适。目前，全国出现大范围电力和煤炭供应紧张，焦化煤气更主要的利用方向中不可避免地要直接作为燃料利用，而生产高品位的电能应该成为直接燃料的主导方向。
焦化煤气中的主要成分是氢气，占体积的45－65％，如果燃料电池技术能够成熟普及，煤气将是非常理想的氢燃料来源，但是根据目前的发展，燃料电池的普及，以及氢燃料体系的建立也许还需要10～20年甚至更长的时间。因此，当前的利用方式还需要立足于现有的成熟技术上，主要是燃气轮机和燃气内燃机，以及正在快速发展普及之中的微型燃气轮机和最传统的蒸汽轮机发电。
焦化煤气中可燃的主要成分中有氢、一氧化碳和甲烷三种物质可以直接作为燃料利用，以内蒙西部地区某焦化厂和山西吕梁地区某焦化厂的焦化煤气成分为例：可以参加燃烧的气体成分比例高达88－91％，属于非常优质的气体燃料。利用这种优质燃料的主要困难是过虑吸附焦化煤气中的一些不利物质，主要是粉尘、硫化氢、焦油、奈和水。
气体处理是这一资源利用的最大的问题之一，也是一个瓶颈性质的问题，很多动力设备是无法适应焦化煤气中的大量杂质及影响。特别是焦油和奈在高温下，可能在燃料供应管路内结垢，造成管路堵塞问题；水分子和硫化氢化合成为强腐蚀性的硫酸，损害机械设备；在粉尘中可能残存钾、钠或其他重金属，钾钠在高温下可以形成强腐蚀，造成动力系统热部件的损伤，而重金属在高温下可能附着在热部件表面，造成设备功率衰减；燃料中的尘埃会形成动力设备内部积灰积炭，影响设备效率和出力等等。所以，上述问题都需要采取必要措施和工艺加以控制。
我国焦化煤气后处理工艺的研究和实践一直在进行，有多家研究机构、企业能够通过提供合理的工艺设计和设备技术集成，满足各种工艺纯度的处理要求。例如中国科学院山西煤化所，长期以来从事这方面的研究，在世界上处于比较领先的地位。目前，有关机构正在考虑设计生产一些模块化的处理单元，这些单元甚至具备移动性，可以根据需要和动力设备类型进行匹配组合，适应各种需要和变化。
由于焦化煤气的利用在中国还没有形成气候，市场的设备需求有限，所以还不可能形成批量化生产，所以产品价格也难以大幅度降低。而处理设备价格居高不下，也直接影响到利用焦化煤气的普及。
焦化煤气发电目前可以利用的设备主要是最传统的利用锅炉和蒸汽轮机的技术组合；以气体为燃料的燃气内燃机；燃气轮机和微型燃气轮机四种技术选择。这四种技术选择各有优势和不足，用户可以根据项目实际操作情况和现场条件进行选择。
一、锅炉＋蒸汽轮机：这是一个非常传统的技术，也是大家比较熟悉的工艺方式。它是采用锅炉来直接燃烧焦化煤气，将煤气的热能通过锅炉内的管束把水转换为蒸汽，利用蒸汽推动蒸汽轮机再驱动发电机发电。系统的主要设备是燃气燃烧器、锅炉本体、化学水系统、给水系统、蒸汽轮机、冷凝器、冷却塔、发动机、变压器和控制系统，工艺流程比较复杂。优点是：对于燃料气体要求比较低，只要燃气燃烧器能够承受的气体，一般都可以适应，燃气只需要有限的压力，因而燃气处理系统投资比较简单；但缺点是：工艺复杂，建设周期比较长，难以再移动，必须消耗大量的水资源，占地比较多，管理人员也比较多，能源利用效率太低，通常不到20％。这一技术过去是中国利用焦化煤气的主要技术方式，它可以与燃煤电厂结合，在燃煤锅炉中安装燃气燃烧器，将焦化厂的焦化气直接喷入锅炉燃烧，这种方式最大的优点是可以适应焦化厂间歇性生产的特性，有气少燃煤，无气多燃煤，不会影响电力供应的品质和能力。该技术最大的限制是水，中国水资源极度缺乏，特别是山西、陕西、内蒙等焦炭生产大省，连人畜饮水都有困难，消耗大量的水资源来保障焦化煤气的利用几乎是不可能的，所以要解决中国的焦化煤气资源综合利用，必须考虑其他更加可行的技术解决方案。
二、燃气内燃机：世界上第一台内燃机就是以煤气为燃料的内燃机，1876年德国商人兼机械师奥托发明了人类第一台以煤气为燃料的四冲程内燃机，经过10年的不断改进之后，德国的另一个机械师“奔驰汽车之父”戴姆勒?本茨才将这种四冲程发动机改进为汽油发动机，直到1895年狄塞尔才发明出柴油机。燃气内燃机的工作原理基本与汽车发动机无异，需要火花塞点火，由于内燃机气缸内的核心区域工作温度可以达到1400℃，使其效率大大超过了蒸汽轮机，甚至燃气轮机。燃气内燃机的发电效率通常在30％－40％之间，比较常见的机型一般可以达到35％。燃气内燃机最突出的优点正是发电效率比较高，其次是设备集成度高，安装快捷，对于气体中的粉尘要求不高，基本不需要水，设备的单位千瓦造价也比较低。但是内燃机也有一些不足的地方，首先，内燃机燃烧低热值燃料时，机组出力明显下降，一台燃烧低热值8000大卡/立方米天然气燃料的500千瓦级燃气内燃发电机组，在使用低热值4000大卡/立方米的焦化煤气时，出力可能下降到350～400kW左右。此外，内燃机需要频繁更换机油和火花塞，消耗材料比较大，也影响到设备的可用性和可靠性两个主要设备利用指标，对设备利用率影响比较大，有时不得不采取增加发电机组台数的办法，来消除利用率低的影响。内燃机设备对焦化煤气中的水分子含量和硫化氢比较敏感，可能导致硫化氢和水形成硫酸腐蚀问题，需要采取一些必要措施加以克服。总之，内燃机是一种比较合适的技术选择，目前我国已经有几家厂家可以提供相应的机组，例如山东胜利油田胜动机械厂，已可以大量生产500千瓦级燃气内燃机，该机组已经在焦化煤气利用中起到了非常积极的作用，并在国内得到大量应用。但是500千瓦级燃气内燃机只能在380V等级并网，只能作为厂用电电源，还无法实现大规模利用焦化煤气，据了解，该公司正在研制1000千瓦级以上的机组，并网电压也将有所提高。此外，国外的卡特彼勒和颜巴赫等公司也有相关技术和运行经验。
三、燃气轮机：从工作原理上看，燃气轮机无疑是最适合焦化煤气利用的工艺技术之一。燃气轮机是从飞机喷气式发动机的技术演变而来的，它通过压气机涡轮将空气压缩，高压空气在燃烧室与燃料混合燃烧，是空气急遽膨胀做功，推动动力涡轮旋转做功驱动发电机发电，因为是旋转持续做功，可以利用热值比较低的燃料气体。国内已经有了不少成功的经验，国内最著名的一个案例是宝山钢铁公司采用原ABB公司（现阿尔斯通公司）的GT11燃气轮机利用热值仅有750大卡立方米高炉煤气的项目。燃气轮机比较适用于高含氢低热值和气体含杂质较多的劣质燃料，一些燃气轮机甚至使用原油和高硫渣油燃料。燃气轮机自身的发电效率不算很高，一般在30％～35％之间，但是产生的废热烟气温度高达450～550℃，可以通过余热锅炉再次回收热能转换蒸汽，驱动蒸汽轮机再发一次电，形成燃气轮机--蒸汽轮机联合循环发电，发电效率可以达到45%~50%，一些大型机组甚至可以超过55％。采用燃气轮机的优势相对比较多，首先是设备的可用性和可靠性都比较高，综合利用率一般可以保持在90％；其次，对于燃料的适应性比较强，含硫、含尘高一点问题都不大；再有就是发电出力一般不会减少，甚至因为燃料进气量增加而有所增加；此外，燃气轮机功率密度大体积小，比较适合再移动，便于转移运行现场，这对于存在一些不确定性的焦化厂项目的焦化煤气利用非常有利。但是，世上的事务有一利，必有一弊，没有十全十美的事情。燃气轮机进气压力比较大，越是发电效率高的机组燃料进气压力越高，因为焦化煤气本身没有什么压力，这就需要使用燃气压缩机，压缩燃气需要消耗大量的能量，影响到设备的实际输出功率，一些项目甚至需要消耗燃气轮机15%~20%的功率，对于联合循环项目达到影响可能是10%~15%的输出功率；采用联合循环系统存在与蒸汽轮机相同的水资源条件要求，系统比较复杂，投资也比较大，同时搬迁也比较困难。燃气轮机在我国焦化煤气利用上已经有不少成功的尝试，焦化煤气在国际上主要规类为高氢燃料，国外公司在燃气轮机利用高氢燃料上都具有较多的经验，但是具体到焦化煤气上的经验都不太多，主要原因是国外炼焦工业一直处于不断萎缩，中小型焦化厂已经很少，而大多数焦炭来自大型联合化工企业，产生的焦炉煤气多用于化工产品的制造，所以焦化煤气发电项目不多。国内生产的燃气轮机主要是航空改型机组和引进技术组装生产的机组，航空改型主要以株洲和沈阳两大航空发动机制造企业为主，株洲采用涡轮螺旋桨发动机改进的燃气轮机更加适合焦化煤气燃料，目前石家庄焦化厂就是采用涡桨6发动机改进的机组。引进生产的燃气轮机除了“西气东输”工程中使用的F级燃气轮机外，主要是南京汽轮机厂引进GE6B型40兆瓦级燃气轮机，703所乌克兰25MW级燃气轮机和沈阳GE10型10MW级燃气轮机等，其中GE机组可以适应焦炉煤气。
四、微型燃气轮机：研究焦化煤气发电就不得不涉及到微型燃气轮机技术，尽管微燃机目前还没有普及，但是未来它在这一行业的潜力将是非常巨大。微型燃气轮机的技术与其说是来自航空技术，不如说是来自汽车技术。微燃机采用了离心式涡轮设计，而不是目前燃气轮机普遍采用的轴流式涡轮，世界上最早的航空喷气式发动机和地面使用的燃气轮机都是采用这种设计，但是后来因为效率太低，所以没有能够继续采用。离心式涡轮可以将压气机和动力涡轮共同铸造在一个轮盘上，制造工艺简单，体积也比较小，后来，这一技术一直沿用在大型喷气式客机的启动发动电机上。该技术真正得到推广是因为汽车发动机采用废气涡轮进气增压技术而得到普及，它利用汽车发动机废气驱动一个离心式涡轮的动力叶片，利用铸造在另一侧的压气机涡轮给进入气缸的新鲜空气增压，通过增加气缸工质密度增加发动机出力，达到减少燃料和降低排放的作用，目前这一技术已经在汽车工业中广泛采用。将这一成熟技术再一次转回的发电技术是因为回热器技术的突破，早在上世纪70年代后期，工业国家因为经历了两次惨痛的能源危机之后，就开始致力于研发各种国家先进高效的能源利用技术，将燃气轮机高温烟气中的余热，直接加温经过压缩的功质空气，一方面可以回收能量，另一方面可以提高燃烧室燃烧的基础温度将大大提高燃气轮机的效率，目前采用这一技术美国索拉公司水星50小型燃气轮机组的发电效率从原型机27％的效率一下提高到38.5%。将这一技术与简单的离心式涡轮组合的微型燃气轮机应运而生，而且很快得到了市场的高度青睐，现在市场上的微型燃气轮机的容量在28－250kW，正在研发400kW级的机组，已经将离心式涡轮12－16％的发电效率提高到26－34％，目前的计划是在2008年以前将发电效率突破40％。现在科学家们正在为其研发陶瓷转子，航天飞机上使用的陶瓷隔热瓦可以承受远远超过各种金属溶化温度的高温极限，并具有很大的强度，而且制造简单，加工成本低廉，能够适应各种燃料而不被腐蚀。目前已经投入市场的微型燃气轮机使用寿命在5－8万小时，设备的维护工作量极少，可以采用多台机组并联的“模块化组合”方式，非常机动灵活。目前，由中国科学院徐建中院士牵头的国产微型燃气轮机研发已经列入“国家863计划”，项目正在紧锣密鼓地实施之中。微型燃气轮机暂时可能还没有焦化煤气的实际运行经验，都是这些机组肯定可以使用焦化煤气。
