蘭炭尾氣資源綜合利用中的高效發(fā)電技術分析

摘要：蘭炭產業(yè)作為我國重要的能源化工產業(yè)之一，年產量較大。蘭炭生產過程中會產生大量的蘭炭尾氣，且如果處理不當，將給環(huán)境造成嚴重污染，為更好地對蘭炭尾氣資源進行綜合利用，聚焦于蘭炭尾氣高效發(fā)電技術的應用研究，發(fā)現采用適當技術可將蘭炭尾氣的能量轉化效率提高至40% 以上。以山西省某大型蘭炭企業(yè)為例，其通過實施蘭炭尾氣綜合利用項目，采用燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術，不僅實現了蘭炭尾氣資源綜合利用，還達成了年發(fā)電量3 億kWh 的目標，能源利用效率顯著提高。

關鍵詞：蘭炭尾氣；資源綜合利用；高效發(fā)電技術；能量轉化效率；清潔生產

蘭炭為一種高碳含量固體燃料，是重要的化工能源之一，我國蘭炭年產量超1 億t，但其生產過程產生的尾氣年排放量也非?？捎^。蘭炭尾氣若處理不當就會成為環(huán)境污染源，而處理得當則會成為資源。因此，隨著環(huán)保要求日益嚴格，蘭炭尾氣資源的綜合利用愈發(fā)受到關注。高效發(fā)電技術是蘭炭尾氣綜合利用的重要途徑背景，基于此，本文通過分析蘭炭尾氣特性，探討適用的蘭炭尾氣高效發(fā)電技術，并通過實際案例評估應用效果。

1 蘭炭尾氣的特性

1.1 蘭炭尾氣的組成

蘭炭尾氣是蘭炭生產過程中產生的復雜氣體混合物，其主要成分包括可燃氣體和不可燃氣體2 大類?？扇細怏w主要有一氧化碳、氫氣和甲烷，其中一氧化碳含量最高，通常占20%～30%；氫氣含量次之，占15%～25%；甲烷含量較低，一般占5%～10%。不可燃氣體主要有二氧化碳和氮氣，其中二氧化碳含量為15%～25%，氮氣含量可達25%～35%。此外，蘭炭尾氣中還含有少量的硫化物、氨氣等組分，以及粉塵和焦油等雜質[1]。因此，蘭炭尾氣的組成會受原料煤種類、炭化工藝參數等因素影響而略有變化。

1.2 蘭炭尾氣的熱值與流量特征

蘭炭尾氣的熱值和流量特征是決定其利用價值的關鍵因素。由于蘭炭尾氣含有大量可燃氣體，因此其熱值較高，一般在3000～5000 kJ/m3，甚至部分蘭炭生產企業(yè)產生的蘭炭尾氣熱值可達6000～7000 kJ/m3，為蘭炭尾氣的能源化利用提供了良好基礎。在流量特征方面，雖然蘭炭尾氣的產生具有連續(xù)性，但其流量和成分會隨生產工況的變化而波動。一般情況下，每生產1 t 蘭炭會產生300～500 m3 的蘭炭尾氣，流量波動范圍通常在±15% 以內，但在生產工藝調整、設備啟停等特殊情況下，流量波動幅度可能更大。

2 蘭炭尾氣高效發(fā)電技術

2.1 余熱鍋爐發(fā)電技術

余熱鍋爐發(fā)電技術是蘭炭尾氣資源綜合利用的主要方式之一，其通過利用蘭炭尾氣中的熱能來生產蒸汽，再通過汽輪發(fā)電機組轉化為電能。余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)主要由鍋爐本體、汽輪機、發(fā)電機和輔助設備組成。蘭炭尾氣進入鍋爐后，通過熱交換將能量傳遞給水，產生高溫高壓蒸汽，蒸汽推動汽輪機旋轉，從而帶動發(fā)電機產生電能。

余熱鍋爐發(fā)電技術的優(yōu)勢在于系統(tǒng)簡單、可靠性高、投資成本相對較低，但其能量轉化效率較低，通常在25%～35% 之間。為提高余熱鍋爐發(fā)電技術能量轉化效率，可采用多級余壓利用技術，如中溫中壓和低溫低壓級聯發(fā)電系統(tǒng)[2]。此外，余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)的設計需考慮蘭炭尾氣成分和流量的波動性，采用適當的調節(jié)措施以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

如表1 所示的數據總結了余熱鍋爐發(fā)電技術在不同規(guī)模蘭炭企業(yè)的應用效果，隨著蘭炭企業(yè)規(guī)模的增加，余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)的能量轉化效率有所提升，這主要得益于大型余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)的熱力循環(huán)優(yōu)化和發(fā)電設備效率的提高。

2.2 燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術

燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術是一種高效的蘭炭尾氣利用方式，其結合了燃氣輪機和蒸汽輪機的優(yōu)勢，能量轉化效率較高。燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要由燃氣輪機、余熱鍋爐和蒸汽輪機3 部分組成。該技術流程為蘭炭尾氣經過預處理后進入燃氣輪機燃燒室，燃燒產生高溫高壓燃氣推動燃氣輪機進行發(fā)電，而后燃氣輪機排出的高溫煙氣進入余熱鍋爐產生蒸汽，再驅動蒸汽輪機進行二次發(fā)電。

燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術能量轉化效率達45%～55%，且發(fā)電系統(tǒng)具有較強的負荷調節(jié)能力適應性。但燃氣輪機對進氣質量的要求較高，因而需對蘭炭尾氣進行深度凈化處理后方能進行資源化利用，導致燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的復雜度和投資成本增加。

根據表2 所示的燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術在不同規(guī)模蘭炭企業(yè)的應用效果，發(fā)現燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術在大型蘭炭企業(yè)中表現更為出色，能量轉化效率可達50% 以上，顯著高于傳統(tǒng)余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)。

2.3 內燃機發(fā)電技術

內燃機發(fā)電技術是另一種適用于蘭炭尾氣資源綜合利用的高效發(fā)電方式，其可利用大功率燃氣內燃機直接將蘭炭尾氣作為燃料進行發(fā)電。內燃機發(fā)電系統(tǒng)主要由燃氣內燃機、發(fā)電機和蘭炭尾氣處理裝置組成。蘭炭尾氣經處理裝置凈化和調質后進入燃氣內燃機氣缸內燃燒，燃燒產生的能量推動活塞做功，從而帶動發(fā)電機產生電能。

內燃機發(fā)電技術不但系統(tǒng)啟停靈活、負荷調節(jié)能力強，適合中小型蘭炭企業(yè)使用，而且其單機容量較小，便于模塊化設計和分布式安裝。然而，由于燃氣內燃機對燃料氣質量要求較高，因此需對蘭炭尾氣進行深度凈化和穩(wěn)定化處理。

根據如表3 所示的內燃機發(fā)電技術在不同規(guī)模蘭炭企業(yè)的應用效果，發(fā)現內燃機發(fā)電技術在中小型蘭炭企業(yè)中表現良好，能量轉化效率可達38%～42%，介于余熱鍋爐與燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術之間，因此內燃機發(fā)電技術更適合蘭炭尾氣量不足以支持大型聯合循環(huán)系統(tǒng)的蘭炭企業(yè)。

3 蘭炭尾氣高效發(fā)電技術的比較與選擇

3.1 技術經濟性比較

余熱鍋爐發(fā)電技術具有初始投資低（2000～3000 元/kW）和維護成本低的優(yōu)勢，適合資金有限的中小型蘭炭企業(yè)，但其能量轉化效率僅為25%～35%，長期經濟效益較低；燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術雖然初始投資高（4000～5000 元/kW），但能量轉化效率達45%～55%，適合大型蘭炭企業(yè)，其通過規(guī)模效應可降低單位投資成本，從長期來看能實現較高的投資回報率；內燃機發(fā)電技術的投資成本（3000～4000 元/kW）和能量轉化效率（38%～42%）居中，具有良好的靈活性，適合中型蘭炭企業(yè)或對靈活性要求較高的項目。因此，蘭炭企業(yè)在選擇蘭炭尾氣高效發(fā)電技術時，可結合自身的資金實力、風險承受能力和項目的長期經濟效益，以及技術的成熟度、設備壽命、維護難度等因素綜合考慮，確保投資決策的科學性與合理性。

3.2 環(huán)境效益分析

蘭炭尾氣高效發(fā)電技術的應用產生顯著的環(huán)境效益，主要體現在減少大氣污染物和溫室氣體排放方面。余熱鍋爐發(fā)電技術能有效回收蘭炭尾氣熱能，減少熱污染，但由于其能量轉化效率較低，在單位發(fā)電量上的污染物減排效果較差；燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術因具有高能量轉化效率特性，故可在單位發(fā)電量上實現最大程度的污染物減排[3]，且其聯合循環(huán)系統(tǒng)產生的低溫煙氣有利于后續(xù)的煙氣處理，可進一步降低NOx 等污染物的排放；內燃機發(fā)電技術在NOx 排放控制上具有獨特優(yōu)勢，通過精確控制燃燒過程，可將NOx 排放控制在較低水平。

3.3 技術選擇的影響因素

蘭炭尾氣高效發(fā)電技術的選擇受蘭炭企業(yè)規(guī)模、蘭炭尾氣產量、蘭炭尾氣特性，以及蘭炭企業(yè)的財務狀況、投資策略等多種因素影響。其中，蘭炭企業(yè)規(guī)模和蘭炭尾氣產量是首要考慮的關鍵因素，如大型蘭炭企業(yè)（100 萬t/a以上）適合采用燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術，中型蘭炭企業(yè)（30～100 萬t/a）可考慮內燃機發(fā)電技術，小型蘭炭企業(yè)（30 萬t/a 以下）則更適合余熱鍋爐發(fā)電技術；蘭炭尾氣特性，如熱值、成分和流量穩(wěn)定性，也是蘭炭企業(yè)選擇蘭炭尾氣高效發(fā)電技術的重要影響因素，高熱值、成分穩(wěn)定的蘭炭尾氣更適合燃氣輪機和內燃機發(fā)電技術，而波動較大的蘭炭尾氣更適合余熱鍋爐發(fā)電技術；蘭炭企業(yè)的財務狀況、投資策略同樣會對蘭炭企業(yè)選擇蘭炭尾氣高效發(fā)電技術產生影響，如資金充足、追求長期效益的蘭炭企業(yè)，會更傾向于選擇初始投資較高但能量轉化效率更高的技術。此外，蘭炭企業(yè)還應綜合考慮蘭炭尾氣高效發(fā)電技術的成熟度、市場前景及未來的擴展性，以確保所選技術能夠滿足長期發(fā)展需求。

4 蘭炭尾氣高效發(fā)電技術應用案例研究

4.1 項目背景

山西省某大型蘭炭企業(yè)年產蘭炭量為200萬t，其在蘭炭生產過程中產生了大量蘭炭尾氣（年產蘭炭尾氣約1 億m3），且排放了大量的污染物，因此當地生態(tài)環(huán)境部門對其提出了3 a 內減排污染物50% 以上的要求。面對嚴峻的環(huán)保壓力和能源效率提升需求，該大型蘭炭企業(yè)啟動了蘭炭尾氣綜合利用項目，旨在通過項目的實施降低生產成本、提高經濟效益，同時滿足政府及環(huán)保要求，項目目標包括年發(fā)電量達3 億kWh，污染物排放減少60%，投資回收期不超過5 a。該大型蘭炭企業(yè)組織技術團隊對多家已實施類似項目的蘭炭企業(yè)進行廣泛調研和考察，并邀請行業(yè)專家進行技術論證，經評估確定蘭炭尾氣高效發(fā)電技術最為適合對其蘭炭生產過程中產生的蘭炭尾氣進行資源化利用。

4.2 技術方案選擇

基于項目目標，山西省某大型蘭炭企業(yè)技術團隊對余熱鍋爐發(fā)電技術、燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術、內燃機發(fā)電技術3 種主要蘭炭尾氣高效發(fā)電技術進行了詳細比較分析。燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術不僅具有高能量轉化效率、污染物減排效果良好的優(yōu)勢，還具有顯著的長期經濟效益，符合企業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，有利于企業(yè)實現高發(fā)電量目標和嚴格的減排要求，故該大型蘭炭企業(yè)最終選擇燃氣輪機聯合循環(huán)發(fā)電技術作為核心方案。另外，該大型蘭炭企業(yè)還制定了蘭炭尾氣預處理和余熱利用的配套方案，設計了靈活調節(jié)系統(tǒng)來應對蘭炭尾氣波動，并預留了系統(tǒng)升級和擴容空間。

4.3 實施效果分析

全面評估山西省某大型蘭炭企業(yè)蘭炭尾氣綜合利用項目的實施效果，發(fā)現能源效率方面，企業(yè)發(fā)電量達3.2 億kWh/a，達成了項目目標，系統(tǒng)能量轉化效率達52%，節(jié)約標準煤10 萬t/a；經濟效益方面，創(chuàng)造效益1.6億元/a，其中電力銷售收入1.2 億元/a，節(jié)約能源成本0.4 億元/a，投資回收期4.5 a，生產成本降低了8%；環(huán)境效益方面，污染物排放總量減少65%，達成了項目目標，其中S02排放減少80%，NOx 排放減少70%，粉塵排放減少85%，CO2 排放強度降低25%；社會效益方面，創(chuàng)造了50 個就業(yè)崗位，提升了企業(yè)聲譽。

5 結束語

通過對蘭炭尾氣特性的深入分析和蘭炭尾氣多種高效發(fā)電技術的比較研究， 為蘭炭企業(yè)選擇最適合的蘭炭尾氣資源綜合利用技術提供了科學依據。實際應用效果表明，采用合適的高效發(fā)電技術對蘭炭尾氣進行資源綜合利用，不僅能顯著提高能源利用效率，還能帶來可觀的經濟效益、環(huán)境效益和社會效益。未來，隨技術的不斷進步、政策支持力度的不斷加大，蘭炭尾氣高效發(fā)電技術將會在推動行業(yè)轉型升級和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻

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[3] 房有為，史俊高，安曉熙，等.蘭炭尾氣高效清潔利用技術[J].燃料與化工，2022，53（1）：57-59.

作者簡介

鄭國龍（1978—），男，漢族，內蒙古赤峰人，工程師，大學本科，研究方向為蘭炭尾氣高效發(fā)電技術、蘭炭尾氣資源綜合利用。

加工編輯：唐藝桐

收稿日期：2024-08-26