毕业设计余热锅炉烟气余热利用.doc

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1、目 录第一章 绪 论11.1焦炉煤气的资源及利用现状11.1.1我国焦炉煤气的利用现状11.1.2 国内外焦炉煤气的利用方式21.2我国的能源形势与政策21.3本文的主要研究内容5第二章 焦炉煤气的基本工艺和净化62.1 焦炉煤气的特点62.2 焦炉煤气的工艺流程62.3.焦炉煤气的净化72.3.1焦炉煤气的初冷和焦油氨水的分离72.3.2煤气中焦油雾的清除82.3.3煤气中硫的清除8第三章 发电系统设计及设备选型103.1 公司情况介绍103.2 方案选择103.3 设计及选型123.3.1发电机组的选型123.3.2主要技术参数133.3.3燃气发电机组主要性能特点143.4燃气内燃机尾气

2、余热的利用15第四章 余热锅炉设计174.1 烟气参数的计算174.2 余热锅炉换热系数的计算184.2.1 管外对流换热系数的计算194.2.2管内对流换热系数204.2.3总换热系数的计算234.3阻力计算264.3余热锅炉外形设计与外部附件选型26第五章 节能及技术经济评价275.1投资估算275.2技术经济评估285.2.1技术经济评价285.2.2评价结论295.3节能评估295.3.1煤气消耗量的计算295.3.2发电量计算295.3.3余热锅炉产生的蒸汽量计算295.3.4节能计算30第六章 全文总结316.1论文的结论316.2进一步展望31参 考 文 献33致 谢34附录一：

3、外文翻译及原文附录二：CAD图纸第一章 绪 论1.1焦炉煤气的资源及利用现状1.1.1我国焦炉煤气的利用现状我国生产焦炭的企业类型主要有：钢铁企业附属的焦化厂、城市煤气厂、以生产焦炭为主的独立焦化厂和土焦企业。钢铁企业附属焦化厂中的焦炉煤气利用率比较高,但是利用焦炉煤气生产的产品比较单一，用于发电或深加工的比例较小，存在 高质低用的现象。因此，钢铁企业附属焦化厂富余的焦炉煤气可看作是潜在的可被利用资源。随着“ 西气东输”项目和沿海LNG(液化天然气的简称)气站的建设，部分供应城市煤气的焦化厂，如北京焦化厂、天津煤气厂、山西神州焦化、上海焦化厂、青岛煤气厂等，将面临天然气取代焦炉煤气作为城市燃气

4、的状况。例如，北京焦化厂目前已经被关停。未来这些焦化企业过剩的焦炉煤气迫切希望找到经济、高效的利用途径。因此，城市煤气厂的富余焦炉煤气也可认为是潜在的可利用资源。独立焦化厂的焦炉煤气资源中，只有极少部分的焦炉煤气通过发电、合成氨等方式利用，其余则被直接燃烧后排空。因此，独立焦化厂的这部分焦炉煤气可认为是待利用的资源。土法炼焦是国家明令禁止的，土焦企业技术、设备非常落后，因此不能对焦炉煤气加以利用， 只能直接燃烧后排空。在国家有关部门的严格执法下，不久的将来，我国的土焦炉将全部被关闭。这部分市场份额将主要由独立焦化厂代替，同样面临着焦炉煤气的利用问题。因此，土焦企业的这部分焦炉煤气可认为是潜在的

5、可利用资源。综上所述，2005年我国焦炉煤气资源估算如表1-1所示。表1-1 2005年我国焦炉煤气资源估计焦化企业类型焦炭产量（万吨）焦炉煤气资源（亿）总量焦炉用待利用或潜在可利用机焦钢铁企业焦化厂80433420342城市煤气厂独立焦化厂15042640309331土焦1215522527合计243001034334700从表1-1可以看出，我国焦炉煤气资源非常丰富，每年待利用或潜在可利用的焦炉煤气就有700亿， 仅独立焦化厂每年就有近300亿 的焦炉煤气可以被利用。1.1.2 国内外焦炉煤气的利用方式目前在国内外，焦炉煤气的可利用方式主要有以下几种。（1）焦化厂将焦炉煤气用于加热焦炉的燃

6、料；（2）轧钢厂将净化后的焦炉煤气用作燃料；（3）焦炉煤气用作城市煤气；（4）焦炉煤气用作化工原料合成氨；（5）焦炉煤气用作苯加氢的氢源；（6）焦炉煤气用于锅炉和蒸汽轮机以及燃气轮机发电；（7）焦炉煤气制甲醇；（8）焦炉煤气还原生产海绵铁；（9）焦炉煤气用于燃气内燃机发电。在这些利用方式中，燃气内燃机发电机组是焦炉煤气直接燃烧，再带动发电机组发电，燃气内燃机发电具有以下优点：（1）有利于环境保护。燃气内燃机燃用焦炉煤气（净化、脱硫后）不产生灰份及炉渣，不产生二氧化硫，氮氧化物和二氧化碳的排放量少。（2）发电热效率高。随着燃气内燃机发电技术的成熟，将燃气内燃机用于联合循环发电热效率已达55%，而

7、燃气内燃机的热效率一般在38%左右，热能利用率较高，能大大地节约燃料资源。（3）节约用水。由于燃气内燃机不需水，可节约宝贵的水资源。（4）电厂占地面积。燃气内燃机体积较小，辅助系统少，占地面积一般较其他类型电厂少，可节约宝贵的土地资源。（5）运行维护方便，费用较低。燃气内燃机电厂自动化程度高，操作及控制简单，因而电厂员工仅为其他电厂的一半左右，降低了劳动力成本。另外，由于燃气内燃机电厂设备简单和故障率较低，维护费用较低。（6）具有良好的调峰性能。燃气内燃机单循环起动快，带负荷快，能随时停机，非常适合于每天开停带峰荷的运行方式，是高效率的调峰机组，同时也可做应急电源。（7）工期短。燃气内燃机设备

8、简单且多为组装式，因而其建设工期短，比煤(油)电厂可节省工期一年以上。（8）厂用电率低。燃气内燃机电厂的厂用电率一般为5%，可降低能耗，节约能源。1.2我国的能源形势与政策能源是人类赖以生存和社会进步的重要物质基础。 我国改革开放以来得以实现令世界瞩目的高速经济增长，能源的支持是一个重要因素。我国的能源储量中煤炭资源比较丰富，占世界的份额较大，而石油和天然气相对匮乏。截止2005 年底，我国煤炭的可开采储量为1145亿吨，约占世界的12.6 %，而石油可开采储量为22亿吨，仅占世界的1.3%。我国的能源消费总量从1978 年的5.7 亿吨标准煤上升到了2005 年的22.2亿吨标准煤 ，增长了

9、近4倍，中国已成为世界第二大能源生产国和能源消费国。我国能源的生产和消费均以煤炭为主，以2005年为例，我国的一次能源消费中煤炭占68.7%,石油占 21.2%，天然气占2.8%，水电、核电占7.3% 。 虽然从1991 年至2001年，煤炭在我国一次能源消费中的比例是逐年下降的，如图1-1 所示，但2001年以 后，该比例是逐年上升的，这说明中国以煤为主的能源结构在今后一段时间内难以改变。尽管对中国未来能源需求的预测有不尽相同的结果，但基本结论都显示以煤为主的格局将长期存在。预计到2020年，我国一次能源需求量至少达25-33亿吨标准煤，比较集中的估计是29-30亿吨标准煤， 其中煤炭消费占

10、一次能源比重仍在60%左右。如果2050年要达到目前中等发达国家的经济发展水平，我国人均能源消耗至少要达到3-4吨标准煤，能源需求总量为50亿吨标准煤左右。 图1 - 1我国近年煤炭占一次能源消费的比例我国以煤为主的能源消费结构带来了许多问题，主要表现如下:( 1 ) 煤炭资源形势严峻，煤炭生产任务艰巨煤炭是不可再生能源，按目前的可开采储量和每年的开采量计算，煤炭可开采的年限不超过70年。( 2 ) 交通运输面临巨大的压力中国的煤炭资源分布相对集中，大部分分布在山西、陕西、内蒙西部、新疆北部和云贵川等省，这些地区的煤炭资源占总量的85.3%，而13个沿海工农业发达省、市的煤炭资源仅占煤炭资源总

11、量的3.4 %。因此，我国主要煤炭生产地和主要消费地严重背离，造成了目前北煤南运、西煤东调的煤炭运输格局。我国的交通运输能力本身就十分紧张，随着能源消费的增加，交通运输业必然面临着巨大的压力。 ( 3 ) 以煤为主的能源消费结构带来了严重的环境污染和破坏我国长期以煤炭作为能源利用的主体，造成的大气污染十分严重。目前，中国燃煤电厂安装烟气脱硫装置的比例非常低,2005年新投产的姗煤机组的装机容量达到5500万千瓦，但安装并运行脱硫装置的只有40%。2005 年，全国SO2仇排放总量高达2549万吨，居世界第一位，中国酸雨区已约占全国面积的30 %。酸沉降、光化学烟雾、细颗粒物己经在城市密集地区构

12、成严重的区域性污染，燃煤是造成上述污染的主要原因门 .与此同时，煤炭开采过程也破坏了大量的 水资源和土地，造成了地表塌陷、水土流失、沙漠化、固体废弃物对土地的压占和污染等，我国因煤炭开采而引发的土地塌陷面积已达40万公顷。( 4 ) 温室气体的排放不断增加我国目前排放量仅次于美国，居世界第二位。是造成全球气候变暖的主要污染物，所引起的危害可能有:早涝灾害、淡水资源分布不均加剧、传染病蔓延趋势增长、海平面升高淹没低地、冰川消失、稀有物种灭绝等。 尽管中国的人均排放量不高， 但巨大的总量和快速的排放增长已经引起国际社会担忧。预计在2001年至2025年间，中国的排放量将从占西欧国家总排放量的8%上

13、升到167%，从美国排放量的53 %上升到82 %, 2030年中国将成为第一大排放国 。我国已于2002年9 月加入了京都议定书，虽然目前还没有减排的任务，但从长远来看，中国作为一个负责任的大国，必然要在未来承担一定的减排义务。事实上，中国已经同加拿大、意大利和法国等发达国家就议定书框架下的“ 清洁发展机制(CDM) ”展开了项目合作.总之，我国经济的快速增长必然要伴随着能源消耗，特别是煤炭消耗的增加.但是，我国以煤为主的能源消费结构同时也带来了日益严重的空气、水和其它形式的污染。党的“ 十六大”提出中国全面建设小康社会，2020年国内生产总值力争在2000年基础上翻两番. 为了完成这一目标

14、， 我国必须建立可持续发展的经济、 社会、资源、能源和环境体系，必须走一条符合实际的，科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源得到充分发挥的新型工业化道路。 国家经贸委、财政部、国家税务总局1996年8月9日下发的关于进一步开展资源综合利用的意见、国务院国发(1996)36号国务院批转国家经贸委等部门关于进一步开展资源综合利用意见的通知、国家经贸委资源节约综合利用司1996年12月关于“关于进一步开展资源综合利用的意见”若干主要问题的说明、国务院1996年8月3日国务院关于环境保护若干问题的决定等文件中均明确指出，对生产过程中产生的废渣、废水(液)、废气、余热、余压等进行回收和

15、合理利用，支持资源综合利用电厂生产电力。单机容量0.512MW范围内的发电机组符合并网条件，电力部门都应允许并网，签订并网协议，免交上网配套费，并在核定的上网电量内优先购买，不参加电网调峰。国家经贸委1999年4月26日下发的关于关停小火电机组有关问题的意见中也明确指出，对于综合利用的小火电机组，不在关停范围内。国家有关部门和电网企业要按照国家对综合利用的有关政策继续给予支持。1.3本文的主要研究内容从前面的分析可以看出，我国每年待利用的焦炉煤气数量巨大。为实现资源的综合利用，本文以此为研究课题，着重研究了利用焦炉煤气发电的可行性以及对其尾气中余热利用的问题，以期最大限度地提高焦炉煤气资源的利

16、用数量和效率。本课题的主要研究内容有:1炼焦的基本生产工艺首先了解焦炉煤气的特点，包括焦炉煤气的成分，以及焦炉煤气的一些物理特性。然后了解焦炉煤气生产的工艺流程和各个流程基本的工作。最后了解焦炉煤气净化过程，包括焦炉煤气的冷却，除焦油，除硫等元素的过程和方法。2焦炉煤气发电系统的设计与选型首先介绍是公司概况以及企业所需要达到的要求，然后发电系统的设计与选型包括发电机组的比较选择，发电机组的各个参数的对比选择，以及后面发电机组数量的确定以及设备备用等情况的选择。3焦炉煤气发电系统高温尾气的综合利用高温尾气的余热利用为本论文主要研究的内容，其主要为余热锅炉的设计，包括设计锅炉的形式以及采用的换热形

17、式，锅炉的具体设计又包括锅炉换热面积的设计，外壳的设计以及内部换热管的设计以及换热系数等等参数的计算。4焦炉煤气系统的节能及经济评价通常决定一种技术能否在实践中得到快速应用的关键因素之一是其经济性，如成本、投资回收期等。本文选取焦炉煤气发电系统的投资、总成本费用和流动资金等进行了计算，评价了基准项目的技术经济性。研究了系统产品成本的分摊方法，进行了燃料( 原料)价格、产品价格和产品产量的敏感性分析，评价了规模扩大对项目经济性的影响，针对不同规模的焦化厂，选出了最佳投资项目。第二章 焦炉煤气的基本工艺和净化2.1 焦炉煤气的特点焦炉煤气是指用几种烟煤配成炼焦用煤，在炼焦炉中经高温干馏后，在产出焦

18、炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体，是炼焦产品的副产品。主要作燃料和化工原料。焦炉煤气的特点：1、焦炉煤气发热值高1672018810，可燃成分较高（约90%左右）；2、焦炉煤气是无色有臭味的气体；3、焦炉煤气因含有CO和少量的而有毒；4、焦炉煤气含氢多，燃烧速度快，火焰较短；5、焦炉煤气如果净化不好，将含有较多的焦油和萘，就会堵塞管道和管件，给调火工作带来困难；6、着火温度为600650 。7、焦炉煤气含有（550%），（2327%），CO（58%），（1.53.0%），（37%），（0.5%），(24%)，密度为0.450.50 。2.2 焦炉煤气的工艺流程炼焦生产工艺流程:现代焦炭生产过

19、程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。工艺流程图如下图2-1：干 燥原煤场配 煤洗 煤贮煤场筛 分熄 焦炭化室焦炉煤气饱和器初冷器焦 炭粉 碎贮煤塔图2-1炼焦工艺流程图 1）洗煤原煤在炼焦之前，先进行洗选，目的是降低煤中所含的灰分和去除其他杂质。 2）配煤将各种结焦性能不同的煤按一定比例配合炼焦，目的是在保证焦炭质量的前提下，扩大炼焦用煤的使用范围，合理地利用国家资源，并尽可能地多得到一些化工产品。 3）炼焦将配合好的煤装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下通过两侧燃烧室加热干馏，经过一定时间，最后形成焦炭。炭化室内成焦过程如图2-2所示： 图2-2结焦过程示意图 4）炼焦的产品处理 将炉

20、内推出的红热焦炭送去熄焦塔熄火，然后进行破碎、筛分、分级、获得不同粒度的焦炭产品，分别送往高炉及烧结等用户。熄焦方法有干法和湿法两种。湿法熄焦是把红热焦炭运至熄焦塔，用高压水喷淋6090s；干法熄焦是将红热的焦炭放入熄焦室内，用惰性气体循环回收焦炭的物理热，时间为24h。 在炼焦过程中还会产生炼焦煤气及多种化学产品。焦炉煤气是烧结、炼焦、炼铁、炼钢和轧钢生产的主要燃料。2.3.焦炉煤气的净化2.3.1焦炉煤气的初冷和焦油氨水的分离煤气初冷的目的：一是冷却煤气，二是使焦油和氨水分离，并脱除焦油渣。在炼焦过程中，荒煤气从焦炉炭化室经上升管溢出的温度为650-750C，首先需要经过初步冷却，将煤气温

21、度降至22-35C，荒煤气中所含的大部分水汽、焦油气、萘及固体微粒被分离出来，部分硫化氢和氰化氢等腐蚀物质也溶于冷凝液中，从而减少净化设备及管道的堵塞和腐蚀；煤气经冷却后，体积变小，从而使减少将煤气送往后续净化工序的动力消耗；较低的煤气温度，也是保证煤气净化效果及炼焦化学产品回收率和质量的先决条件。煤气的初步冷却分两部进行：第一步是在集气管及桥管中用大量的循环氨水喷洒，使煤气的温度冷却达到82-86C；第二步在根据后续煤气净化工艺的要求在煤气初冷器中冷却到22-35C。煤气在桥管和集气管内的冷却，是用表压为0.15-0.2MPa的循环氨水通过喷头强烈喷洒进行的，当细雾状氨水与煤气充分接触时，由

22、于煤气温度很高而湿度又很低，故氨水吸收煤气显热并大量蒸发，两者间快速进行着热和质的传递。传热过程取决于煤气和氨水的温度差，煤气将热量传给氨水得以冷却，所传递的热量为显热，约占煤气冷却放出热量的10%-15%。传质过程的推动力是循环氨水液面上的水汽分压和煤气中水汽分压之差，氨水部分蒸发，煤气温度急剧降低，以供给氨水蒸发所需的潜热，此部分热量约占煤气冷却所放出总热量的75%-80%。另有约占所放出总热量的10%的热量有集气管表面散失。通过上述过程煤气温度由650-750C降至82-86C，同时有60%左右的焦油气冷凝下来。由于煤气的冷却主要靠氨水的蒸发，所以，氨水喷洒的雾化程度好，循环氨水的温度较

23、高，氨水蒸发量大，煤气冷却效果就越好；反之亦然。煤气有集气管沿吸煤气主管流向煤气初冷器。吸煤气主管除将煤气由焦炉引向后续净化工艺装置外，还起着空气冷却剂的作用，但煤气温度降低程度取决于煤气管的长短和环境温度，一般可降低1-3C。煤气进入初冷器的温度仍然很高，且含有大量的水汽和焦油气，需在冷却器中冷却到22-35C，并将大部分焦油气和水汽冷凝下来。目前国内广泛采用的煤气初步冷却的方式有：间接冷却、直接冷却和间接-直接冷却三种。上述三种方式各有优缺点，需要根据生产规模、工艺要求以及其他条件选择采用。2.3.2煤气中焦油雾的清除 初冷器后煤气中焦油雾的含量一般为2.0-5.0（立管式初冷器后）或1.

24、0-2.5（横管式初冷器后或直接冷却塔后）。煤气净化工艺要求煤气中焦油雾含量低于0.02，否则对煤气净化操作有严重影响。焦油雾是煤气冷却过程中形成的，它以内充满煤气焦油气泡状态或极细小的焦油滴存在煤气中。清除焦油雾的方法很多，但从焦油雾的大小所要求的净化程度来看，采用电捕焦油气最为经济可靠，效率可达98%以上。2.3.3煤气中硫的清除焦炉煤气中所含的硫化氢、氰化氢以及氨是有害的物质，他们腐蚀化学产品回收设备及煤气储存输送设施，还会污染厂区环境。硫化氢燃烧生成的二氧化硫、氰化氢及氨燃烧产生的的氮氧化物均有毒，会严重影响环境。所以，焦炉煤气中的硫化氢、氰化氢和氨应予清除。硫化氢（）在常温下是一种带

25、刺鼻气味的无色气体，燃烧时能生成有毒的二氧化硫,在空气中含有0.1%就能使人致命。焦炉煤气中的硫化物按其化合物状态可分为两类：一类是硫的无机化合物，主要是；另一类是硫的有机化合物。煤气中所含的硫约占硫总量的90%以上。焦炉煤气脱硫不但可以提高煤气质量，同时还可以生产硫磺或者硫酸，有效的保护环境，变害为利，综合利用。煤气的干法脱硫早在19世纪就已经得到应用。干法脱硫具有工艺简单、成熟可靠、可以较完全的除去煤气中的和大部分氰化氢等优点，所以至今一直得到采用，焦炉煤气的干法脱硫较多采用的是氢氧化铁法。氢氧化铁法脱硫是将焦炉煤气通过含有氢氧化铁的脱硫剂，使与反应生成或。当硫在脱硫剂中富集到一定程度后，

26、使脱硫剂与空气接触，在有水分存在时，空气中的氧将贴的硫化物有转化为氢氧化物并生成单体硫，脱硫剂即得到再生并可继续使用。当煤气中含有氧时，则脱硫和脱硫剂的再生可同时进行。经过反复的吸收和再生后，硫磺就在脱硫剂中聚集，并逐步包住活性的颗粒，使其的脱硫能力逐渐降低。所以当脱硫剂上含有30%40%（质量）的硫磺时，需要更换新的脱硫剂。脱硫剂应含有占风干物料50%以上的氧化铁，氧化铁中活性氢氧化铁含量应在70%以上。在装入脱硫箱时，不应含有腐殖酸或腐殖酸盐，其PH应大于7。如腐殖酸类类的含量大于1%，将会引起脱硫剂的的氧化，从而降低其硫容量和反应速度，进而可能由于硫磺菌的作用，而使硫从已形成的硫化物中的

27、形态分解出来。此外为使脱硫剂在使用中不因硫的集聚而过于增大体积和变得密实，脱硫剂在自然状态下应该是疏松的，湿料堆密度不宜大于0.8kg/L。按上述要求，脱硫剂可用磨碎的沼铁矿或铁屑和锯木屑按照体积1：1的比列混合制成，再加上约0.5%（质量）的熟石灰以使脱硫剂呈碱性（PH为89），并用水均匀调湿至含水分30%40%。用铁屑置备的脱硫剂，需置于空气中约三个月，并定期翻晒，以使其充分氧化。干法脱硫装置可分为箱式和塔式两种，常用的为多箱式。箱式干法脱硫装置整个设备为一长方形的槽，箱体可以用钢板焊接或者用钢筋混凝土制成，内壁涂一层沥青或沥青漆。整个干法脱硫装置由四组设备组成，一般用三组并联操作，另外一

28、组设备备用。干法脱硫可能达到的净化话程度很高，一般可以达到0.10.2（标）煤气。但是箱式脱硫装置设备比较笨重，占地面积大，需要更换脱硫剂时劳动强度大。第三章 发电系统设计及设备选型3.1 公司情况介绍湖南省资兴焦电股份有限公司于2001年3月筹建，8月份正式成立。其前身为资兴矿务局煤电焦化总厂，始建于1958年，是集洗煤、炼焦、发电、化工、建材于一体的综合利用企业。该公司现有炼焦生产规模维持在34万t/a左右，每年消耗洗精煤约45万吨。每月炼焦生产规模约2.8万吨，每炼制一吨焦将生产煤气420，其中约55%的煤气用于焦炉本身，其他用气单位消耗的煤气约为16.5%，而其余的部分则直接对外排放。

29、为实现资源的综合利用，减少焦炉煤气对周边环境污染，设计一个发电系统并对其进行节能分析。3.2 方案选择目前,利用焦炉煤气发电的技术方案主要有以下三种：第一种，利用蒸汽轮机发电这种方法是锅炉直接燃烧焦炉煤气，将煤气的热能通过锅炉内的管束把水转换为蒸汽，利用蒸汽推动汽轮机再驱动发电机发电。这是我国焦化企业采用较多的发电技术。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。该方法的优点是：对焦炉煤气的要求比较低。燃气处理系统比较简单，技术成熟。缺点是：整个发电系统比较复杂，建设周期比较长，电站一旦建成就难以再移动，同时

30、必须消耗大量的水资源，占地较多，需要的管理人员也比较多，对于单机功率几千乃至几万千瓦的机组来说，机组的效率较低，大约在20%左右。目前有一些焦化厂在采用这种发电技术。第二种，采用燃气轮机发电燃气轮机是以气体为工质、经压缩、加热后在透平中膨胀，将部分热能转换为机械能的旋转式动力机械。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。但燃气轮机自身的发电效率不是很高，一般在30%35%，所产生的废热烟气温度高达450550，可通过余热锅炉再次回收热能转换蒸汽，驱动蒸汽轮机再发电，实现燃气蒸汽联合循环。但是，目前燃气轮机在性能、可靠性和寿命方面都不尽人

31、意。焦炉煤气燃气轮机发电存在以下问题：一是焦炉煤气净化问题，由于燃气轮机是高速旋转的机械，所以其对燃气品质的要求就很高，包括机械杂质、水分、腐蚀性物质如硫化氢等，一旦达不到要求，将会对叶片造成严重损伤，而这种故障在现场是无法处理的。二是燃料进气压力比较大，越是发电效率高的机组燃料进气压力越高，因为焦炉煤气本身没什么压力，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。此外，燃气轮机对操作人员的要求高，且机组现场维修困难，一旦出现故障，必须由专业人员或返回制造厂家修复。燃气轮机在我国焦炉煤气利用上进行过不少的尝试，但是

32、由于实际存在的问题，燃气轮机在焦化领域的应用还存在不少问题。第三种，采用燃气内燃机发电燃气内燃机发电方式是最近几年发展起来的新技术，其工作原理与车用发动机类似，需要火花塞点火。由于燃气内燃机气缸内的核心区域工作温度可达1400，使其效率超过了蒸汽轮机，甚至燃气轮机。该方案现主要应用在单机功率2 MW以下的小型发电机组发电，发电效率约为3236%。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，对气体的品质要求不高，对于风扇水箱式机组用水量很少，设备的单位千瓦造价也比较低。内燃机对焦炉煤气中的水含量和硫化氢含量比燃气轮机的要求低得多，根据近几年的使用情况来看，对焦炉煤气稍

33、加处理即可满足要求。通过对比上述三种各方案，将各方案中主要设备的特点列入下表。表3-1焦炉煤气发电设备特点性能比较蒸汽轮机燃气轮机燃气内燃机建设周期周期长周期较长周期短建设造价每千瓦4000-5500元每千瓦约4500元每千瓦约3500元电站自耗电量自耗电量大可达到20%以上自耗电量大（可达到15%20%）自耗电量少，小于发电量的5%建站辅助设备辅助设备多辅助设备多辅助设备少机组特点单机功率大，适于建立大功率燃气电站，一般为几十万千瓦单机功率较大，适于建立中型燃气电站，一般为几万千瓦到几十万千瓦单机功率相对小，建站灵活，适合于建设几千千瓦到几万千瓦的电站机组运行与维护运行可靠，机组操作人员多，

34、操作复杂，对人员要求高运行可靠，机组机构复杂，对操作人员要求高机组运行可靠，对操作人员要求相对低对气源要求对气源要求低对气源要求高焦炉煤气需脱硫脱萘处理，燃气需要加压对气源要求不高，达到一般工业用标准，压力达到3kPa以上即可综合考虑各方案煤气利用效率、技术成熟程度煤气净化要求、投资情况等各方面的优缺点，选择第三种方案应用于焦炉煤气发电。3.3 设计及选型高炉煤气发电具有节能、环保和创效等综合效益，是一项利国利民的工作。它在一定程度上改善能源结构，缓解区域性电力短缺，提高企业生产效益。高炉煤气经过燃烧发电以后，还降低了直接排放给环境带来的污染。下图为焦电企业生产工艺图: 图3-1 焦电生产工艺

35、图从图中可以看出本设计所需要做的工作在于选择合适的方案来利用企业浪费的焦炉煤气，即虚框所示。3.3.1发电机组的选型发电机组设备选用胜利油田动力机械有限公司的产品，其燃气发电机组特性主要表现在以下几个方面：(1)可适用于含量较高的燃气成份,采用多点电控喷射技术,保证了燃气机组各缸的充分良好燃烧,保证了机组的平稳运转。(2)可适应低压力的燃气,不必增压,减少投资和提高有效发电量。(3)发电效率高,系统自耗电少,机组热效率可达32%35%,若实现热电联供,热效率可达80%以上。(4)机组运行灵活。可单台使用,也可多台组合使用,可并机,也可并网;可根据厂内自身实际用电负载的需要控制发电量大小并可根据

36、实际用电负荷的差异,随时调整运行机组的数量,有效利用设备资源,减少运行成本。 (5)机组的配气系统采用专为燃气发电机设计的凸轮轴及其他配气机构,具有独特的配气相位、配气夹角、点火提前角等,可使发动机达到较佳的燃烧效果。目前胜动焦炉煤气机组有120GF153-T 、400GF-T、 500GF-RJ 、1200GF-T 、2000GF-T型燃气发电机组。这几种型号的燃气内燃发电机主要参数如表3-2所示：表3-2 主要机型燃气内燃发电机技术参数项目 单位120GF153-T 400GF-T500GF-RJ1200GF-T2000GF-T额定输出功率kw12040050012002000发动机转速

37、Rpm 100010001000 10001000最小气源压力0.15 0.150.0150.015 0.015能量消耗（低热的） MJ/kWh12.512.5 12.510.5 10.5焦炉煤气耗量 90298325 750 1250发电热效率 % 28.928.8 32.7 34.134.1 供热效率 % 47.250.56 47.748.5547.45总热效率 % 76.179.3680.4080.68 81.55热电比 % 163 175146137 140焦炉煤气热值为 16.8这几种产品中，型号为500GF-RJ的机组应用最为广泛，其技术成熟，性价比高。因此，从公司剩余焦炉煤气量和

38、性价比综合考虑，本设计中选用500GF-RJ型机组。根据该公司每月产焦量可计算出本设计中所需发电机组台数，计算如下：按照每月30天计算：M=2.83024=38.89吨/h=38.89420=16333.8=16333.8（1-55%-16.5%）=4655.133N=4655.133325=14.32台 取整为15台因考虑机器需要维护或出现特殊情况，增加一台机器备用，故整个系统需要发电机组为16台。3.3.2主要技术参数 机组由12V190ZL燃气机与西门子技术生产的发电机配套组成，发动机采用增压中冷、电子调速（美国WOODWARD公司的电子调速器）、TEM控制系统结构形式，能实现远程控制。

39、该机组应用我国具有自主知识产权的电控混合技术、发动机防回火爆燃技术和增压技术，解决了因焦炉煤气含氢比例高，爆炸范围宽、点火能量小、燃烧速度快而带来的发动机工作不稳定现象。其经济效益可观，环保效果显著。该公司自行研制的数字点火系统性能可靠，提高了机组的可靠性。空气和燃气单独增压的结构形式大大降低了对燃气成份的要求，TEM控制系统提高了机组的自动化程度，确保机组安全运行。燃料范围：天然气、沼气、煤矿瓦斯气、焦化尾气等。 500GF-RJ型焦炉尾气发电机组经济技术指标如表3-3所列出。表3-3 500GF-RJ发电机组经济技术指标参 数 名 称参 数 值机组型号500GF-RJ发动机型号12V190

40、ZL气缸数12额定功率 kW320额定电压 V400额定频率 Hz50额定转速 r/min1000额定功率因数 cos0.8（滞后）燃气热耗率 MJ/kWh11机油消耗率 g/kWh1.5冷却方式强制水冷润滑方式压力和飞溅润滑起动方式24V直流电起动外形尺寸，lbh mm504019702690净质量 kg120003.3.3燃气发电机组主要性能特点12V190ZL型燃气内燃机属于往复式、四冲程内燃机,与柴油机、汽油机工作原理相似。主要由机体、曲轴、连杆活塞、缸盖、点火系统、冷却系统等组成。发动机用计算机控制合理的匹配空气与燃气比例,火花塞点火，实现最佳燃烧，完成做功过程。该机主要性能特点有：

41、(1)采用电控混合技术：用计算机控制合理的匹配空气与燃气的比例,可根据可燃气浓度的变化，对混合气空燃比进行实时自动闭环调节,解决了燃气机因可燃浓度变化而造成的发动机熄灭、爆燃、进气管回火等问题以适应焦炉煤气浓度变化大、热值低的特点。(2)采用数字点火技术，由ECU根据燃气机的不同工况,从软件上调整点火能量和点火时间。(3)采用预燃室技术,先由火花塞点燃预燃室的混合气,然后出现多个着火点,增大点火能量,引燃燃烧室的混合气,提高燃烧速度,降低发动机的热负荷,降低气耗率,提高效率。(4)采用增压中冷技术,先将空气与燃气经过增压器增压,再经过冷却器冷却后进入气缸。燃气发电机组特点有以下几个方面：（1）

42、可适用于燃气成份变化的燃气发电，计算机闭环控制，自动跟踪成份变化，保证良好燃烧，保证机器运转平稳。（2）可适应低热值的燃气；（3）可适应极低压力的燃气，不必增压，减少投资和提高有效发电量，不必专门建燃气储存罐；（4）可适应高含氢的燃气；（5）机组自成体系，辅助设备；（6）建站简单，不必建工房，投资少；（7）建站周期短，一般不超过一个月，见效快；（8）运行费用低；（9）机组可单台使用，也可多台组合使用，可并机，也可并网；（10）机器质量可靠，机组功率是同等柴油机功率的50%多一点，机械负荷小，转速低，（1000车/分，同等柴油机15000转/分）；（11）主要要控制部分部件如调带器、火花塞等，均

43、采用世界最先进的进口部件；（12）机组的各种保护系统齐全；（13）技术成熟，有近20年的生产历史；（14）备件充足，服务及时。 焦炉煤气脱焦脱硫防回火烟气除尘脱水计量表燃气发电机组脱水上网图3-2 焦炉煤气发电工艺流程图根据前面的分析，焦炉煤气在经除焦、脱硫及除尘后，可利用燃气内燃机组发电，其发电的工艺流程图如下所示。3.4燃气内燃机尾气余热的利用与燃煤相比，燃烧焦炉气虽然排放的二氧化硫及氮氧化物的含量很少，减轻了对环境的压力。然而，燃气内燃机的排气温度在500550之间，如直接排放将造成了能量的严重浪费。为了充分利用这部分热量，考虑尾气余热回收利用。根据所选用的发电类型和设备类型，该公司焦炉

44、煤气发电流程及内燃机尾气余热利用流程图如下：图3-3 焦炉煤气发电过程及尾气余热利用流程根据上图3-3所示流程可知，焦炉煤气在内燃机内燃烧发电时所排除的高温气体通过余热锅炉进行换热，用高温尾气加热水产生水蒸气。本文在下一章重点对余热回收装置余热锅炉进行了设计。第四章 余热锅炉设计4.1 烟气参数的计算根据前面的分析，焦炉煤气经过燃气内燃机发电后，其排温度仍高大500550。为保证余热锅炉的换热面积，设计中假定烟气温度为550。余热锅炉进口烟温=550，出口烟温=200 375烟气流速V=28.8m/s.烟气流量，其中A=0.05557。因为测得烟气平均全压P=0.053kPa，约为一个大气压。

45、烟气的成分如下：表4-1烟气成分测定结果类别COCO2O2HCNON2H2O比例 / (%)0.272.9414.610.02270.016764.1418.00由于个别成比例很少，因此按照3%的、15%的、64%的、18%的（汽）计算，常压下375时各成分的比热：的比热（）=1.0425kJ/(kgK)的比热（）=0.917kJ/(kgK)的比热（）=0.9345kJ/(kgK)（汽）的比热（）=1.95kJ/(kgK)标况下，各成分的密度如下： 的密度=1.976（汽）的密度=0.00485的密度=1.251的密度=1.429根据密度计算公式： (4-1)式中：P气体的据对压强，kpa; T气体的热力学温度，K;计算所得375的烟气各成分的密度：=0.8325=0.0020=0.527=0.602则根据各成分所占比例求出烟气在375下的密度、比热分别如下：=3%15%64%18% =0.453=3%（）15%（）64%（）18%（） =1.186kJ/(kgK)烟气的质量流量，=0.453kg/m3，计算结果为5761.5m3/h，Nm3/h,=2610kg/h.标准状况下烟气的速度=12.1Nm/s烟气放出热量