摘要：蘭炭產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)重要的能源化工產(chǎn)業(yè)之一，年產(chǎn)量較大。蘭炭生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的蘭炭尾氣，且如果處理不當(dāng)，將給環(huán)境造成嚴(yán)重污染，為更好地對(duì)蘭炭尾氣資源進(jìn)行綜合利用，聚焦于蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)采用適當(dāng)技術(shù)可將蘭炭尾氣的能量轉(zhuǎn)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(shí)施蘭炭尾氣綜合利用項(xiàng)目，采用燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了蘭炭尾氣資源綜合利用，還達(dá)成了年發(fā)電量3 億kWh 的目標(biāo)，能源利用效率顯著提高。

關(guān)鍵詞：蘭炭尾氣；資源綜合利用；高效發(fā)電技術(shù)；能量轉(zhuǎn)化效率；清潔生產(chǎn)

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(guó)蘭炭年產(chǎn)量超1 億t，但其生產(chǎn)過程產(chǎn)生的尾氣年排放量也非?？捎^。蘭炭尾氣若處理不當(dāng)就會(huì)成為環(huán)境污染源，而處理得當(dāng)則會(huì)成為資源。因此，隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，蘭炭尾氣資源的綜合利用愈發(fā)受到關(guān)注。高效發(fā)電技術(shù)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(shù)，并通過實(shí)際案例評(píng)估應(yīng)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(chǎn)過程中產(chǎn)生的復(fù)雜氣體混合物，其主要成分包括可燃?xì)怏w和不可燃?xì)怏w2 大類?？扇?xì)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?xì)怏w主要有二氧化碳和氮?dú)?，其中二氧化碳含量?5%～25%，氮?dú)夂靠蛇_(dá)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(zhì)[1]。因此，蘭炭尾氣的組成會(huì)受原料煤種類、炭化工藝參數(shù)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(jià)值的關(guān)鍵因素。由于蘭炭尾氣含有大量可燃?xì)怏w，因此其熱值較高，一般在3000～5000 kJ/m3，甚至部分蘭炭生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生的蘭炭尾氣熱值可達(dá)6000～7000 kJ/m3，為蘭炭尾氣的能源化利用提供了良好基礎(chǔ)。在流量特征方面，雖然蘭炭尾氣的產(chǎn)生具有連續(xù)性，但其流量和成分會(huì)隨生產(chǎn)工況的變化而波動(dòng)。一般情況下，每生產(chǎn)1 t 蘭炭會(huì)產(chǎn)生300～500 m3 的蘭炭尾氣，流量波動(dòng)范圍通常在±15% 以內(nèi)，但在生產(chǎn)工藝調(diào)整、設(shè)備啟停等特殊情況下，流量波動(dòng)幅度可能更大。

2 蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)

2.1 余熱鍋爐發(fā)電技術(shù)

余熱鍋爐發(fā)電技術(shù)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(chǎn)蒸汽，再通過汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化為電能。余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)主要由鍋爐本體、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和輔助設(shè)備組成。蘭炭尾氣進(jìn)入鍋爐后，通過熱交換將能量傳遞給水，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。

余熱鍋爐發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠性高、投資成本相對(duì)較低，但其能量轉(zhuǎn)化效率較低，通常在25%～35% 之間。為提高余熱鍋爐發(fā)電技術(shù)能量轉(zhuǎn)化效率，可采用多級(jí)余壓利用技術(shù)，如中溫中壓和低溫低壓級(jí)聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)[2]。此外，余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需考慮蘭炭尾氣成分和流量的波動(dòng)性，采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)措施以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

如表1 所示的數(shù)據(jù)總結(jié)了余熱鍋爐發(fā)電技術(shù)在不同規(guī)模蘭炭企業(yè)的應(yīng)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(zhuǎn)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(shè)備效率的提高。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)是一種高效的蘭炭尾氣利用方式，其結(jié)合了燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的優(yōu)勢(shì)，能量轉(zhuǎn)化效率較高。燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要由燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)3 部分組成。該技術(shù)流程為蘭炭尾氣經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電，而后燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，再驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)進(jìn)行二次發(fā)電。

燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)45%～55%，且發(fā)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力適應(yīng)性。但燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)進(jìn)氣質(zhì)量的要求較高，因而需對(duì)蘭炭尾氣進(jìn)行深度凈化處理后方能進(jìn)行資源化利用，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜度和投資成本增加。

根據(jù)表2 所示的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)在不同規(guī)模蘭炭企業(yè)的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)在大型蘭炭企業(yè)中表現(xiàn)更為出色，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)50% 以上，顯著高于傳統(tǒng)余熱鍋爐發(fā)電系統(tǒng)。

2.3 內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)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?xì)鈨?nèi)燃機(jī)直接將蘭炭尾氣作為燃料進(jìn)行發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)主要由燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)和蘭炭尾氣處理裝置組成。蘭炭尾氣經(jīng)處理裝置凈化和調(diào)質(zhì)后進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)燃燒，燃燒產(chǎn)生的能量推動(dòng)活塞做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。

內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)不但系統(tǒng)啟停靈活、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，適合中小型蘭炭企業(yè)使用，而且其單機(jī)容量較小，便于模塊化設(shè)計(jì)和分布式安裝。然而，由于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)對(duì)燃料氣質(zhì)量要求較高，因此需對(duì)蘭炭尾氣進(jìn)行深度凈化和穩(wěn)定化處理。

根據(jù)如表3 所示的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)在不同規(guī)模蘭炭企業(yè)的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)在中小型蘭炭企業(yè)中表現(xiàn)良好，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)38%～42%，介于余熱鍋爐與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)之間，因此內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)更適合蘭炭尾氣量不足以支持大型聯(lián)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(shù)的比較與選擇

3.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

余熱鍋爐發(fā)電技術(shù)具有初始投資低（2000～3000 元/kW）和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)，適合資金有限的中小型蘭炭企業(yè)，但其能量轉(zhuǎn)化效率僅為25%～35%，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益較低；燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)雖然初始投資高（4000～5000 元/kW），但能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)45%～55%，適合大型蘭炭企業(yè)，其通過規(guī)模效應(yīng)可降低單位投資成本，從長(zhǎng)期來看能實(shí)現(xiàn)較高的投資回報(bào)率；內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)的投資成本（3000～4000 元/kW）和能量轉(zhuǎn)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?qū)`活性要求較高的項(xiàng)目。因此，蘭炭企業(yè)在選擇蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)時(shí)，可結(jié)合自身的資金實(shí)力、風(fēng)險(xiǎn)承受能力和項(xiàng)目的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益，以及技術(shù)的成熟度、設(shè)備壽命、維護(hù)難度等因素綜合考慮，確保投資決策的科學(xué)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(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生顯著的環(huán)境效益，主要體現(xiàn)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(shù)能有效回收蘭炭尾氣熱能，減少熱污染，但由于其能量轉(zhuǎn)化效率較低，在單位發(fā)電量上的污染物減排效果較差；燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)因具有高能量轉(zhuǎn)化效率特性，故可在單位發(fā)電量上實(shí)現(xiàn)最大程度的污染物減排[3]，且其聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的低溫?zé)煔庥欣诤罄m(xù)的煙氣處理，可進(jìn)一步降低NOx 等污染物的排放；內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)在NOx 排放控制上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(shù)選擇的影響因素

蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)的選擇受蘭炭企業(yè)規(guī)模、蘭炭尾氣產(chǎn)量、蘭炭尾氣特性，以及蘭炭企業(yè)的財(cái)務(wù)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(chǎn)量是首要考慮的關(guān)鍵因素，如大型蘭炭企業(yè)（100 萬t/a以上）適合采用燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，中型蘭炭企業(yè)（30～100 萬t/a）可考慮內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)，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(shù)；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(shù)的重要影響因素，高熱值、成分穩(wěn)定的蘭炭尾氣更適合燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)，而波動(dòng)較大的蘭炭尾氣更適合余熱鍋爐發(fā)電技術(shù)；蘭炭企業(yè)的財(cái)務(wù)狀況、投資策略同樣會(huì)對(duì)蘭炭企業(yè)選擇蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生影響，如資金充足、追求長(zhǎng)期效益的蘭炭企業(yè)，會(huì)更傾向于選擇初始投資較高但能量轉(zhuǎn)化效率更高的技術(shù)。此外，蘭炭企業(yè)還應(yīng)綜合考慮蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)的成熟度、市場(chǎng)前景及未來的擴(kuò)展性，以確保所選技術(shù)能夠滿足長(zhǎng)期發(fā)展需求。

4 蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)應(yīng)用案例研究

4.1 項(xiàng)目背景

山西省某大型蘭炭企業(yè)年產(chǎn)蘭炭量為200萬t，其在蘭炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量蘭炭尾氣（年產(chǎn)蘭炭尾氣約1 億m3），且排放了大量的污染物，因此當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境部門對(duì)其提出了3 a 內(nèi)減排污染物50% 以上的要求。面對(duì)嚴(yán)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(dòng)了蘭炭尾氣綜合利用項(xiàng)目，旨在通過項(xiàng)目的實(shí)施降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)滿足政府及環(huán)保要求，項(xiàng)目目標(biāo)包括年發(fā)電量達(dá)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(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)多家已實(shí)施類似項(xiàng)目的蘭炭企業(yè)進(jìn)行廣泛調(diào)研和考察，并邀請(qǐng)行業(yè)專家進(jìn)行技術(shù)論證，經(jīng)評(píng)估確定蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)最為適合對(duì)其蘭炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的蘭炭尾氣進(jìn)行資源化利用。

4.2 技術(shù)方案選擇

基于項(xiàng)目目標(biāo)，山西省某大型蘭炭企業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)余熱鍋爐發(fā)電技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)3 種主要蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)比較分析。燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)不僅具有高能量轉(zhuǎn)化效率、污染物減排效果良好的優(yōu)勢(shì)，還具有顯著的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益，符合企業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)高發(fā)電量目標(biāo)和嚴(yán)格的減排要求，故該大型蘭炭企業(yè)最終選擇燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)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(yù)處理和余熱利用的配套方案，設(shè)計(jì)了靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)蘭炭尾氣波動(dòng)，并預(yù)留了系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)容空間。

4.3 實(shí)施效果分析

全面評(píng)估山西省某大型蘭炭企業(yè)蘭炭尾氣綜合利用項(xiàng)目的實(shí)施效果，發(fā)現(xiàn)能源效率方面，企業(yè)發(fā)電量達(dá)3.2 億kWh/a，達(dá)成了項(xiàng)目目標(biāo)，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)52%，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤10 萬t/a；經(jīng)濟(jì)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(chǎn)成本降低了8%；環(huán)境效益方面，污染物排放總量減少65%，達(dá)成了項(xiàng)目目標(biāo)，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(qiáng)度降低25%；社會(huì)效益方面，創(chuàng)造了50 個(gè)就業(yè)崗位，提升了企業(yè)聲譽(yù)。

5 結(jié)束語

通過對(duì)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(shù)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(shù)提供了科學(xué)依據(jù)。實(shí)際應(yīng)用效果表明，采用合適的高效發(fā)電技術(shù)對(duì)蘭炭尾氣進(jìn)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(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。未來，隨技術(shù)的不斷進(jìn)步、政策支持力度的不斷加大，蘭炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)將會(huì)在推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。

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作者簡(jiǎn)介

鄭國(guó)龍（1978—），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)樘m炭尾氣高效發(fā)電技術(shù)、蘭炭尾氣資源綜合利用。

加工編輯：唐藝桐

收稿日期：2024-08-26