用于燃气轮机发电机组的焦炉煤气净化研究

魏冰霞

航发燃机（株洲）有限公司 湖南省株洲市 412002

摘 要

燃气轮机发电机组对燃料气的要求必须满足一定的指标，燃气质量不达标将影响燃气轮机的寿命及运行。通过检测分析了金属元素类杂质主要存在于水、粉尘及焦油中，通过研究焦油的特性及吸附性质实验确定了焦油去除的方法。制定了一套煤气净化工艺，经现场监测分析，净化工艺处理后的煤气质量杂质含量低，有效提高了燃气轮机使用寿命。

关键词：燃气轮机发电机组 焦炉煤气 净化技术

1、前言

炼焦煤在焦炉高温炭化过程中，除了产出焦炭外，还伴生出了含有氢气、甲烷、一氧化碳和焦油、萘等成分组成的荒煤气。荒煤气经过冷却、吸收、解吸、化学转化、蒸馏分离等化工单元回收或去除煤焦油、萘、苯、硫化氢等产品后称为焦炉煤气。焦炉煤气的主要成份为氢气、甲烷、一氧化碳以及少量其它气体物质，其热值约为16700～18000 kJ /m³（标准状况下) ，是一种很好的气体燃料。焦炉煤气除用作为生产甲醇等化工产品的原料外，在很多地方用于燃气轮机发电。虽然焦炉煤气经过冷却、吸收、解吸、化学转化、蒸馏分离等化工单元处理，但仍含有的大量的杂质。尤其是焦油、粉尘等仍超出燃气轮机发电机组的要求，严重影响了燃气轮机发电机组的使用寿命，并增加了燃气增压机组的维护。因此，将焦炉煤气用于燃气轮机发电前，应将煤气进行二次净化。

2.杂质的主要危害

据有关资料介绍，燃料气中杂质进入燃气轮机，将对燃气轮机的寿命等产生危害和影响。主要物质对燃机有以下影响：

钒的通常只存在于液体燃料中，而不是气体燃料，因此在焦炉煤气中未检测出。钒可以迅速地形成低熔点化合物，如氧化物和钒酸盐（在存在钠或钾的情况下），这些会引起燃机高温部件材料的严重腐蚀。

钠和钾可以与钒结合生成钒酸盐，钒酸盐会对燃机的高温部件的高温合金材料产生严重的腐蚀。钠和钾会与燃料中的硫结合生成硫酸盐，硫酸盐在高温状态下处于熔融状态，同样地对高温部件材料有腐蚀作用。钠钾主要存在于煤气中的焦油、夹带水或粉尘中。

钙和镁这些化合物自己本身不会引起腐蚀，而镁实际上可以抑制钒的化合物的腐蚀作用。然而，两者可以在燃气轮机内形成硬的污垢，这污垢是很难通过冲洗燃气轮机来除掉的。钙和镁主要存在于焦油、水和粉尘中。

铅对材料的发热部分引起腐蚀的，并且它可以颠倒镁的对钒的化合物的有益的腐蚀抑制作用。铅可能是粉尘中带入燃机。

锌可以与硫生成有腐蚀性的盐和其它成分，可能会侵蚀在燃气轮机中发热部件的高温镍基合金。

水银可以溶解很多金属，生成汞合金。因此，除非已经体验过它的影响，或是已经完全掌握它的性能，否则是绝对不允许水银的存在。

液体或气体燃料中的含硫化合物在燃烧室内燃烧产生氧化物，如二氧化硫和三氧化硫，在钠和钾存在的情况下生成低熔点的金属硫化物。这些化合物可以沉淀在燃气轮机的高温部分，并且会侵蚀燃气轮机高温部件。硫化氢气体会腐蚀各种材料，在有水或在高压的时候愈加加剧。水可以与硫化氢（H2S）结合生成硫酸，而压力能加快腐蚀的速度，也有必要通过保持排气烟囱的出口温度在露点以上，使得从发动机排出以后的连接设备中冷凝，产生腐蚀。

如果元素的硫存在于气体燃料中，可能沉淀会发生在系统的任何地方，从燃料提供处到发动机的叶片安装处，影响涡轮机的安全性和稳定性。

锂盐在燃气轮机中的温度下可能会侵蚀晶界，加快高温合金的氧化速度。

氯、氟以及其它的卤素可能会侵蚀燃机高温部件的保护层，加快氧化速度，导致高温部件寿命减短。

硅石（SiO2）是硬的研磨剂材料，它能引起侵蚀和／或在发热部分部件中形成污垢。硅石也可以结合形成硅氧烷，硅氧烷尽管是气态的，可以沉淀在发热部分部件上，并且引起腐蚀。

粉尘由不可燃烧的固体材料和／或存在于液体燃料中的可溶解于水的金属组成。这些固体材料由于磨损燃料系统中的部件，或者堵塞燃料喷喷嘴，可能引起问题。粉尘中的金属氧化物沉淀可能腐蚀燃气机的高温部件。可溶解的粉尘可能引入有害的金属元素，形成有腐蚀性的化合物，损坏涡轮机的高温部件。

其它的微量金属氧化物或者它们的化合物的沉淀，可以在桨片和叶片上产生非常硬的沉淀。由于这些沉淀对氧化物保护层的腐蚀作用，会加快桨叶和叶片合金的氧化速度。因此，必须注意限制一些物质的引入，如镉、锑和其它的微量的金属元素。

3. 杂质分析

3.1杂质状态及存在形态分析

为了设计合理的净化技术，必须弄清各杂质的存在状态及含量。现场取样分析了煤气水洗液、煤气管线排污液、压缩机阀片残留物、煤焦油挥发后的残留物，结果如下：

表1某电站焦炉煤气水洗液检测结果

项目	K	Na	Ca	Mg	Pb	Zn	Sio2
压缩机后 ppmm	0.130	0.240	0.405	0.033	0.023	0.009	0.041
精过滤器后 ppmm	0.144	0.290	1.131	0.062	0.020	0.003	0.037

表2焦炉煤气供气工艺路线中的排污液

项目	K mg/L	Na mg/L	Ca mg/L	Mg mg/L	Pb mg/L	Zn mg/L	Si mg/L	Hg mg/L
煤气脱氨液	3.3	1573	241.75	127.8	18.65	3.6	1927.5
煤气脱苯液	6.6	31.8	43.9	4.4	3	4.7	1121	1.038
煤气脱硫液	19.5	49000	33.2	25.1	16.6	4.6	1254.5

表3煤焦油及阀片残留物中金属元素的检测

	Ca	Mg	Na	Zn	K	Si	Pb
干焦油，mg/kg	512.9	462.9	107.6	26.1	9.1	36.7
阀片遗留物，mg/kg	1401.1	533.9	1854.8	1870.8	0	36.9	134.1

上述结果显示：煤气中的金属元素含量确实存在含量超过技术指标的情况。其主要存在于液态水中、固态粉尘中、不挥发的焦油中。

各物质的存在状态：一般物质存在气态、液态、固态，在混合物体系中，还有少量存在多相混合的情况。水通常以饱和水存在及少量液滴。焦油通常以焦油雾和焦油液滴的形式存在。粉尘以固体颗粒物的形式存在。金属元素一般溶解在水中或者以固态盐存在。

3.2焦油性质研究

为了更好的分离焦油，选择净化方法，研究了焦油本身的性质及焦油的吸附特性。焦油的挥发性试验及热重实验表明：煤焦油中大部分为低沸点组分，在70℃时有60%的焦油可以挥发；在156℃时约有80%的焦油可以气化，剩余物质为黑色沥青状的固体物质。热重反应加热到500℃，焦油在空气中逐渐挥发和燃烧，在103℃失重速率最快，500℃时失重了77.8%。焦油的吸附实验表明：4～8mm的焦炭在对于100℃以下挥发的轻组分焦油吸附效果很差，100℃饱和吸附容量只有2.8%，而对200℃时挥发的高沸点组分吸附效果很好，饱和吸附容量达到40%。同时利用加热再生脱附率可达81%。粒径同为1mm的活性炭对于50℃挥发的焦油组分的饱和吸附量为55g/100g，25℃挥发的焦油组分的饱和吸附量为28g/100g。粒径同为5mm的活性炭对于50℃挥发的焦油组分的饱和吸附量为10.2g/100g，25℃挥发的焦油组分的饱和吸附量为7.5g/100g。不同粒径活性炭对于轻组分焦油吸附效果不同，粒径越小，吸附效果越好，其中1mm粒径的活性炭吸附容量可达55%；可以运用焦炭和活性炭净化燃料气中的焦油。

4. 净化工艺

从气柜出来的焦炉煤气压力非常低只有1500Pa～3500Pa,需经过增压处理,才能供给燃气轮机。根据压力不同，净化工艺采用分级处理。首先通过I级净化器利用吸附及过滤原理，除去气体中高沸点的焦油组分和大颗粒粉尘，吸附剂颗粒较粗，有较高的吸附容量和防堵能力。再将煤气进行压缩冷却，压缩后的焦炉煤气冷却，利用气体中杂质相变特性，在冷却过程中煤气中的水汽、焦油、萘、粉尘颗粒也同时冷凝析出，从排污管道中排出，此工序预计脱去煤气中60%的水。再经过II级净化器进一步吸附低沸点焦油组分等。吸附剂可选用细颗粒活性炭，吸附效率较高。进入净化装置，采用旋风分离和过滤分离相结合的方式分级去除煤气中的大颗粒杂质、水及细小粉尘。经处理后的焦炉煤气可达到固态物：大于10μm的颗粒处理效率≥99%、大于15μm的颗粒处理效率≥100%。最后煤气通过加热器将煤气加热后进入燃机，确保无液态物质。同时气化过程产生的细小颗粒物通过精度为3μm的滤芯过滤器拦截后，洁净煤气进入燃气轮机。

4. 应用效果

依据研究煤气中杂质的组成及杂质对燃气轮机的影响，煤气发电前需经净化处理。依据文中的净化工艺，利用气体中杂质的温度、压力相变特性，确定了分级、物理脱除杂质的净化方法和流程。采用物理方法中气固、气液分离及吸附技术，制定了焦炉煤气净化工艺。

以下是部分电站的实测结果：

表1某电站净化后的全杂质检测结果

检测项目	指标	检测项目	指标
Pb	＜0.001ppmm	Ca	0.016
V	＜0.001ppmm	Mg	0.041
Zn	0.001ppmm	卤素	＜1
Li	＜0.001ppmm	焦油尘	0.7mg/m3
Na	0.002ppmm	焦油	0.3mg/m3
K	0.002ppmm	H2S	78.9mg/m3

经净化后的煤气杂质含量指标低，在燃机电站运用效果较好。在公司已投运的几十个电站中，煤气净化后，大大降低了人工维护周期，提高了设备使用率，提高了燃气轮机的使用寿命。

参考文献

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