我国能源情况比较紧张,但同时也存在着能源的巨大浪费,大量的可燃气体未能利用就是一例。2004年3月,中国工程院批准了能源与矿业工程学部《发展燃气机充分利用我国燃气能源的研究》咨询项目的立项。从5月份起,项目组对我国的燃气能源状况及其利用方式开展了咨询和调研活动,实地考察了胜利油田、宝钢集团、贵州水城矿业集团、陕焦化工有限公司以及燃气发电机组的生产厂家--胜利石油管理局动力机械厂等10多个单位,行程6000多公里。通过调研认为,我国燃气能源的资源量很大,但比较分散,不用率不高。如能合理利用,既可缓解能源紧张、创造经济效益,又有利于改善环境和安全生产。
本报告中“燃气”系指除了管道天然气外能够被利用的各种可燃气体,包括煤层气(大面钻井开采的煤层气、抽放瓦斯)、焦炉煤气、冶炼尾气(高炉煤气和转炉煤气)、沼气、秸秆气、炭黑气、炼化尾气、煤层地下气化气、油母页岩气、以及无法外输的石油伴生气等;“燃气机”系指将燃气能源转换为可用能的设备,如往复式内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机及燃气一蒸汽联合循环机组等。
煤层气通常称为“瓦斯”,其主要成分是CH4(甲烷),我国煤层气资源丰富,居世界第三。煤层气的开采一般有两种方式:一是地面钻井开采;二是井下瓦斯抽放系统抽出。
地面钻井开采的煤层气和抽放瓦斯都是可以利用的,通过地面开采和抽放后可以大大减少风排瓦斯的数量,降低了煤矿对通风的要求,改善了矿工的安全生产条件。对于地面钻井开采方式,国外已经使用,我国有些煤层透气性较差,地面开采有一定困难,但若积极开发每年至少可采出50亿m3;对于瓦斯抽放方式,由于过去除了供暖外没有找到合理的利用手段,未能充分利用,所以,抽放瓦斯绝大部分仍然排入大气,花去了费用,浪费了资源,污染了环境。
我国每年在采煤的同时排放的煤层气在130亿m3以上,合理抽放的量应可达到35亿m3左右,除去现已利用部分,每年仍有30亿m3左右的剩余量,加上地面钻井开采的煤层气50亿m3,可利用的总量达80亿m3,约折合标煤1000万吨。如用于发电,每年可发电近300亿kW·h。
焦炉煤气是炼焦的副产品,主要可燃成分是H2(氢气)和CH4,生产一吨焦约产焦炉煤气390~480m3。2003年全国产生的焦炉煤气达到760亿m3,估计尚未利用的部分每年近200亿m3,约折合标煤1100万吨。如用于发电,每年可发电约300亿kw·h。
冶炼尾气是钢铁工业生产过程中产生的可燃气体,其主要可燃成分是CO(一氧化碳),我国年产高炉煤气3000亿m3以上,转炉煤气200亿3。目前,大中型钢铁企业回收利用冶炼尾气的比例较高,但中小型钢铁厂的回收利用不够,估计仍有总量20%以上的冶炼尾气被空排,约折合标煤880万吨。如用于发电,每年可发电200亿kW·h以上。
沼气也是一种有用的燃气,其主要可燃成分是CH4,仅根据工业废水和酒厂、糖厂、畜禽场、食品加工厂的残渣产生沼气来估算,我国每年可生产沼气100亿m3,约折合标煤730万吨。若用于发电,每年可发电约200亿kW·h。
秸秆气是一种可再生的生物能源,主要可燃成分是CO,我国农作物秸秆年产7亿吨左右,可以作为能源使用的在3.5亿吨左右。即使只利用10%,就可产秸秆气630亿m3,约折合标煤900万吨。如用于发电,每年可发电约250亿kW·h。
其它燃气的数量也是不可忽视的,如炼化尾气、炭黑气、油母页岩气煤层地下气化气和不便外输的石油伴生气等等。如用于发电,每年也可发电数百亿kW·h。
综上所述,我国各种燃气资源的总量是很大的,如果将尚未利用的部分合理地加以采集和利用,每年发电量可达到1200亿kW·h以上,约占我国2003年全国发电总量的6%以上。因此,燃气能源可以成为各种主要能源的重要补充。
大量的燃气没有充分利用,其原因一是对燃气能源认识不够:二是前些年没有合适的利用手段;三是相关政策不到位。
现在利用燃气分布式发电的技术已经成熟,发展燃气分布式发电是充分利用我国分散燃气能源的理想方法。
燃气发电的方式主要有3种:往复式内燃机发电、蒸汽轮机发电、燃气-蒸汽联合循环发电。
蒸汽轮机发电机组技术成熟,单机功率大,适于建立大型发电厂,但不适于利用分散的燃气发电。每千瓦装机容量的投资约为0.5~0.6万元。
燃气-蒸汽联合循环发电机组单机功率较大,发电效率较高,但功率小的机组效率较低,且低热值燃气(如高炉煤气)在燃烧技术上国内还不很成熟,近期才投入应用。也不适于利用分散的燃气发电。每千瓦装机容量的投资约为0.4~0.5万元。
往复式内燃机发电机组是目前比较适合利用分散燃气发电的设备。利用柴油、汽油和天然气为燃料的往复式内燃机技术早已非常成熟。而利用变浓度、高含氢、低热值等燃气为燃料的往复式内燃机和发电机组,近几年才由胜利石油管理局动力机械厂研究开发成功,并已批量生产,推广应用到煤层气、焦炉煤气、冶炼尾气、沼气、秸秆气、炭黑气等各种燃气领域。
往复式内燃机发电机组单机容量较小,一般在100kW~4000kW,适合建设小型发电站;发电效率较高,通常在32%~40%:单机体积小,建站灵活、周期短,运行维护人员少。每千瓦装机容量的投资约为0.25~0.3万元。
各种发电机组都有优点和缺点。但对于气源分散、供应不稳定、气量不大的情况,往复式内燃机具有突出的优点。而对于气量较大、供应稳定、装机容量在5万kW以上的情况,可以利用蒸汽轮机或燃气-蒸汽联合循环发电。
往复式内燃机用于分散的燃气发电具有较好的经济效益。根据目前正在应用的100多座燃气往复式内燃机发电站的实际情况,一般建站2年左右就能收回投资,经济效益很好。
推动燃气发电发展的一些建议:
1、燃气发电上网应严格执行国家相关政策
国家针对资源利用电厂已经制订了相关政策,但由于部门利益的驱使,没有得到认真的贯彻,造成上网困难,甚至不准上网。
例如,“国家经贸资源(2000)660号文” 《资源综合利用电厂(机组)认定管理丈法》中规定:
上网电价原则上按同质同价的原则确定;
●综合利用电厂与电网互供电量在同一计量点的,可实行电量按量按峰谷期分别互抵结算;
●经认定的资源综合利用电厂并网免交小火电上网配套费,并在核定的上网电量内优先购买,符合国家有关规定的可享受减免税优惠等政策;
但这些相关政策没有得到较好的执行。
2、对已颁布的政策应该与时俱进作相应修改
如《管理办法》第五条规定“机组单机容量在500kW以上”才可以申请认定资源综合利用电厂。
建议发电机组上网不要以装机功率作为限制的标准,要以发电品质为标准。以前制订此标准是由于小功率发电机的发电品质低,现在小功率发电机技术已经成熟,因此只要品质达到上网的要求就应允许上网,在很多发达国家甚至分布式的家庭小发电机都是可以上网的。
又如《资源综合利用目录》中应补充增加地面钻井开采的煤层气、焦炉煤气、油母页岩气、秸秆气、煤层地下气化气、无法外输的石油伴生气。
3、补充制订一些支持燃气发电的新政策
●制订控制燃气空排的一些政策。
●新建煤矿和焦化厂时必须考虑燃气的抽放和利用;己建的有空排燃气的企业,在规定的期限内必须加以利用不能空排。
●对瓦斯抽放的矿井,必须要考虑抽放出来瓦斯的充分利用;对从事和发展地面钻井开采煤层气的单位,要给予支持和鼓励。
●对利用燃气发电的单位,按其减排量给予相应的鼓励。
● 为利用燃气购买燃气机经济上有困难的单位,给予贷款优惠。
●对燃气机研究开发和生产工艺技术改造立项资助,进一步提高国产往复式燃气机技术水平。
4、适当调整瓦斯可利用范围的标准
目前《煤矿安全规程》规定煤矿瓦斯的CH4浓度达到30%以上才允许储存和利用,而浓度在20%~30%的瓦斯量很大,是浓度30%以上的瓦斯量的一半左右,如果白白排放实在可惜。
瓦斯的爆炸范围为5%~16%,以前制订30%这个标准是考虑到当时瓦斯检控技术不够先进,安全裕度偏大。随着检控技术提高,做到浓度的较精确控制已经不存在问题。因此适当地放宽浓度限制(如调整到25%)是可行的。
结 论
●我国能源短缺,能源供需十分紧张的形势还将长期存在,利用各种燃气能源是能源供给多元化的重要组成部分;
● 燃气能源的资源量很大,如能够充分利用其发电,每年可发电1200亿kw·h以上,可达到我国年发电总量的6%以上;
●利用燃气发电不仅具有可观的经济效益,还能改善环境,有利煤矿安全生产;
● 目前往复式燃气发电机组技术已经成熟,对于分散的燃气能源,利用其进行分布式发电是理想的解决方案;
●落实国家的政策支持:燃气发电上网应严格执行国家相关政策,对已颁布的政策应该与时俱进作相应修改,并补充制订一些支持燃气发电的新政策。