煤制气中甲烷、氢气含量变化对发电气耗的影响

李伟龙 王佰仟

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209）

煤制气中甲烷、氢气含量变化对发电气耗的影响

李伟龙 王佰仟

（北京京能未来燃气热电有限公司，北京 102209）

通过阐述煤制气的基本原理、与常规天然气的区别，分析其甲烷和氢气含量对发电气耗的影响，凸显出寻求一种更科学、更公平的天然气结算方式的必要性，从而维护天然气公司的经济效益。

煤制气；热值；发电气耗；天然气结算

1 什么是煤制气

以煤为原料经过加压气化后，脱硫提纯制得的含有可燃组分的气体。根据加工方法、煤气性质和用途分为：煤气化得到的是水煤气、半水煤气、空气煤气（或称发生炉煤气），这些煤气的发热值较低，故又统称为低热值煤气；煤干馏法中焦化得到的气体称为焦炉煤气，属于中热值煤气，可供城市作民用燃料。煤气中的一氧化碳和氢气是重要的化工原料，可用于合成氨、甲醇等。为此，将用作化工原料的煤气称为合成气，也可用天然气、轻质油和重质油制得。

2 煤制气与天然气的区别

天然气是一种多组合的混合气态化石燃料，主要成分为甲烷，也含有乙烷、丙烷、氮气和二氧化碳等成分，几乎不含氢。作为产品天然气，国家标准——《天然气》（GB17820-2012）对其热值有规定：高位发热值＞31.4MJ/m3。煤制气是人工煤气的一种，是将燃料煤经干馏、气化、裂解制取的可燃气体。生产原理是由一氧化碳与氢气反应形成甲烷，因此煤制天然气的产品中不可避免地含有氢气［1］。

3 天然气成分变化对热值的影响

表1为大唐克旗煤制天然气的成分表，可见与常规天然气相比，其甲烷及氢气含量偏高（常规天然气含量分别为93%和0.1%左右），且不含油其他烷烃类（常规天然气中含有约4%），造成两者低位热值存在一定差异。

表1 大唐克旗煤制天然气成分表

相同体积下的氢气和甲烷的热值低于其他烷烃类，因此，天然气中氢气和甲烷的相对含量越高，其他烷烃类相对含量越低，则热值越低。而天然气的热值分为高位热值和低位热值，高位热值是指一标准立方米天然气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量；低位热值是指一标准立方米天然气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量。高低位热值差值为水蒸气的气化潜热。气化潜热是不能转化为有效做功的热能。甲烷在燃烧时发生以下化学反应：CH4+2O2=CO2+2H2O。

甲烷在烃类中含氢量最高，密度最小，约0.54。因此，在一标方天然气中，甲烷及氢气含量越高，其他烃类气体则越少，可燃烧的物质越少，燃烧后产生的热值自然会降低。而产生的水分比例增加，低位热值则更低，发电可利用的有效热值也越低。

4 煤制气对发电气耗的影响

表2 未来热电天然气含量检验报告统计表

4.1 煤制气进厂前后天然气成分对比情况

表2和图1为煤制气进厂前后天然气成分对比情况，据此可以直观看出，随着甲烷及氢气相对含量的增加，热值呈现下降趋势。

4.2 煤制气与天然气同期热值比较

表3为煤制气与天然气同期热值比较，北京京能未来燃气热电有限公司一年约耗用2.3亿Nm3天然气，按太阳宫3月化验结果计算，该公司如果用北石槽（混合气氢含量0.787 2%）较用天然气多耗用2.3×34.613 98/33.355 32-2.3=0.086 79亿Nm3=867.9万Nm3，每年增加燃料费用约0.279 46亿元。如果按表1中混合气氢含量1.08%时低位热值计算，较用天然气多耗用2.3×34.613 98/33-2.3=0.112 48亿Nm3=1 124.8万Nm3，每年增加燃料费用约0.362 22亿元。

图1 未来热电天然气成分对比情况

表3 2015年3月天然气公司提供太阳宫电厂两取样点天然气化验结果

4.3 天然气和煤制气中氢气含量变化对发电气耗的影响

煤制气中甲烷含量比较稳定，因此，氢气含量变化极大地影响了天然气的耗气量。鉴于此，现就平均负荷190MW、最大负荷250MW下天然气和煤制气中氢气含量变化对发电气耗的影响进行分析。因为考虑环境因素等影响，取值为一天中的不同时段的对应值。通过比较在煤制气进厂后，190MW时气耗增加0.004 5Nm3/（kW·h），250MW时气耗增加0.004 8Nm3/（kW·h）。在190MW负荷时，氢含量每上升0.1%，气耗上升为0.001 5Nm3/（kW·h）。在250MW负荷时，氢含量每上升0.1%，气耗上升为0.002 4Nm3/（kW·h）。因为机组在正常运行时，负荷越高，气耗相对越小。所以，在高负荷时，氢含量的上升对气耗的影响更大。

4.4 发电气耗情况分析

①2015年全年利用小时按4 500计算，全年平均负荷预测为171MW，参照2014年生产指标机组用纯天然气发电时气耗约为0.21Nm3/（kW·h），若2015年掺燃烧煤制气后天然气氢含量全年按0.4%计算，发电气耗增加约0.004Nm3/（kW·h），全年多消耗天然气约459万Nm3。

②2014年冬季克旗进北京六环方向煤制气5万～8万Nm3/h，总用气250万～300万Nm3/h，2014年冬季供暖（2015年3月前）监测氢含0.2%～0.3%。2015年随着冬季大负荷的结束，北京六环方向总用天然气量的逐渐下降，根据2014年11月下旬煤制气进京后监测当天然气氢含量0.3%～0.7%，2015年夏季总用气40万～50万Nm3/h，克旗进京煤制气仍将保持在5万～8万Nm3/h，预测2015年3-11月天然气中氢含量0.5%～1.5%，按平均190MW负荷计算将使发电气耗增加约0.007 5～0.022 5Nm3/（kW·h），2015年全年多消耗天然气约860.625万～2 581.875万Nm3，增加运营成本约2 771.212 5万～8 313.640 0万元。

5 结语

目前北京京能未来燃气热电有限公司天然气采用按体积进行计量和结算，年耗气量高达2.3亿Nm3，热值相对较低且氢含量不稳定的煤制气的通入，无疑对运营成本、机组效率和寿命造成了极大的影响，寻找一条更科学、更公平的结算方式才能维护自身经济效益。

［1］刘骥.天然气组分对燃机电厂的经济影响［J］.中国高新技术企业，2014（19）：69-70.

Influence of Methane and Hydrogen Content on Power Generation Gas Consumption in Coal Gasification

Li Weilong Wang Baiqian
（Beijing Jingneng Future Gas Thermal Power Co.Ltd.，BeiJing 102209）

This paper introduced the basic principle of coal gas and the difference between conventional natural gas, and the effect of methane and hydrogen content on the power consumption of electricity generation was analyzed, which highlight the need to seek a more scientific and equitable way of natural gas settlement,so as to maintain the economic benefits of natural gas companies.

coal gas；calorific value；power generation gas consumption；natural gas settlement

TE646

A

1003-5168(2016)09-0146-03

2016-09-02

李伟龙（1990-），男，本科，研究方向：巡检、燃气发电。