高爐煤氣余熱發電技術方案比選

趙啟成，岳岱巍，李鵬

(1.中國電力建設工程咨詢中南有限公司，武漢 430040； 2.中國機械設備工程股份有限公司，北京 100055)

1 高爐煤氣發電技術現狀

鋼鐵冶煉過程中產生高爐煤氣、轉爐煤氣和焦爐煤氣，其中高爐煤氣所占比重最大，高爐煤氣主要成分是CO，CO2，H2，N2等，是重要的二次能源。高爐煤氣的有效利用，可降低企業能耗和發電成本，為企業提供額外效益，進一步優化鋼鐵企業資源配置，增加企業市場競爭力[1]。目前鋼鐵企業高爐煤氣發電利用主要有3種方式：燃氣/蒸汽聯合循環發電技術；內燃機發電技術；煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電機技術。

1.1 燃氣/蒸汽聯合循環發電技術

燃氣蒸汽聯合循環發電是由煤氣供給系統、余熱鍋爐、燃氣輪機、蒸汽輪機、發電機及輔助系統組成。工藝流程為高爐煤氣經除塵加壓后與加壓的空氣混合進入燃燒室燃燒，所產生的高溫高壓燃氣進入燃氣透平機組膨脹做功，其主機體積小、容量規模大、單機一般不低于1 MW，設備運行平穩，熱效率高，燃機燃料進口壓力要求高，需配置增壓系統，轉速高、噪音大，廠用電率高，投資多，大修周期短，備件昂貴，故障現場處理難度大。燃氣蒸汽聯合循環電站燃氣系統所需設置的前處理裝置，在運行中操作工藝復雜，為高爐煤氣達到燃機進口參數需設置增壓機，從而導致廠用電負荷較高。由于高爐煤氣雜質較多，像萘等重金屬很難清理，停機清洗頻繁，一般3～4個月就要停機清洗1次。日本三菱重工研發幾款針對低熱值高爐煤氣的燃氣輪機組，在實際運行中也存在煤氣壓力波動較大，導致停機、廠用電負荷高、壓縮機清洗頻繁情況，在冬季濕度大、燃料情況較差時，每3天都要做1次停機清理，且由于煤氣腐蝕介質對管道腐蝕，導致燃機噴嘴堵塞情況時常發生[2]。

目前以高爐煤氣為燃料燃機對燃料最低熱值及裝機規模均有要求，美國通用電氣公司(GE)與南京汽輪機廠合作開發制造的PG6561B-L型低熱值氣體燃料的燃氣輪機目前設計燃用混合煤氣的低位發熱值要求≥5 050 kJ/m3；德國西門子燃機目前無低于100 MW級的高爐煤氣燃機，且要求熱值不低于4 192 kJ/m3；日本川崎生產的G1 IN2-L型燃氣輪機容量大，配置的發電機組為150 MW，需要大量的高爐煤氣，目前最低容量為100 MW級；日本三菱重工M251S可用于高爐煤氣余熱發電，其煤氣量要求不低于10萬m3/h[3]。

1.2 內燃機發電技術

以重油、輕原油、天然氣為燃料的內燃機目前技術均已成熟，已投產電廠運行平穩，目前內燃機較大型廠家，如德國曼恩、芬蘭瓦錫蘭、韓國現代、GE顏巴赫等尚未有較為成熟的投產高爐煤氣電站。由于高爐煤氣熱值低、雜質多等原因，已試運行投產電站也均在運維中故障率較高或未能達到最佳出力負荷，易出現爆燃、熄火和轉速波動等問題。目前市場上可選內燃機型號較少，且單機出力小，以顏巴赫燃機為例，目前適用高爐煤氣燃機最大出力為2 MW左右，很難用于大規模發電。高爐煤氣內燃機與以輕原油為燃料的內燃機在結構上類似，工藝系統包括煤氣預處理系統，常規配置靜電除塵器、煤氣加壓機、蒸發冷卻脫濕裝置等，高爐燃氣經過除塵、穩壓處理后接入燃機燃料進口。內燃機本體包括啟動系統、點火系統、燃燒系統、高溫冷卻水、低溫冷卻水系統、潤滑油系統、控制系統等，配置余熱鍋爐時一般包括煙氣系統、除鹽水供給系統、給水除氧系統、蒸汽系統等。汽輪機系統包括汽輪機本體、潤滑油系統、凝結水系統、抽真空系統等。

與常規的熱電機組或燃機聯合循環機組相比，內燃機發電效率高，CO2排放低，單位千瓦耗水量低，經濟性好，結構緊湊，可單臺運行也可并網運行，可根據煤氣量靈活啟動、關停及調節單臺機組負荷，對規模較小鋼廠煤氣余熱利用可起到很好調峰效果。建設周期短，對燃氣不需增壓，壓力大于1 960 Pa即可，單機功率小，在大規模電站中很難應用。單位千瓦投資約1.3萬元，相比傳統熱電和燃機聯合循環電站要高出不少，且由于高爐煤氣對燃料潔凈度有較高要求，預處理設置導致對廠用電量耗費增加。

1.3 煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電機技術

煤氣鍋爐發電是由燃氣鍋爐、蒸汽輪機、發電機及輔助系統組成，是近幾年鋼廠余熱利用采用較多的方案。基本流程為以高爐煤氣為原料，采用燃氣鍋爐，通過高爐煤氣在鍋爐中燃燒產生的蒸汽來推動蒸汽輪機做功發電。由于煤氣熱值較低，燃燒不穩定，常采用雙旋流高爐煤氣燃燒器，通過加強高爐煤氣與助燃風的混合，爐膛采用束腰結構，燃燒區敷設未燃帶等方式，提高爐膛熱強度[4]。通過一系列技術措施，保證高爐煤氣燃燒的穩定性。

煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電機技術成熟，穩定性好，可利用各種熱值、壓力的燃氣，單位千瓦造價低，機組功率覆蓋范圍廣，但相比燃機聯合循環系統復雜，集成度低，電站面積大，運維人員相應增多。煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電機方案盡管全廠效率相比燃氣/蒸汽聯合循環發電技術稍低，但其技術成熟、燃料適用范圍廣、國產化率高、運行平穩，近幾年投產的較大型煤氣機組通過提高機組參數，如采用超高壓或亞臨界參數，已使全廠效率有相應提高，運行情況良好，維護成本低[5-6]。

2 機組配型分析及配置方案

2.1 機組配型分析

國內某鋼廠高爐煤氣量為129 000 m3/h，高爐煤氣的熱值3 340～3 673 kJ/m3，取燃料熱值為3 547 kJ/m3，燃料溫度為40 ℃，壓力為0.027 MPa。該燃料工況下3種裝機方案配置如下。

2.1.1 燃機聯合循環裝機方案

根據燃料情況，選用三菱重工M251S型燃機，燃機壓縮空氣耗量約245 600 m3/h，燃機煙氣溫度為570 ℃，煙氣量為479.5 t/h，功率為27.7 MW。余熱鍋爐型號為雙壓、臥式、室外布置，中壓蒸汽參數為62.3 t/h/3.6 MPa/453 ℃，低壓蒸汽參數為10.04 t/h/0.6 MPa/155 ℃。汽輪機選用型號為中溫中壓補汽凝汽式BN17-3.43/0.4型， 中壓蒸汽參數為62.3 t/h/3.43 MPa/450 ℃，低壓蒸汽參數為10.04 t/h、0.4 MPa、151 ℃，汽機發電功率27.7 MW。系統配置100%高低壓蒸汽旁路、2×100%電動給水泵、 2×100%凝結水泵，設置煤氣前處理系統、閉式冷卻水系統、抽真空系統等。

2.1.2 內燃機發電裝機方案

選用顏巴赫內燃機JMS620 GS-S.L型燃氣內燃機，形式為四沖程、火花塞點火、水冷、增壓、空氣中冷、增壓前混合，汽缸數為20個，V型排列，單臺內燃機額定功率1.97 MW，余熱鍋爐配置5臺7 t/h，過熱蒸汽溫度360 ℃，壓力2.2 MPa，設置1臺蒸汽輪機。根據燃料量初步核算，全廠需設置22臺內燃機，每臺內燃機需設置單獨前處理模塊、冷卻水系統、煙氣系統及控制系統，且總占地面積較大，考慮到電站系統設計的實用經濟及可操作性，內燃機方案不作為備選方案。

2.1.3 煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電機方案

配置1套42 MW級汽輪機發電機組，其中鍋爐型式為高溫高壓參數汽包爐、自然循環、單爐膛，過熱蒸汽量156 t/h，過熱器出口蒸汽壓力9.81 MPa，過熱蒸汽溫度540 ℃，鍋爐最低穩燃負荷為30%鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)，給水溫度為215 ℃，鍋爐排煙溫度≤120 ℃，最低燃料熱值下鍋爐效率87.7%。汽輪機選用型式為高溫高壓凝汽式，功率為42 MW，主汽門前蒸汽壓力9.34 MPa，主汽門前蒸汽溫度535 ℃，主蒸汽流量151 t/h，熱耗9 350 kJ/(kW·h)，額定轉速3 000 r/min。

系統配置30% BMCR二級串聯蒸汽旁路、2×100%電動給水泵、 2×100%凝結水泵，鍋爐系統設置供氣系統、爐內燃燒系統、煙風系統。熱力系統設置主蒸汽及旁路系統、抽汽系統、給水系統、凝結水系統、抽真空系統等。

2.2 全廠經濟指標對比分析

根據上文所述，全廠經濟計算指標中對燃機/蒸汽聯合循環發電技術和煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電技術2種方案做對比分析，內燃機裝機方案不再做經濟分析。2種方案年發電小時均按7 000 h，售電價按0.5元/(kW·h)，按2年備品備件考慮。本方案主要計算經濟指標值見表1、表2。

表1 燃機/蒸汽聯合循環技術經濟指標匯總

續表

表2 煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電技術經濟指標匯總表

通過以上數據可知，燃機聯合循環全廠效率相比煤氣鍋爐電站提高5.7%，但總投資增加47.4%，單位造價提高，盡管發電量增加，年利潤額提高，但由于投資大，投資回收年限延長，燃機聯合循環電站中燃機核心設備及檢修備件均依賴進口，造成投資高、設備折舊、檢修費用高，毛利潤增加，凈利潤卻減少。煤氣鍋爐電站設備國產化高，總投資造價低，效率相比燃機聯合循環并未有較大降低，技術成熟，運行的風險低，是較好的短平快投資項目。

3 結論

(1)針對某鋼廠高爐煤氣現狀，對燃氣/蒸汽聯合循環發電技術、內燃機發電技術、煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電機技術優缺點進行定性對比分析。

(2)對燃氣/蒸汽聯合循環發電技術和煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電技術兩種方案做了定量對比分析，煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電機技術運行穩定，總投資少，回收期短，推薦采用煤氣燃燒鍋爐配蒸汽輪機發電。

(3)通過實際案例分析，提供相應解決方案，為同等規模小型鋼廠提供一定借鑒參考。