鋼鐵企業(yè)剩余煤氣發(fā)電方案研究

聶娟

（凌源鋼鐵集團設計研究有限公司，遼寧省朝陽市 122500）

引言

在滿足工藝需求的前提下，鋼鐵廠剩余高爐煤氣可用作熱電廠鍋爐的燃料。選擇合理的發(fā)電方案能夠充分利用剩余煤氣、節(jié)約能源、保護環(huán)境，創(chuàng)造更好的經濟效益及社會效益。

凌鋼老區(qū)現(xiàn)有4 臺40 t/h+2 臺75 t/h 燃氣鍋爐，配套2 臺12 MW+3 臺6 MW 抽凝式單抽汽輪機。夏季發(fā)電機組可滿負荷運行，冬季鍋爐有90 t/h 抽汽用于生產和采暖供熱，發(fā)電量因汽輪機進汽量不足而受限制。

隨著老區(qū)3 號高爐改造后生產能力的提高，副產煤氣量也相應增加，新老廠區(qū)煤氣平衡剩余量折成高爐煤氣約14 萬m3/h 至19 萬m3/h。因此公司決定新建綜合利用高爐煤氣的熱電項目，將剩余煤氣全部回收利用，以解決老區(qū)發(fā)電進汽不足和剩余煤氣放散造成環(huán)境污染的問題，達到凌鋼煤氣零排放目標。

1 方案研究

1.1 煤氣平衡分析

新建熱電機組的規(guī)模，主要考慮夏季煤氣產量最高時，老區(qū)汽機全部滿負荷運轉發(fā)電后的剩余煤氣量。對凌鋼現(xiàn)有高爐煤氣發(fā)生量和消耗量進行數據統(tǒng)計，并編制煤氣平衡表見表1。

表1 高爐煤氣平衡表

(1)夏季的剩余煤氣量

老區(qū)現(xiàn)有5 臺汽輪機全部純凝運行時，為保障生產要求需鍋爐供給194.26 t/h 蒸汽，其中3 臺40 t/h+1 臺75 t/h 鍋爐運行即可滿足供汽量，共消耗煤氣量18 萬m3/h，由表1可知剩余約16 m3/h煤氣可供新建熱電機組。一軋廠換輥檢修期間剩余煤氣量最高可達19 萬m3/h。

(2)冬季的剩余煤氣量

老區(qū)現(xiàn)有5 臺汽輪機投入3 臺抽汽運行，抽汽量為90 t/h。鍋爐供汽量為175.71 t/h，其中3 臺40 t/h+1 臺75 t/h 鍋爐運行，但不能滿負荷運行，共消耗煤氣量16 萬m3/h，由表1可知留余約14 萬m3/h煤氣供新建熱電機組，一軋廠換輥檢修期間剩余量可達17萬m3/h。

1.2 鍋爐容量選擇

為減少老區(qū)向新區(qū)輸汽損失，同時滿足新區(qū)生產用汽要求，在新區(qū)熱電廠增設2 臺蒸汽鍋爐并采用熱電聯(lián)產運行方式，從而達到消化剩余煤氣并為企業(yè)供電的目的。由煤氣平衡表可知，夏季剩余煤氣最大量為19 萬m3/h，煤氣參數見表2。設計選用次高壓鍋爐，蒸汽額定壓力5.3 MPa，額定溫度485 ℃，給水溫度150 ℃。利用以氣定電原則將數據代入式1 計算得：19 萬m3/h 煤氣燃燒產生的蒸汽量為208 t/h。為保證鍋爐能夠有效的燃燒所有煤氣并適應熱負荷的變化，最終選定2臺110/5.3-Q 次高壓蒸汽鍋爐。

表2 高爐煤氣參數(組分變化范圍95%～105%)

利用剩余煤氣量計算鍋爐容量的計算公式

式中：D－鍋爐供氣量，t/h；

Q－煤氣消耗量，萬m3；

η－鍋爐熱效率，86%；

Qnet－煤氣低位發(fā)熱量，kJ/m3；

hz－485℃過熱蒸汽焓，3320 kJ/kg(查表)；

hs－150℃飽和水焓，634 kJ/kg(查表)。

1.3 汽輪機組選型

目前市場上汽輪機組種類繁多，主要由背壓機組、抽凝機組和純凝機組。根據新區(qū)的建設規(guī)劃，新區(qū)采暖熱負荷由高爐沖渣水換熱和余熱蒸汽供給，新建熱電不考慮新區(qū)采暖負荷，只提供生產熱負荷，最大值為冬季實際負荷35 t/h，故擬選用抽凝式汽輪機，將進入汽輪機已做過部分功的蒸汽從中間抽取一股作為生產用汽。

汽輪機進汽量應與鍋爐蒸發(fā)量相匹配，選定2臺25 MW 抽凝式汽輪機組，汽耗率為4.33 kg/kWh，汽機額定抽汽能力為50 t/h，代入式2 計算得：汽輪機的進汽量為108 t/h，與鍋爐蒸發(fā)量相適應。且抽汽量滿足生產用汽要求。

式中：G－汽輪機進汽量，t/h；

P－汽輪機額定功率，MW；

d－汽耗率，kg/kWh。

1.4 裝機方案和運行方式

根據凌鋼高爐煤氣富余量和生產熱負荷，新區(qū)系統(tǒng)選用2 臺110 t/h 次高壓鍋爐配套2 臺C25-4.9/0.981 型抽凝汽式汽輪發(fā)電機組。機組額定發(fā)電功率為25 MW。額定抽汽量為50 t/h（實際抽汽35 t/h），抽汽壓力0.981 MPa、溫度313 ℃，配發(fā)電機型號為QF-30-2，額定功率30 MW，靜止勵磁，出口電壓為10.5 kV。

任何機組都是按確定的進汽參數和排汽參數、一定的轉速與功率設計，如果汽輪機在這些設計條件下運行，就具有較佳的效率與經濟性。在變工況運行時所有參數都隨汽輪機的輸出功率的變化而變化。由煤氣平衡表可知不同生產條件剩余煤氣量有所不同，可依據剩余煤氣量和生產用汽量確定機組的運行參數見表3。

表3 運行參數

2 新建熱電機組污染物控制

保護環(huán)境已成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展和技術進步的必然選擇，對于新建熱電項目分析污染物的來源并制定防治措施，也是方案研究的主要內容。

2.1 主要污染物來源

主要污染物為煙塵、SO2和NOX，其來源為鍋爐燃燒產生的煙氣。供鍋爐燃燒的高爐煤氣已經過布袋除塵器除塵，其粉塵含量＜10 mg/m3。根據表2高爐煤氣的成分檢測資料,高爐煤氣硫分含量低，煙氣中SO2含量小于國家排放標準，不必采取脫硫措施。對于新建燃氣機組的NOx 排污系數參照國家標準按照低氮燃燒技術取值（16.6kg/萬m3）。

新建熱電項目的排水主要為主廠房的生產廢水、設備循環(huán)水排水系統(tǒng)排污水、化學水處理間的廢水及生活污水，其中廢水總量為122.9m3/h。主要噪聲源為鍋爐房鼓、引風機、水泵、發(fā)電機組等，強度范圍為80dB(A)～100dB(A)。

2.2 污染物控制措施及效果

(1)煙氣污染控制

鍋爐使用凈化后的高爐煤氣，初始含塵量<10 mg/m3。鍋爐燃燒后的煙氣經高度45 m、出口內徑3.5 m 的煙囪外排，排煙溫度約為160 ℃，煙塵排放濃度＜10 mg/m3，煙氣中的煙塵污染物滿足《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)標準，符合排放要求[3]。

采用低硝燃燒技術，利用鍋爐燃燒中生成硝的兩個主要途經—溫度和過剩氧量，通過DCS 計算機系統(tǒng)控制鍋爐爐溫和空氣供給過剩系數，在鍋爐內形成還原氣氛及爐溫控制在1000 ℃以下燃燒，抑制硝的生成量。NOX的排放量小于200 mg/m3，符合《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標準》(GB13323-2011)的排放限值要求。

(2)廢水污染治理

生產廢水及排污水直接排入排水管網，合流進入總廠區(qū)污水處理廠。

生活污水2.9 m3/h，經化糞池沉淀后進入經生活污水管網進入排水總管排到總廠污水處理廠，可以滿足《城市污水再生利用-城市雜用水水質》（GB/T18920-2002）標準要求。加強企業(yè)的節(jié)水工作和嚴格用水管理，進一步提高水的循環(huán)利用率，更好地節(jié)約水資源。

(3)噪聲污染治理

產生噪聲的主要設備發(fā)電機、鼓風機、引風機安裝在車間內，采用實體墻圍護框架結構，具有較好的隔聲效果；風機采取減振基礎，加軟接頭，鼓風機進風口安裝消音器，其它設備水泵等選用低噪聲系列，并采用減振基礎，鍋爐點火排氣安裝消聲器。采取上述措施，可以降噪20～25 dB（A）。廠界噪聲水平可滿足《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》（GB12348-2008）中2類功能區(qū)標準限值要求。

此外還應根據環(huán)保要求在實際運行過程中加強對各污染物排放口的監(jiān)督管理。

3 結論

最終確定新建熱電規(guī)模為2 臺110/5.3-Q 次高壓鍋爐配套2 臺C25-4.9/0.981 抽凝式汽輪發(fā)電機組。充分利用剩余煤氣，實現(xiàn)了凌鋼高爐煤氣回收利用，解決了煤氣放散引起環(huán)境污染的問題，同時為企業(yè)增加了一定的自備電力和供熱能力。技術成熟，具有顯著的經濟效益、環(huán)境效益和社會效益。