微燃機在全密閉礦熱電爐煤氣余熱回收的應用

王 斌，華志宇，楊春旺

（1.昆明有色冶金設計研究院股份公司；2.龍佰武定鈦業有限公司）

1 概述

全密閉礦熱電爐是有色冶金礦熱爐發展的主要趨勢，較敞開式、半敞開式礦熱爐具有熱損失小、生產效率高、清潔環保等特點，且產生的煤氣余熱可回收利用，在全球環保要求日益提高的情況下，得到了全面推廣，最終將全面取代半敞開式礦熱爐。

全密閉礦熱爐根據冶煉生產不同的產品，使用工藝不同，一般情況下，煤氣的主要成分為CO（40%～85%）、N2（5%～30%）、H2（5%～10%），低位發熱值2000～2700kcal/Nm3，煤氣發生量360～1500Nm3/h/t產品，是一種優良燃料。

在鋼鐵冶金行業，大多使用鍋爐+汽輪機發電方案，進行高爐煤氣、轉爐煤氣的余熱回收，技術非常成熟。但因有色冶金礦熱爐生產工藝原因，煤氣發生量較小，流量和壓力波動較大，成分復雜，在有色冶金企業實際生產當中，較難實現余熱資源的回收利用。

微型燃氣輪機技術簡稱微燃機，是一種單臺機組發電功率小于2MW的小型燃氣動力發電裝置，可靈活配置為分布式能源余熱回收系統和多機集成擴容配置，非常適合煤氣發生量較小的礦熱爐煤氣余熱回收系統。例如使用2000Nm3/h低位發熱值為2500kcal/的礦熱爐煤氣，可實現發電量1750kW/h。

2 微燃機簡介

微燃機是為響應習近平主席提出的“加快實現航空發動機及燃氣輪機自主研發和制造生產”要求，國內科研單位近年研發的具有全部中國自主知識產權、可在國內全部配套生產的科技成果，單機發電效率33%±2%，NOx排放值≤25ppm。

微燃機主要由徑流式葉輪、特型燃燒室和煙氣循環回熱器組成，結構緊湊，配合以發電機和數字電力控制器可集成為撬裝設備，高效離心壓氣機、高效軸流渦輪、高效低排放燃燒、空氣軸承等技術打破國外技術封鎖壟斷，獲得全新突破；可實現無人值守和遠程控制。其中，高效低排放燃燒技術將氮氧化物NOx排放控制在25ppm以內的國際先進水平；空氣軸承技術無需冷卻劑、潤滑和散熱系統，8000小時保養一次，維護成本為內燃機的6%～8%。

圖1 回熱循環微燃機系統原理圖

表1 煤氣平衡表

目前微燃機燃料種類已由天然氣、柴油、汽油，擴展到煤層氣、焦爐煤氣、礦熱爐煤氣、生物質氣等，燃氣熱值適用范圍900～8500kcal/Nm3，應用范圍廣泛。

3 微燃機在礦熱爐煤氣余熱回收應用

3.1 項目原有配置

某公司有2臺36MVA交流全密閉礦熱爐，礦熱爐系統采用熱料熱裝工藝，配套建設有一座18000m3橡膠膜密封干式煤氣柜及煤氣儲配設施，2臺60t/h原料礦干燥烘干窯，2臺50t/h預還原沸騰爐，2臺20t/h水渣干燥爐，一套3500Nm3/h的PSA制氧裝置。單臺礦熱爐副產低位熱值為1840kcal/Nm3的電爐煤氣10100Nm3/h。項目所在地海拔高度+1200m。

項目副產煤氣平衡表見表2，電爐煤氣略有富裕。其中，礦預還原熱效率最低，系統為建立爐內還原氣氛，鼓入大量煤氣，出爐煙氣CO含量～25%，二次鼓入空氣補燃后進入預還原裝置物料升溫段。全廠煤氣綜合利用效率28.97%

表2 煤氣平衡表

3.2 微燃機選用

國內研發的微燃機有兩種型式，一種是簡單循環的微燃機，即電爐煤氣進入微燃機燃燒做功發電后，以610℃以上的高溫煙氣排出至下游用戶；第二種是帶回熱循環的微燃機，在最大化利用電爐煤氣的熱能發電以后，以307℃的低溫煙氣排出至下游用戶。

項目設計以原料礦干燥烘干窯、預還原沸騰爐、水冷渣干燥爐三個需求側為牽引，因地制宜，按照高品高用、低品低用的梯級利用原則，實現系統能量的統籌利用，真正把煤氣熱能吃干榨盡，提高能源使用效率，降本增效減排，實現客戶創值最大化的目標。

圖2 微燃機冷熱電聯產示意圖

根據項目3個需求側的生產特性，確定在預還原沸騰爐系統使用一臺E2100型簡單循環微燃機和一臺E2100-R型回熱循環微燃機聯合運行，原料礦干燥烘干窯和水冷渣干燥爐各使用E2100-R型回熱循環微燃機。

3.3 方案設計

經過分析，就項目三個需求側進行煤氣平衡計算，見表2。其中，預還原沸騰爐鼓入形成還原氣氛的煤氣，在排出后冷卻至100℃后，回收加壓進入2臺微燃機發電，其中E2100型簡單循環微燃機排煙以630℃進入預還原裝置物料升溫段，使物料出口溫度達到550℃。經技術改造后的全廠煤氣綜合利用效率67.65%。

項目分布式靈活配置微燃機8臺，其中原料礦干燥烘干窯和水冷渣干燥爐各配置2臺E2100-R微燃機，預還原沸騰爐配置2臺E2100微燃機+2臺E2100-R微燃機。

3.3.1 原料礦干燥烘干窯微燃機方案

項目配置2臺φ2.7m×18m烘干回轉窯，單臺烘干窯煤氣流量2150Nm3/h，進窯物料含水率＜10%，生產能力60t/h，排煙溫度＜125℃，回轉窯需求熱量3244Kw/h，煙氣引風機最大流量48000Nm3/h，窯頭工作壓力-100Pa～-20Pa。

根據項目配置烘干回轉窯性能要求，一對一配置E2100-R型回熱循環微燃機。微燃機性能見表3。

表3 E2100-R型微燃機性能參數表（海拔1100m熱值1840kcal/Nm3）

基本配置方案為：Q=2173Nm3/h電爐煤氣進入燃氣輪機發電，煙氣以315℃低溫進入回轉窯烘干物料，115℃排出；當排煙溫度小于110℃時，啟動回轉窯煤氣補燃裝置，補燃煤氣流量～338Nm3/h。煙氣進入裝置原有布袋除塵器，通過脫硫脫硝系統外排。

燃氣輪機發電電壓10kV,從10kV并網接入柜饋出，通過并網控制器控制發電機電力并網接入，通過10kV電纜接入用戶10kV備用開關柜，以“自發自用，并網不上網”的方式進行供電。

當原料礦含水率＜8%時，回轉窯煤氣補燃裝置可不開啟，直接使用微燃機煙氣即可滿足烘干窯生產質量要求，此時，煙氣NOx排放值≤25ppm；當回轉窯煤氣補燃流量在～338Nm3/h時，煙氣NOx排放值≤50ppm。

3.3.2 預還原沸騰爐微燃機方案

項目配置2臺50t/h預還原沸騰爐。預還原裝置升溫段煤氣流量1025Nm3/h，功率2550kW，物料出口溫度550℃；還原沸騰段煤氣流量4325Nm3/h，功率750kW，煙氣出口補入空氣補燃，進入物料升溫段。

根據項目配置單臺50t/h預還原沸騰爐性能特點，確定方案如下

（1）預還原裝置還原沸騰段的出口煙氣7450Nm3/h（熱值1350kcal/Nm3），經冷卻加壓后，進入E2100微燃機和E2100-R微燃機。

（2）煙氣Q=2385Nm3/h與電爐煤氣231Nm3/h混合后，進入E2100-R微燃機發電后，315℃尾氣經冷卻外排。

（3）煙氣Q=5065Nm3/h進入E2100簡單循環微燃機發電后，尾氣以630℃、流量19.992kg/s進入預還原裝置升溫段將原料加熱至550℃，工況330℃進入尾氣冷卻器，經冷卻外排。

（4）發電配置同原料礦烘干窯系統。

表4 E2100型微燃機性能參數表（海拔1100m熱值1350kcal/Nm3）

表5 E2100-R型微燃機性能參數表（海拔1100m熱值1350kcal/Nm3）

3.3.3 水冷渣干燥爐

項目配置2套水渣干燥裝置，干燥功率1790kW，耗用電爐煤氣835Nm3/h。

水渣干燥裝置技術改造較為簡單，配置2臺E2100-R微燃機，315℃的煙氣直接進入水渣干燥裝置。

水渣干燥裝置的布袋除塵器需增加一組，增加系統的除塵能力。

3.4 富氧輔助發電技術

鑒于項目所在地海拔高度+1100m，空氣當中的氧含量為19.19%，低于海平面空氣20.947%的氧含量，由此，微燃機在技術評價時進行了2種分析：一是單純的使用微燃機自身的壓氣機對空氣進行吸氣壓縮，并進行評估計算，確定微燃機的發電熱效率、發電量、煤氣消耗量和排煙溫度；二是在微燃機壓氣機空氣吸入口，制造富氧氛圍，使壓氣機空氣吸入口氧含量達到20.947%，進行評估計算，確定微燃機的各項技術參數。

經過評估分析確認，本項目的微燃機在海拔高度1100m時，空氣中氧含量提高至20.947%、排煙溫度控制在315℃時，煤氣消耗量提高8%～12%，發電量提高～10%，發電熱效率提高0.3%，具有良好的經濟效益。

本項目已配置有一套3500Nm3/h的PSA制氧裝置，完全可以滿足8臺微燃機微富氧量使用要求。

4 項目經濟效益和環保效益

本項目預計總投資1.1億元，總裝機容量12950kW，總外發電功率11000kW。按某水電大省冶金行業0.416元/度電價計算，年毛利潤3600萬元/a，4年可收回投資。如在北方高電價需供熱地區，則預計2年可收回投資。

本項目微燃機使用高效低排放燃燒技術，將氮氧化物NOx排放控制在25ppm以內，故烘干和預還原系統內的脫硝裝置正常情況下可不開啟，降低了礦熱爐系統的運行成本。

本項目經過初步評價，預計可減排二氧化碳13.8萬t/a，獲得碳匯指標8.97萬t/a，環保效益良好。

5 結論

本項目具有良好的經濟效益、環保效益和社會效益，將全廠煤氣綜合利用效率由28.97%提高到68.65%，同時獲得了萬t/a碳匯指標。目前主要應用于南方水電大省，經濟效益和環保效益尚未最大化，在項目預還原沸騰爐余熱利用還有潛力，經過熱力計算，此部分排放余熱，可生產0.8MPa飽和水蒸氣10～12t，如北方地區可用于冬季取暖，或周邊有蒸汽用戶或冷凍用戶，實現冷熱電聯產。

本項目技術可應用于有色冶金行業凡有煤氣產出的各個企業，具有極佳的推廣價值。