第三代煤氣發電技術在鋼鐵企業中的應用

劉艷軍,馬西方

（寶鋼工程技術集團有限公司，上海，201900）

引言

鋼鐵是我國的支柱產業，也是能源消耗較大的行業，其能源消耗量占全國能源消耗量的16.3%，僅次于電力工業。而其中約有34%的能值進入副產品煤氣中，包括高爐煤氣（BFG），焦爐煤氣（COG）和轉爐煤氣（LDG），高效回收利用此部分能源，提高能源自給率，是降低鋼鐵企業工序能耗的比較有效的手段。在競爭日趨激烈的鋼鐵行業中，對于提高鋼鐵企業競爭力具有重要的意義。

1 煤氣發電技術在鋼鐵企業中的應用發展

利用煤氣發電，是合理利用副產品煤氣的最有效的方式之一，通過自發電可以提高鋼鐵企業自發電比例，提高能源自給率。初期鋼廠煤氣發電技術主要采用的是中溫中壓蒸汽參數（3.43 MPa/435 ℃）或者比此參數更低的低壓蒸汽參數，發電效率較低，小于25%，也是第一代煤氣發電技術。后期采用高溫高壓參數（8.83 MPa/535 ℃），發電效率在29%～31%，稱為第二代煤氣發電技術。現在隨著技術的發展，出現了第三代煤氣發電技術，也就是超高溫超高壓（13.2 MPa/566 ℃）煤氣發電技術，其發電效率可以達到35%～38%[1]。隨著科技的進步和煤氣發電技術的發展，已經有些鋼鐵企業使用了亞臨界超高溫發電機組這類更高參數的機組，發電效率已經達到了40%左右，但是相對于第三代發電技術，此類機組初期投資較高，但是發電效率增加不明顯，導致投資回收期較長，投資收益率不如超高溫超高壓機組。因此在鋼鐵企業內，第三代煤氣發電技術認可度比較高，應用也最為廣泛。

2 某鋼鐵廠煤氣發電方案

2.1 廠區煤氣平衡的擬定

鋼鐵企業煤氣的平衡對于企業的正常生產是至關重要的，科學準確地擬定廠區煤氣平衡是確定鋼廠煤氣發電機組容量的前提和關鍵[2]。鋼鐵企業應該盡可能利用自產煤氣，以減少外購燃料，降低鋼鐵生產成本，提高企業競爭力。煤氣發電是煤氣平衡調節的重要條件環節，合理的鍋爐容量既可以全部利用富裕煤氣，也可以做到機組效率最優化。

根據鋼廠實際生產情況和相關資料確定該廠原則性煤氣平衡情況如表1所列。

表1 全廠煤氣平衡表 m3/h

由表1 可看出，全廠焦爐煤氣富裕2 362 m3/h，高爐煤氣富裕150 337 m3/h，轉爐煤氣富裕16 846 m3/h，由于轉爐煤氣最終都并入高爐煤氣管網，所以本次熱點區域所使用的煤氣為高爐煤氣和轉爐煤氣的混合氣，根據熱值統一折算為高爐煤氣富裕量約為176 700 m3/h。

2.2 煤氣發電方案

2.2.1 鍋爐方案

根據全廠煤氣平衡分析，確定機爐設計方案為，設置一臺200 t/h 超高溫超高壓煤氣鍋爐，鍋爐采用單鍋筒“π”型布置，膜式水冷壁、方型爐膛自然循環、微負壓燃燒的超高溫、超高壓、一次中間再熱蒸汽鍋爐，露天布置，為滿足鍋爐排煙要求，在鍋爐尾部設置一套除塵和脫硫脫硝裝置。

鍋爐額定蒸發量為200 t/h，額定壓力13.7 MPa，額定蒸發溫度570 ℃，給水溫度204 ℃，燃料類型為高爐煤氣和轉爐煤氣的混合氣，經過計算所需煤氣量約為180 000 m3/h，由于煤氣供應存在波動性，鍋爐是變負荷調節，調節范圍為30%～110%。在額定負荷30%以上范圍內可保證穩定燃燒、保證水循環安全；在50%～110%負荷范圍內保證主蒸汽的溫度，70%～110%負荷范圍內保證再熱蒸汽的溫度。

2.2.2 汽機方案

設置一臺額定功率為60 MW的汽輪發電機組，機組采用超高溫超高壓、一次中間再熱、單軸、單排汽凝汽式機組。回熱系統采用2 臺高加+3 臺低加+1 臺除氧器的六級回熱系統，低加疏水逐級自流，同時設置疏水旁路以備事故狀態時逐級自流至凝汽器。不考慮任何型式的外置式蒸汽冷卻器和疏水冷卻器。軸封加熱器為一級。每臺機組設置2臺容量為110%額定給水量的電動給水泵，除氧器采用滑壓運行。同時為滿足廠區工業用汽的需求，保證管網蒸汽系統的穩定，在再熱冷段設置抽汽系統，供汽壓力不小于2.3 MPa，溫度300 ℃，最大供汽量50 t/h。

汽輪機廠房A-B 柱線跨距24 m，縱向布置，廠房設置一臺50/10 t電動雙梁橋式起重機，高壓加熱器采用臥式，布置在機頭處，低壓加熱器為立式，布置在機頭靠近B列，同時在0 m層靠近B列設置2臺給水泵，在A列固定端設置檢修大門；為滿足凝汽器抽芯檢修需要，汽輪機中心線距離A 列11 m，汽輪機運轉層標高9.0 m，夾層4.5 m；B-C 跨距9.0 m，在0 m 層布置廠用電變電室和配電室，4.5 m 層設置管道間和電纜夾層，在9.0 m 布置控制室和備件庫，控制室頂部露天布置除氧器，層高17.9 m。為減少占地面積，將交流油泵、直流油泵、頂軸油泵、油箱等油系統集成一體，布置在4.5 m 層靠近A 列處；室外埋地布置30 m3事故油罐，作為事故時的緊急泄油裝置。

2.2.3 煙氣凈化方案

煤氣中的含硫成分在燃燒后會產生SO2，煙氣中SO2的含量約為120 mg/m3。為滿足大氣污染物排放標準，需要對煙氣進行脫硫處理。本項目設計條件為出口煙氣量約320 000 m3/h，煙氣溫度約140 ℃，SO2初始濃度約120 mg/m3。經過技術經濟比較和場地要求，本項目采用半干法循環流化床煙氣脫硫方法。該方法通過對吸收劑的多次再循環，延遲了吸收劑與煙氣的接觸時間，大大提高了吸收劑的利用率和脫硫效率。采用本技術，脫硫效率≥90%，Ca/S 比≤1.4，出口粉塵濃度＜5 mg/m3，完全滿足排放標準。

本項目鍋爐燃燒器采用低氮燃燒燒嘴，煙氣中NOx 濃度達標為50 mg/m3，滿足新建燃氣鍋爐排放標準，因此無需建設脫硝設施，但是預留了SNCR 脫硝系統的接口，可在將來燃料更換、排放標準提高或其他原因需要時增加SNCR脫硝系統。

3 設計中的關鍵注意事項

（1）設計不僅需要滿足規范的要求，更多地需要考慮日常巡檢和維修的方便，因此必須保證巡檢路徑的最優化和足夠的檢修空間[3]。在本次設計中為保證巡檢的方便，在汽機尾部和頭部設置了上下巡檢樓梯，縮短了巡檢距離，在B 列處，汽機和給水泵之間作為主要的檢修通道，凈距2.5 m 左右，輔助設備的上方預留檢修洞，保證日常檢修需要。

（2）四大管道管材的選取。四大管道是電站的核心管道，是鍋爐汽機安全有效運行的關鍵，因此該部分管道的選材就至關重要。本項目中四大管道管道特性如表2所列。

表2 四大管道信息一覽表

A335P91 合金鋼管具有高溫強度高、高抗蠕變和抗氧化性，與其他管材相比，同樣的條件下，該管道比其他管道壁薄，重量減少30%～40%，支吊架荷載也相應減小，方便安裝。雖然20G 也可以用A106B 或者WB36 等管道代替，但是由于該管道比較常規，價格相對低廉，因此在滿足要求的前提下，選用常見且造價較低的管道材質。

（3）由于管道數量較多，但是空間卻有限，因此在二維管道布局過程中難免會出現干涉現象，為避免出現這種情況，引入三維協同設計是比較好的解決方案。借助公司已有的Bentley 三維設計軟件和云辦公平臺，在同一個協同平臺完成，數據都保存在數據庫中，不同專業之間可以相互查看而不可以修改，這樣在設計過程中可以直觀展現設備和管道相對位置關系，在設計時可以有效避免干涉，保證不同專業之間設備和管道布局合理。

4 結論與建議

（1）引入煤氣發電技術，可以有效保證廠區煤氣的平衡，煤氣發電系統可以作為管網煤氣平衡的有效調節手段。

（2）利用鋼鐵廠富裕煤氣發電，每年供電量約4.2 億kWh，可以降低鋼廠外購電比例，降低產品綜合能耗，提高產品的競爭力。

（3）引入三維協同設計，有效避免了管道干涉，直觀展現了廠房內布置狀況。

（4）現在使用的超高溫超高壓發電系統，其發電效率在35%～38%，若想提高發電效率，建議引入燃氣-蒸汽聯合發電系統，這樣效率可以達到44%～47%。但這樣前期投資會增加，后期可以將兩者進行技術經濟比較，以確定兩方案的優劣。