淺談鋼鐵企業(yè)高爐煤氣發(fā)電技術(shù)

■李洪斌 ■河北大墺城市規(guī)劃設(shè)計有限公司，河北 邯鄲 056002

我國人口占世界總?cè)丝诘?0%，是世界人口數(shù)量最多的國家，但已探明的煤炭儲量僅占世界儲量的11%，原油占2.4%，天然氣僅占1.2%，我國是能源資源相對匱乏的國家，人均能源資源占有量不到世界平均水平的一半。與此同時，我國能源利用率卻平均只有36.3%左右，較發(fā)達(dá)國家低約10%。我國單位GDP 能耗是世界平均水平2.5倍，美國的3.3 倍，也高于巴西、墨西哥等發(fā)展中國家，是能源浪費最嚴(yán)重的國家之一。

鋼鐵工業(yè)能源消耗占全國總能耗15%左右，噸鋼能耗比發(fā)達(dá)國家高25～30%，主要原因是鐵鋼比高，高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣余能余熱回收利用率低等。在此情況下，如何充分回收利用余能余熱節(jié)能降耗顯得至關(guān)重要。

煉鐵高爐所產(chǎn)生的高爐煤氣是一種低熱值的有毒可燃?xì)怏w，熱值一般在3125～3500kJ/Nm3左右。通常條件下，除高爐熱風(fēng)爐自身使用外，還有大量富余，如不能回收利用則只能放空排放，造成能源浪費和環(huán)境污染，為了充分利用富余的高爐煤氣，一般情況是在燃煤動力鍋爐中摻燒一部分貨供小型混合煤氣鍋爐混燒，回收量都不大。隨著純燒高爐煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(CCPP)，TRT(高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置)，蓄熱室燃燒技術(shù)等在鋼廠的實施，高爐煤氣作為一種重要的能源，已在鋼鐵企業(yè)得到廣泛回收利用。在日本的鋼鐵企業(yè)如新日鐵，以及我國的寶鋼等先進(jìn)的鋼鐵企業(yè)，幾乎全部的高爐煤氣被回收再利用，大大降低了煉鋼能耗。本文就純燒高爐煤氣鍋爐發(fā)電、高爐煤氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合發(fā)電(CCPP)和TRT 發(fā)電技術(shù)進(jìn)行簡要介紹，為鋼鐵企業(yè)利用高爐煤氣節(jié)能環(huán)保提供參考。

1 純燒高爐煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)

20 世紀(jì)90年代中期，國內(nèi)開始自主開發(fā)并引進(jìn)國外全燒高爐煤氣發(fā)電技術(shù)，如上海一鋼建設(shè)的50MW 高爐煤氣發(fā)電機(jī)組于1999年年投產(chǎn)，首鋼的50MW 高爐煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組1996年建成投產(chǎn)，唐鋼的25MW 中溫中壓高爐煤氣發(fā)電機(jī)組抽汽汽輪發(fā)電機(jī)組2000 建成投產(chǎn)，鞍鋼的25MW 高爐煤氣發(fā)電機(jī)組于2000年投入運(yùn)行等等。目前，國內(nèi)主要有杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司、江西江聯(lián)能源環(huán)保股份有限公司、無錫華光鍋爐股份有限公司等企業(yè)生產(chǎn)130～220t/h 高溫高壓高爐煤氣電站鍋爐。近些年，此技術(shù)已在鋼鐵企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

純燒高爐煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)由燃高爐煤氣鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)及輔機(jī)等組成。通過高爐煤氣管道將減壓閥組減壓后或TRT 裝置后的低壓高爐煤氣送入鍋爐進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，驅(qū)動汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。通過汽輪機(jī)抽汽也可對外進(jìn)行供熱實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，發(fā)電既可作為企業(yè)自用，也可上網(wǎng)銷售。純燒高爐煤氣鍋爐發(fā)電廠較傳統(tǒng)燃煤電廠減少了煤處理系統(tǒng)，而且高爐煤氣是一種清潔能源，不必考慮煙氣除塵、脫硫、脫硝設(shè)施。但是對于燃料的安全監(jiān)控系統(tǒng)要求很高，運(yùn)行中需加強(qiáng)對煤氣泄漏的監(jiān)測，以確保運(yùn)行可靠安全。

2 TRT(高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置)

上世紀(jì)50年代中期，法國、比利時、捷克、蘇聯(lián)等國開始對TRT 進(jìn)行試驗研究。其中法國成功的開發(fā)了濕式TRT 系統(tǒng)，蘇聯(lián)則開發(fā)了干式TRT 系統(tǒng)。80年代，日本的TRT 裝置技術(shù)發(fā)展較快，三井造船、日立造船、川崎重工等對TRT 進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步提高了回收效率、降低了投資。

我國從60年代中期由武漢鋼鐵設(shè)計研究院開始研究、消化吸收國外TRT 技術(shù)。80年代初期通過大量試驗取得成功。于1988年前后，分別建成了武鋼3#高爐TRT，酒鋼1#高爐TRT。目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)基本都已配套建設(shè)了TRT 裝置，國產(chǎn)TRT 基本上達(dá)到了國際先進(jìn)水平。國產(chǎn)TRT 制造企業(yè)主要有西安陜鼓動力股份有限公司等。此技術(shù)在國內(nèi)鋼鐵廠已得到廣泛應(yīng)用。

TRT 煤氣入口從文氏管后的煤氣管接出，TRT 的煤氣出口與調(diào)壓閥組后的凈煤氣主管相接，可以代替減壓閥組調(diào)節(jié)穩(wěn)定爐頂壓力，所以TRT 是與調(diào)壓閥組并聯(lián)在凈煤氣管道上的。高壓煤氣在透平機(jī)內(nèi)膨脹做功，推動透平機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。透平機(jī)有軸流向心式、軸流沖動式和軸流反動式三種，其中軸流反動式的質(zhì)量小、效率高。在回收余壓能量方式上有部分回收、全部回收和平均回收三種，平均回收的發(fā)電能力高，設(shè)備投資低，投資回收期短，而且還能保證高爐爐頂壓力穩(wěn)定，我國寶鋼的TRT 就采用平均回收方式。

煉鐵生產(chǎn)中，高爐爐頂煤氣壓力大于0.03 兆帕?xí)r，采用煤氣余壓發(fā)電技術(shù)裝備(TRT)可將這部分壓力能回收，其設(shè)備的工作原理是煤氣的余壓使煤氣在透平機(jī)內(nèi)進(jìn)行膨脹做功，推動透平機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，發(fā)出一定的電量。根據(jù)爐頂壓力不同，TRT 裝置所發(fā)出的電量與高爐煤氣的壓力和流量有關(guān)，一般噸鐵發(fā)電量為35 千瓦時～40千瓦時。采用干法除塵可以使發(fā)電量提高36%，而且溫度每升高10℃，會使發(fā)電透平機(jī)效率提高10%，進(jìn)而使TRT 裝置最高發(fā)電量可達(dá)54 千瓦時/噸鐵。

TRT 裝置的設(shè)置一般流程是:高爐煤氣經(jīng)過重力除塵器、干式(濕式)除塵器，進(jìn)入TRT 裝置，TRT 與減壓閥組是并聯(lián)設(shè)置。高壓的高爐煤氣經(jīng)過TRT 的入口蝶閥、入口插板閥(調(diào)速閥)、快切閥，進(jìn)入透平機(jī)膨脹作功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，自透平出來的低壓煤氣，進(jìn)入低壓煤氣系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)的出線經(jīng)變電所與電網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)送電或從電網(wǎng)接受電能。

3 高爐煤氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合發(fā)電(CCPP)

CCPP 是目前鋼鐵企業(yè)最先進(jìn)的煤氣回收利用技術(shù)，該技術(shù)將鋼鐵生產(chǎn)過程中的富余煤氣與空氣燃燒后產(chǎn)生高溫高壓煙氣，煙氣膨脹做功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，之后用余熱鍋爐將煙氣的余熱回收產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，利用蒸汽輪機(jī)再次發(fā)電，最終實現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。目前低熱值煤氣為燃料的CCPP 只被少數(shù)公司掌握，如ABB、日本川崎，美國GE等。CCPP 已在我國部分鋼鐵大型鋼鐵企業(yè)得到應(yīng)用，如寶鋼、萊鋼、鞍鋼、遷鋼等等，為企業(yè)創(chuàng)造了明顯的效益CCPP 發(fā)電效率高、成本低、經(jīng)濟(jì)效益好，發(fā)電效率高達(dá)45%，而同規(guī)模常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組效率僅為23%—35%左右，兩年即可收回投資成本。CCPP 以低熱值高爐煤氣為主要燃料，能大幅度減少高爐煤氣放散量，遷鋼的高爐煤氣基本上可以全部被回收利用，達(dá)到高爐煤氣零排放，節(jié)能效果明顯。CCPP 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電不需要冷卻水，新水耗用量不足常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組的一半。CCPP 燃?xì)夂涂諝饩鶅艋梁瑝m量約1 毫克/立方米進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，排氣含塵量僅為1 毫克/立方米，氮氧化物含量小于30PPM，遠(yuǎn)低于常規(guī)鍋爐1000 毫克/立方米的排放水平。

4 結(jié)論

(1)煉鋼企業(yè)高爐煤氣應(yīng)根據(jù)自身具體情況選擇適合的高爐煤氣發(fā)電技術(shù)，以期實現(xiàn)全部回收利用。(2)高爐煤氣發(fā)電設(shè)備投資回收期短，經(jīng)濟(jì)效益和社會環(huán)境效益顯著，應(yīng)予以廣泛采用。(3)大型煉鋼企業(yè)應(yīng)優(yōu)先采用先進(jìn)的CCPP 設(shè)備，以實現(xiàn)廢氣利用和能源梯級利用，使能源利用率最大化。

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