燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)及在鞍鋼的應(yīng)用

田永華

（中冶焦耐（大連）工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000）

一、研究背景

我國是能源消費大國，近年來，隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速增長，能源需求不斷增加。鋼鐵工業(yè)是高能耗行業(yè)，在國民經(jīng)濟總能耗中占很大比重。鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的富余煤氣，包括高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣，其中高爐煤氣含有有毒成份而且熱值較低，但產(chǎn)量極大，如果能合理利用可以為鋼鐵企業(yè)節(jié)約能源，降低能耗；大量放散則會造成極大的能源浪費，還會嚴(yán)重污染環(huán)境。

鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的富余煤氣，傳統(tǒng)的作法是將這些富余煤氣排放到大氣閃燒或者將其送入鍋爐進(jìn)行燃燒產(chǎn)生蒸汽，用于供熱或驅(qū)動汽輪機發(fā)電。煤氣燃燒產(chǎn)生蒸汽帶動蒸汽輪機發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換率低，投資相對較大，水消耗量較大，效率低，富余煤氣所含的能量不能獲得充分利用，而且對環(huán)境產(chǎn)生有害的影響。

隨著燃?xì)廨啓C技術(shù)的發(fā)展，人們找到了有效解決這個問題的方法。以燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)去利用富余煤氣，可回收低熱值煤氣用于發(fā)電、供熱，且熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到40%～58%以上，同時還可減少NOx的排放量，為鋼鐵企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，因此研究鋼鐵企業(yè)燃用低熱值煤氣燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電裝置有著廣闊的前景，同時也有著重大的能源戰(zhàn)備意義。

二、技術(shù)原理及設(shè)備組成

CCPP（Combined Cycle Power Plant）即燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電。聯(lián)合循環(huán)是把兩個使用不同工質(zhì)的獨立的動力循環(huán)，通過能量交換聯(lián)合在一起的循環(huán)。

鋼鐵企業(yè)CCPP以燃高爐煤氣為主，有的企業(yè)摻入少量焦?fàn)t煤氣，用于發(fā)電的煤氣熱值3000～3800kJ/m3，只是天然氣的1/10～1/6。凈化后的高爐煤氣經(jīng)煤氣壓縮機壓縮與被壓縮過的空氣（1.5～2.2MPa）在壓力燃燒室內(nèi)燃燒，高溫高壓煙氣直接在燃?xì)馔钙絻?nèi)膨脹做功并帶動空氣壓縮機與發(fā)電機完成燃機的單循環(huán)發(fā)電；燃?xì)馔钙脚懦龅臒煔猓囟纫话阍?00℃以上）通過余熱鍋爐生產(chǎn)中壓蒸汽，進(jìn)入蒸汽輪機發(fā)電，溫度120℃左右的尾氣通過煙囪排放，蒸汽輪機發(fā)電是燃機發(fā)電的補充，并完成聯(lián)合循環(huán)。CCPP的鍋爐和汽機都可以外供蒸汽，聯(lián)合循環(huán)可以靈活組成熱電聯(lián)產(chǎn)工廠。

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)裝置的主要設(shè)備有燃?xì)廨啓C（包括空氣壓縮機、燃燒室和燃?xì)馀蛎浲钙剑?、余熱鍋爐、蒸汽輪機等。對于高爐煤氣燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，由于高爐煤氣熱值低、容積流量大，煤氣增壓機消耗功率較大，因而也是聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一。

三、主要特點

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)作為一種先進(jìn)高效的動力裝置，具有以下特點：

（1）具有提高供電效率的最大潛在能力。目前，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)凈效率達(dá)到60%以上，熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有燃煤蒸汽輪機電廠。

（2）建設(shè)費用低。配置燃?xì)廨啓C按燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電，不但可以提高電廠電力，還可以降低建設(shè)費用，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電建設(shè)成本比燃煤電廠下降約10%。

（3）耗水量比較少。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠不需要大量冷卻水，可減少冷卻水的供應(yīng)，一般只有常規(guī)電站耗水量的50%～70%，這對于干旱缺水地區(qū)建電廠尤為重要。

（4）對環(huán)境污染極小。在各種型式的發(fā)電裝置中，聯(lián)合循環(huán)電廠的另一個主要優(yōu)點是能適應(yīng)環(huán)保要求，被稱為“清潔電廠”。它一般采用氣體燃料，燃燒產(chǎn)物無灰渣排放；燃燒效率高，燃燒產(chǎn)物CO2少。NOx排放量也下降約10%。

（5）調(diào)峰性能好，操作便捷。燃機從啟動到帶滿負(fù)荷運行，一般不到20min，快速啟動時，時間更短，因而聯(lián)合循環(huán)電廠是城市備用或調(diào)峰機組的最佳選擇。

四、經(jīng)濟性評價

根據(jù)熱力學(xué)原理，熱源溫度越高，冷源溫度越低，則循環(huán)效率越高。燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)中的熱源溫度高達(dá)1100～1300℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般蒸汽循環(huán)采用的主蒸汽溫度（540～566℃），其冷源溫度（凝汽器溫度）29～32℃遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般燃?xì)鈫窝h(huán)的排氣溫度（450～640℃），也就是燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)從高溫?zé)嵩次鼰?，向低溫的冷源放熱，因此?lián)合循環(huán)的熱效率比組成它的任何一個循環(huán)的熱效率要高。這樣，增加了機組的總輸出功率，使整個循環(huán)的熱效率提高。

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)按照熱量梯級利用的原則，將燃?xì)廨啓C與蒸汽輪機結(jié)合起來，同時利用了高品質(zhì)和低品質(zhì)的熱量，實現(xiàn)了按質(zhì)用能、梯級利用，從而獲得較高的循環(huán)效率。

五、應(yīng)用

2006年7月，國內(nèi)第一臺30萬kW的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機組（CCPP）在鞍鋼正式投入運行，該機組是目前世界功率最大、最先進(jìn)的燃燒低熱值高爐煤氣的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，該機組以高爐產(chǎn)生的副產(chǎn)品——高爐煤氣為主要燃料，輔以少量焦?fàn)t煤氣，在燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機組中發(fā)電，每小時可燃燒高爐煤氣46萬立方米、焦?fàn)t煤氣4萬立方米，于是，往日放散的高爐煤氣被頃刻間消耗，取而代之的則是源源不斷地釋放的清潔的電能。通過該發(fā)電機組，鞍鋼用電自給率大幅提高，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

聯(lián)合循環(huán)機組的裝機容量為30萬kW，其中燃?xì)廨啓C功率為18.3萬kW，燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1300℃，壓力1.52 MPa，燃?xì)廨啓C排煙溫度557℃，壓力2.73 kPa；汽輪機功率為11.7萬kW，余熱鍋爐蒸汽生產(chǎn)能力340t/h。聯(lián)合循環(huán)效率達(dá)到51%，滿負(fù)荷運行時，發(fā)電煤耗僅為253gce/kWh，屬于世界領(lǐng)先水平。

六、結(jié)論

目前國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)尚未做到煤氣零放散，CCPP技術(shù)可以實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，靈活平衡蒸汽、煤氣、電之間的關(guān)系，做到能源利用的最優(yōu)化，在各大鋼鐵公司對現(xiàn)有能源優(yōu)化利用中，應(yīng)優(yōu)先考慮采用以CCPP技術(shù)為主的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

隨著低熱值燃?xì)廨啓C運行經(jīng)驗的不斷豐富，燃料條件和燃機性能的不斷改善，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)技術(shù)與裝置在鋼鐵企業(yè)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。