第三代煤氣發(fā)電技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用

劉艷軍,馬西方

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海，201900）

引言

鋼鐵是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是能源消耗較大的行業(yè)，其能源消耗量占全國(guó)能源消耗量的16.3%，僅次于電力工業(yè)。而其中約有34%的能值進(jìn)入副產(chǎn)品煤氣中，包括高爐煤氣（BFG），焦?fàn)t煤氣（COG）和轉(zhuǎn)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(yè)工序能耗的比較有效的手段。在競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的鋼鐵行業(yè)中，對(duì)于提高鋼鐵企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。

1 煤氣發(fā)電技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展

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

2 某鋼鐵廠煤氣發(fā)電方案

2.1 廠區(qū)煤氣平衡的擬定

鋼鐵企業(yè)煤氣的平衡對(duì)于企業(yè)的正常生產(chǎn)是至關(guān)重要的，科學(xué)準(zhǔn)確地?cái)M定廠區(qū)煤氣平衡是確定鋼廠煤氣發(fā)電機(jī)組容量的前提和關(guān)鍵[2]。鋼鐵企業(yè)應(yīng)該盡可能利用自產(chǎn)煤氣，以減少外購(gòu)燃料，降低鋼鐵生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。煤氣發(fā)電是煤氣平衡調(diào)節(jié)的重要條件環(huán)節(jié)，合理的鍋爐容量既可以全部利用富裕煤氣，也可以做到機(jī)組效率最優(yōu)化。

根據(jù)鋼廠實(shí)際生產(chǎn)情況和相關(guān)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?fàn)t煤氣富裕2 362 m3/h，高爐煤氣富裕150 337 m3/h，轉(zhuǎn)爐煤氣富裕16 846 m3/h，由于轉(zhuǎn)爐煤氣最終都并入高爐煤氣管網(wǎng)，所以本次熱點(diǎn)區(qū)域所使用的煤氣為高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的混合氣，根據(jù)熱值統(tǒng)一折算為高爐煤氣富裕量約為176 700 m3/h。

2.2 煤氣發(fā)電方案

2.2.1 鍋爐方案

根據(jù)全廠煤氣平衡分析，確定機(jī)爐設(shè)計(jì)方案為，設(shè)置一臺(tái)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(huán)、微負(fù)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(shè)置一套除塵和脫硫脫硝裝置。

鍋爐額定蒸發(fā)量為200 t/h，額定壓力13.7 MPa，額定蒸發(fā)溫度570 ℃，給水溫度204 ℃，燃料類型為高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的混合氣，經(jīng)過計(jì)算所需煤氣量約為180 000 m3/h，由于煤氣供應(yīng)存在波動(dòng)性，鍋爐是變負(fù)荷調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為30%～110%。在額定負(fù)荷30%以上范圍內(nèi)可保證穩(wěn)定燃燒、保證水循環(huán)安全；在50%～110%負(fù)荷范圍內(nèi)保證主蒸汽的溫度，70%～110%負(fù)荷范圍內(nèi)保證再熱蒸汽的溫度。

2.2.2 汽機(jī)方案

設(shè)置一臺(tái)額定功率為60 MW的汽輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組采用超高溫超高壓、一次中間再熱、單軸、單排汽凝汽式機(jī)組。回?zé)嵯到y(tǒng)采用2 臺(tái)高加+3 臺(tái)低加+1 臺(tái)除氧器的六級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)，低加疏水逐級(jí)自流，同時(shí)設(shè)置疏水旁路以備事故狀態(tài)時(shí)逐級(jí)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(jí)。每臺(tái)機(jī)組設(shè)置2臺(tái)容量為110%額定給水量的電動(dòng)給水泵，除氧器采用滑壓運(yùn)行。同時(shí)為滿足廠區(qū)工業(yè)用汽的需求，保證管網(wǎng)蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定，在再熱冷段設(shè)置抽汽系統(tǒng)，供汽壓力不小于2.3 MPa，溫度300 ℃，最大供汽量50 t/h。

汽輪機(jī)廠房A-B 柱線跨距24 m，縱向布置，廠房設(shè)置一臺(tái)50/10 t電動(dòng)雙梁橋式起重機(jī)，高壓加熱器采用臥式，布置在機(jī)頭處，低壓加熱器為立式，布置在機(jī)頭靠近B列，同時(shí)在0 m層靠近B列設(shè)置2臺(tái)給水泵，在A列固定端設(shè)置檢修大門；為滿足凝汽器抽芯檢修需要，汽輪機(jī)中心線距離A 列11 m，汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)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(shè)置管道間和電纜夾層，在9.0 m 布置控制室和備件庫(kù)，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(tǒng)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(shí)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(huì)產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫處理。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和場(chǎng)地要求，本項(xiàng)目采用半干法循環(huán)流化床煙氣脫硫方法。該方法通過對(duì)吸收劑的多次再循環(huán)，延遲了吸收劑與煙氣的接觸時(shí)間，大大提高了吸收劑的利用率和脫硫效率。采用本技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)。

本項(xiàng)目鍋爐燃燒器采用低氮燃燒燒嘴，煙氣中NOx 濃度達(dá)標(biāo)為50 mg/m3，滿足新建燃?xì)忮仩t排放標(biāo)準(zhǔn)，因此無(wú)需建設(shè)脫硝設(shè)施，但是預(yù)留了SNCR 脫硝系統(tǒng)的接口，可在將來(lái)燃料更換、排放標(biāo)準(zhǔn)提高或其他原因需要時(shí)增加SNCR脫硝系統(tǒng)。

3 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵注意事項(xiàng)

（1）設(shè)計(jì)不僅需要滿足規(guī)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(yōu)化和足夠的檢修空間[3]。在本次設(shè)計(jì)中為保證巡檢的方便，在汽機(jī)尾部和頭部設(shè)置了上下巡檢樓梯，縮短了巡檢距離，在B 列處，汽機(jī)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(shè)備的上方預(yù)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(jī)安全有效運(yùn)行的關(guān)鍵，因此該部分管道的選材就至關(guān)重要。本項(xiàng)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(qiáng)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(yīng)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(guī)，價(jià)格相對(duì)低廉，因此在滿足要求的前提下，選用常見且造價(jià)較低的管道材質(zhì)。

（3）由于管道數(shù)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(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，為避免出現(xiàn)這種情況，引入三維協(xié)同設(shè)計(jì)是比較好的解決方案。借助公司已有的Bentley 三維設(shè)計(jì)軟件和云辦公平臺(tái)，在同一個(gè)協(xié)同平臺(tái)完成，數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，不同專業(yè)之間可以相互查看而不可以修改，這樣在設(shè)計(jì)過程中可以直觀展現(xiàn)設(shè)備和管道相對(duì)位置關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)可以有效避免干涉，保證不同專業(yè)之間設(shè)備和管道布局合理。

4 結(jié)論與建議

（1）引入煤氣發(fā)電技術(shù)，可以有效保證廠區(qū)煤氣的平衡，煤氣發(fā)電系統(tǒng)可以作為管網(wǎng)煤氣平衡的有效調(diào)節(jié)手段。

（2）利用鋼鐵廠富裕煤氣發(fā)電，每年供電量約4.2 億kWh，可以降低鋼廠外購(gòu)電比例，降低產(chǎn)品綜合能耗，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）引入三維協(xié)同設(shè)計(jì)，有效避免了管道干涉，直觀展現(xiàn)了廠房?jī)?nèi)布置狀況。

（4）現(xiàn)在使用的超高溫超高壓發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電效率在35%～38%，若想提高發(fā)電效率，建議引入燃?xì)?蒸汽聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，這樣效率可以達(dá)到44%～47%。但這樣前期投資會(huì)增加，后期可以將兩者進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以確定兩方案的優(yōu)劣。