高海拔地區(qū)富氧技術(shù)在微燃機(jī)上的應(yīng)用

華志宇 王 斌 楊春旺 江智華

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司,云南 昆明 650051;2.龍佰武定鈦業(yè)有限公司,云南 楚雄 650100;3.四川龍蟒礦冶有限責(zé)任公司,四川 攀枝花 617100)

0 引言

某有色冶金公司設(shè)置有1 臺(tái)30 MVA 全密閉直流電爐用于高鈦渣原材料生產(chǎn),每小時(shí)產(chǎn)生低位熱值2.35 kcal/Nm3,電爐煤氣7 500 Nm3/h。建設(shè)之期因技術(shù)原因,富裕煤氣5 400 Nm3/h 未能使用。近年國(guó)內(nèi)已有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微燃機(jī)使用,計(jì)劃使用3 臺(tái)E2100-R 微燃機(jī)將富裕煤氣余熱回收用于發(fā)電,但因項(xiàng)目所在地海拔高度1 880 m,空氣中氧含量較低,僅為17.939 %,導(dǎo)致微燃機(jī)發(fā)電功率降低,此問(wèn)題亟待解決。

1 富氧技術(shù)和微燃機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 富氧技術(shù)

近20 年,隨著國(guó)際能源供應(yīng)趨緊和能源價(jià)格的日益高漲,許多發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量的人力物力研究富氧燃燒技術(shù),均得出節(jié)能、增產(chǎn)、提高品質(zhì)、減少煙塵排放、減少CO2排放、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的結(jié)論。我國(guó)在工業(yè)窯爐、火力發(fā)電方面就富氧燃燒進(jìn)行助燃、節(jié)能,也取得了一定的技術(shù)進(jìn)步,目前主要應(yīng)用于火力發(fā)電廠燃煤鍋爐、玻璃行業(yè)、水泥爐窯等方面,在富氧度23 %～30 %情況下,可節(jié)能10 %～45 %。

目前,可獲得富氧空氣或純氧的方法主要有4 種：①是深冷法制氧,即利用氧氣和氮?dú)獠煌囊夯瘻囟冗M(jìn)行深冷制氧,可以獲得純度99 %以上的液氧;②是變壓吸附分子篩制氧(PSA 法),利用專用分子篩選擇性吸附空氣中的氮?dú)?、CO2和水等雜質(zhì),從而取得純度較高的氧氣 (約93 %);③是膜法制氧,利用空氣中各組分透過(guò)膜時(shí)的滲透速率不同,在壓力差驅(qū)動(dòng)下,使空氣中氧氣優(yōu)先通過(guò)膜而得到富氧空氣。用這種膜進(jìn)行多氣體分離,即可以得到含約30 %以上氧氣的富氧氣空氣;④是磁效應(yīng)富氧,即利用氧氣分子和氮?dú)夥肿拥牟煌捻槾判院湍娲判?在2 種氣體分子經(jīng)過(guò)高磁磁場(chǎng)時(shí),發(fā)生不同方向的偏轉(zhuǎn),而得到約24 %富氧空氣。

在上述4 種制氧方法當(dāng)中,深冷法制氧和PSA 法投資大、能耗高、對(duì)環(huán)境及場(chǎng)地要求高,但可通過(guò)稀釋混均方法獲得不同含氧量的富氧空氣;膜法制氧、磁效應(yīng)制氧較深冷法和PSA 法制氧,投資和能耗均較低,但膜法制氧的膜組件容易受空氣粉塵污染失效;磁效應(yīng)制氧目前可以穩(wěn)定獲得含氧量24 %的富氧空氣,富氧組件無(wú)需更換檢修。

1.2 微燃機(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)簡(jiǎn)稱微燃機(jī),是一種單臺(tái)機(jī)組發(fā)電功率小于2 MW 的小型燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電裝置,是為響應(yīng)習(xí)近平提出的“加快實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)自主研發(fā)和制造生產(chǎn)”的要求,國(guó)內(nèi)科研單位近年研發(fā)的具有全部中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、可在國(guó)內(nèi)全部配套生產(chǎn)的科技成果,可靈活配置為分布式能源余熱回收系統(tǒng)和多機(jī)集成擴(kuò)容配置,非常適合煤氣發(fā)生量較小的礦熱爐煤氣余熱回收系統(tǒng)。回?zé)嵫h(huán)微燃機(jī)系統(tǒng)原理,見(jiàn)圖1。

圖1 回?zé)嵫h(huán)微燃機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the micro turbine system with a regenerative cycle

微燃機(jī)主要由徑流式葉輪、特制燃燒室和循環(huán)回?zé)崞鹘M成,結(jié)構(gòu)緊湊,配合以發(fā)電機(jī)和數(shù)字電力控制器可集成為撬裝設(shè)備,高效離心壓氣機(jī)、高效軸流渦輪、高效低排放燃燒、空氣軸承等技術(shù)打破國(guó)外技術(shù)封鎖壟斷,獲得全新突破;自動(dòng)化控制,實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守和遠(yuǎn)程控制。其中,高效低排放燃燒技術(shù)將氮氧化物NOx 排放控制在25 ppm 以內(nèi)的國(guó)際先進(jìn)水平;空氣軸承技術(shù)無(wú)需冷卻劑、潤(rùn)滑和散熱系統(tǒng),8 000 h 保養(yǎng)一次,維護(hù)成本僅為內(nèi)燃機(jī)的5 %～10 %。

微燃機(jī)單機(jī)發(fā)電效率33 %±2 %,例如使用2 000 Nm3/h 低位發(fā)熱值為2 500 kcal/的礦熱爐煤氣,可實(shí)現(xiàn)發(fā)電量1 750 kW/h。

對(duì)能耗高的冶金企業(yè)用戶,微燃機(jī)發(fā)電電壓可設(shè)置為10 kV,以“自發(fā)自用,并網(wǎng)不上網(wǎng)”的方式進(jìn)行供電。

2 富氧輔助微燃機(jī)方案

2.1 微燃機(jī)富氧評(píng)價(jià)

就項(xiàng)目所在地、煤氣成分、煤氣低位熱值進(jìn)行微燃機(jī)評(píng)價(jià)：①是單純的使用微燃機(jī)自身的壓氣機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行吸氣壓縮,并進(jìn)行評(píng)估計(jì)算,確定微燃機(jī)的發(fā)電熱效率、發(fā)電量、煤氣消耗量和排煙溫度;②是在微燃機(jī)壓氣機(jī)空氣吸入口,制造富氧氛圍,使壓氣機(jī)空氣吸入口氧含量達(dá)到20.947 %,進(jìn)行評(píng)估計(jì)算,確定微燃機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),見(jiàn)表1。

表1 E2100-R 型微燃機(jī)性能參數(shù)表(海拔1 880 m 無(wú)富氧)Tab.1 E2100-R micro turbine performance parameter (at an altitude of 1,880 m without oxygen enrichment)

當(dāng)使用送風(fēng)生產(chǎn)制度,空氣當(dāng)中氧含量添加至20.95 %、風(fēng)壓2 kPa 時(shí),排煙溫度控制在307 ℃～315 ℃之間,E2100-R 型微燃機(jī)生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 E2100-R 型微燃機(jī)性能參數(shù)表(海拔1 880 m 氧含量20.95 %)Tab.2 E2100-R micro turbine performance parameter (at an altitude of 1,880 m oxygen content 20.95%)

經(jīng)過(guò)評(píng)估分析確認(rèn),該項(xiàng)目的微燃機(jī),在海拔高度1 880 m 時(shí),空氣中氧含量提高至20.95 %、排煙溫度控制在315 ℃時(shí),煤氣消耗量提高20 %～22 %,發(fā)電量提高約22.8 %,發(fā)電效率提高0.2 %,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 富氧裝置選擇及設(shè)計(jì)

2.2.1 富氧空氣流量

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,空氣中氧氣的體積含量約為20.947 %,氮?dú)饧s為79 %,另外存在極少量惰性氣體;海拔高度每升高100 m,空氣中的氧含量降低0.16 %。

該項(xiàng)目所在地海拔高度1 880 m,空氣中氧含量?jī)H為17.939 %,低于海平面氧含量3.008 %。按照評(píng)價(jià)計(jì)算,該項(xiàng)目單臺(tái)微燃機(jī)需鼓入氧含量20.95 %、當(dāng)?shù)卮髿鈮?0.49 hpa,工況空氣17 200 m3/h。項(xiàng)目設(shè)計(jì)3 臺(tái)微燃機(jī)組并列布置,工況空氣設(shè)計(jì)總需求量51 600 m3/h。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)富氧空氣選擇方案3 個(gè)：①是PSA法富氧+空氣混均;②是膜法富氧+空氣混合;③是磁效應(yīng)富氧+膜法空氣混合。

2.2.2 富氧方案比對(duì)

(1) PSA 法富氧+空氣混均方案

該方案設(shè)置PSA 法制氧機(jī)1 臺(tái)套,制氧量2 000 Nm3/h,氧含量＞90 %。

設(shè)置3 套18 000 Nm3/h 富氧空氣混均裝置,單臺(tái)氧氣流量650 Nm3/h,每套裝置包括：氧氣減壓閥1 臺(tái)、氧氣流量調(diào)節(jié)閥1 臺(tái)、氧氣混合空氣裝置1 臺(tái)、氧含量分析儀1 臺(tái),通過(guò)氧含量分析儀控制氧氣流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,實(shí)現(xiàn)微富氧空氣的實(shí)現(xiàn)。

項(xiàng)目總裝機(jī)功率1 040 kW,運(yùn)行最大負(fù)荷850 kW。

該方案預(yù)計(jì)全部建設(shè)投資1 200 萬(wàn)元。

(2) 膜法富氧+空氣混合方案

該方案設(shè)置4 500 Nm3/h 富氧空氣(30 %±1 %) 制備塔3 座,設(shè)置1 套氧含量分析儀,3套4 500+13 500 Nm3/h 富氧空氣混均裝置,即將富氧空氣(30 %±1 %) 制備塔生產(chǎn)的富氧空氣和環(huán)境當(dāng)中的空氣均勻混合后送至微燃機(jī)使用,見(jiàn)圖2。

圖2 膜法富氧空氣制備塔Fig.2 Membrane oxygen enriched air preparation tower

項(xiàng)目總裝機(jī)功率618 kW,運(yùn)行最大負(fù)荷441 kW。

該方案預(yù)計(jì)全部建設(shè)投資650 萬(wàn)元。

(3) 磁效應(yīng)富氧+膜法空氣混合

該方案設(shè)置26 000 Nm3/h 磁效應(yīng)富氧制備塔2座,富氧空氣出口濃度20.5 % (海拔1 880 m),設(shè)置3 000 Nm3/h 膜法富氧空氣(30 %±1 %) 制備塔1 座,設(shè)置1 套氧含量分析儀,1 套3 000 Nm3/h 富氧空氣(30 %±1 %) +52 000 Nm3/h 富氧空氣(20.5 %±0.5 %) 混合混均裝置。即將膜法富氧空氣制備塔生產(chǎn)的富氧空氣與磁效應(yīng)富氧制備塔生產(chǎn)的富氧空氣充分混合混均后送微燃機(jī)使用。

項(xiàng)目總裝機(jī)功率327.6 kW,運(yùn)行最大負(fù)荷188.4 kW。

該方案預(yù)計(jì)全部建設(shè)投資500 萬(wàn)元。

根據(jù)以上3 個(gè)方案比對(duì),確認(rèn)磁效應(yīng)富氧+膜法空氣混合方案投資最低,運(yùn)行負(fù)荷最小。

2.3 富氧輔助調(diào)節(jié)微燃機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目微燃機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

(1) 微燃機(jī)并列設(shè)置3 臺(tái),型號(hào)E2100-R,額定發(fā)電功率1 610±50 kW,煤氣流量1 868 Nm3/h。微燃機(jī)中心距離7.5 m。

(2) 微燃機(jī)發(fā)電站煤氣總流量5 600 Nm3/h,工作壓力0.8 mPa。

(3) 微燃機(jī)發(fā)電站煙氣流量60 000 Nm3/h,排煙溫度315 ℃。

(4) 系統(tǒng)預(yù)留6 t 蒸汽余熱鍋爐位置,由業(yè)主根據(jù)自身?xiàng)l件和周邊蒸汽用戶條件確定是否建設(shè)蒸汽系統(tǒng)。

(5) 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電電壓10 kV,從10 kV 并網(wǎng)接入柜饋出,通過(guò)并網(wǎng)控制器控制發(fā)電機(jī)電力并網(wǎng)接入,通過(guò)10 kV 電纜接入用戶10 kV 備用開(kāi)關(guān)柜,以“自發(fā)自用,并網(wǎng)不上網(wǎng)”的方式進(jìn)行供電。

(6) 微燃機(jī)冷卻水使用軟水,工作壓力0.15 mPa,流量Q=20 t/h/臺(tái)×3/臺(tái)=60 t/h,進(jìn)水溫度30 ℃,出水溫度38 ℃。

(7) 微燃機(jī)自耗電,電壓380 V,輸入功率50 kW。

(8) 微燃機(jī)廠房生產(chǎn)送風(fēng)系統(tǒng)：21 %的富氧空氣(海拔高度+1 880 m),充滿微燃機(jī)廠房,廠房?jī)?nèi)工作壓力微正壓：+50 Pa。

(9) 微燃機(jī)廠房?jī)?nèi)設(shè)置CO 報(bào)警儀3 臺(tái),位于煤氣進(jìn)氣支管旁。在CO 含量超過(guò)16 ppm 時(shí),發(fā)出聲光報(bào)警。

(10) 微燃機(jī)廠房設(shè)置軸流風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥。在CO 含量超過(guò)16 ppm 時(shí),軸流風(fēng)機(jī)開(kāi)啟。

(11) 微燃機(jī)廠房為單層鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)廠房,廠房跨度18.5 m,廠房柱距7.5 m,長(zhǎng)度30 m。廠房?jī)?nèi)設(shè)Q=10 t 防爆電動(dòng)檢修行車(chē)1臺(tái),吊鉤距地面7.5 m。

(12) 廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)：使用磚砌墻體,按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置密閉門(mén)窗。

(13) 廠房?jī)?nèi)照明按照防爆條件設(shè)計(jì)。

(14) 廠房?jī)?nèi)消防設(shè)計(jì)按規(guī)范進(jìn)行。

3 預(yù)計(jì)效果

微燃機(jī)主要通過(guò)預(yù)設(shè)燃料流量范圍、輸出功率范圍,根據(jù)煙氣排放溫度控制整機(jī)運(yùn)行工況。

在人為改變了環(huán)境含氧量時(shí),即環(huán)境氧含量達(dá)到20.95 %以上,且環(huán)境大氣壓沒(méi)有大的提升時(shí),環(huán)境空氣密度變化極小,就此進(jìn)行微燃機(jī)PLC 控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整,在滿足微燃機(jī)安全運(yùn)行,煙氣排放溫度＜315 ℃時(shí),單臺(tái)E2100-R 微燃機(jī)發(fā)電功率可達(dá)1 710±50 kW,較不進(jìn)行富氧輔助調(diào)節(jié)微燃機(jī)運(yùn)行發(fā)電量提高22.8 %,達(dá)318 kW;3 臺(tái)機(jī)組發(fā)電量提高954 kW,年經(jīng)濟(jì)效益230 萬(wàn)元/a。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)多方評(píng)價(jià)分析,確認(rèn)富氧輔助微燃機(jī)運(yùn)行發(fā)電技術(shù)可有效地提高高海拔地區(qū)的微燃機(jī)電爐煤氣發(fā)電效率,解決在高海拔地區(qū)微燃機(jī)降效運(yùn)行的難題,亦可應(yīng)用于高海拔區(qū)域燃料使用天然氣或柴油的微燃機(jī)發(fā)電項(xiàng)目。

目前,富氧輔助微燃機(jī)運(yùn)行發(fā)電技術(shù)仍然基于零海拔空氣條件下進(jìn)行評(píng)估,就富氧濃度超過(guò)21 %,甚至達(dá)到30 %條件下,是否可以提高機(jī)組的熱效率,還需要進(jìn)一步的研究試驗(yàn)。