第三代煤气发电技术在钢铁企业中的应用

刘艳军,马西方

（宝钢工程技术集团有限公司，上海，201900）

引言

钢铁是我国的支柱产业，也是能源消耗较大的行业，其能源消耗量占全国能源消耗量的16.3%，仅次于电力工业。而其中约有34%的能值进入副产品煤气中，包括高炉煤气（BFG），焦炉煤气（COG）和转炉煤气（LDG），高效回收利用此部分能源，提高能源自给率，是降低钢铁企业工序能耗的比较有效的手段。在竞争日趋激烈的钢铁行业中，对于提高钢铁企业竞争力具有重要的意义。

1 煤气发电技术在钢铁企业中的应用发展

利用煤气发电，是合理利用副产品煤气的最有效的方式之一，通过自发电可以提高钢铁企业自发电比例，提高能源自给率。初期钢厂煤气发电技术主要采用的是中温中压蒸汽参数（3.43 MPa/435 ℃）或者比此参数更低的低压蒸汽参数，发电效率较低，小于25%，也是第一代煤气发电技术。后期采用高温高压参数（8.83 MPa/535 ℃），发电效率在29%～31%，称为第二代煤气发电技术。现在随着技术的发展，出现了第三代煤气发电技术，也就是超高温超高压（13.2 MPa/566 ℃）煤气发电技术，其发电效率可以达到35%～38%[1]。随着科技的进步和煤气发电技术的发展，已经有些钢铁企业使用了亚临界超高温发电机组这类更高参数的机组，发电效率已经达到了40%左右，但是相对于第三代发电技术，此类机组初期投资较高，但是发电效率增加不明显，导致投资回收期较长，投资收益率不如超高温超高压机组。因此在钢铁企业内，第三代煤气发电技术认可度比较高，应用也最为广泛。

2 某钢铁厂煤气发电方案

2.1 厂区煤气平衡的拟定

钢铁企业煤气的平衡对于企业的正常生产是至关重要的，科学准确地拟定厂区煤气平衡是确定钢厂煤气发电机组容量的前提和关键[2]。钢铁企业应该尽可能利用自产煤气，以减少外购燃料，降低钢铁生产成本，提高企业竞争力。煤气发电是煤气平衡调节的重要条件环节，合理的锅炉容量既可以全部利用富裕煤气，也可以做到机组效率最优化。

根据钢厂实际生产情况和相关资料确定该厂原则性煤气平衡情况如表1所列。

表1 全厂煤气平衡表 m³/h

由表1 可看出，全厂焦炉煤气富裕2 362 m³/h，高炉煤气富裕150 337 m3/h，转炉煤气富裕16 846 m³/h，由于转炉煤气最终都并入高炉煤气管网，所以本次热点区域所使用的煤气为高炉煤气和转炉煤气的混合气，根据热值统一折算为高炉煤气富裕量约为176 700 m³/h。

2.2 煤气发电方案

2.2.1 锅炉方案

根据全厂煤气平衡分析，确定机炉设计方案为，设置一台200 t/h 超高温超高压煤气锅炉，锅炉采用单锅筒“π”型布置，膜式水冷壁、方型炉膛自然循环、微负压燃烧的超高温、超高压、一次中间再热蒸汽锅炉，露天布置，为满足锅炉排烟要求，在锅炉尾部设置一套除尘和脱硫脱硝装置。

锅炉额定蒸发量为200 t/h，额定压力13.7 MPa，额定蒸发温度570 ℃，给水温度204 ℃，燃料类型为高炉煤气和转炉煤气的混合气，经过计算所需煤气量约为180 000 m³/h，由于煤气供应存在波动性，锅炉是变负荷调节，调节范围为30%～110%。在额定负荷30%以上范围内可保证稳定燃烧、保证水循环安全；在50%～110%负荷范围内保证主蒸汽的温度，70%～110%负荷范围内保证再热蒸汽的温度。

2.2.2 汽机方案

设置一台额定功率为60 MW的汽轮发电机组，机组采用超高温超高压、一次中间再热、单轴、单排汽凝汽式机组。回热系统采用2 台高加+3 台低加+1 台除氧器的六级回热系统，低加疏水逐级自流，同时设置疏水旁路以备事故状态时逐级自流至凝汽器。不考虑任何型式的外置式蒸汽冷却器和疏水冷却器。轴封加热器为一级。每台机组设置2台容量为110%额定给水量的电动给水泵，除氧器采用滑压运行。同时为满足厂区工业用汽的需求，保证管网蒸汽系统的稳定，在再热冷段设置抽汽系统，供汽压力不小于2.3 MPa，温度300 ℃，最大供汽量50 t/h。

汽轮机厂房A-B 柱线跨距24 m，纵向布置，厂房设置一台50/10 t电动双梁桥式起重机，高压加热器采用卧式，布置在机头处，低压加热器为立式，布置在机头靠近B列，同时在0 m层靠近B列设置2台给水泵，在A列固定端设置检修大门；为满足凝汽器抽芯检修需要，汽轮机中心线距离A 列11 m，汽轮机运转层标高9.0 m，夹层4.5 m；B-C 跨距9.0 m，在0 m 层布置厂用电变电室和配电室，4.5 m 层设置管道间和电缆夹层，在9.0 m 布置控制室和备件库，控制室顶部露天布置除氧器，层高17.9 m。为减少占地面积，将交流油泵、直流油泵、顶轴油泵、油箱等油系统集成一体，布置在4.5 m 层靠近A 列处；室外埋地布置30 m³事故油罐，作为事故时的紧急泄油装置。

2.2.3 烟气净化方案

煤气中的含硫成分在燃烧后会产生SO2，烟气中SO2的含量约为120 mg/m³。为满足大气污染物排放标准，需要对烟气进行脱硫处理。本项目设计条件为出口烟气量约320 000 m3/h，烟气温度约140 ℃，SO2初始浓度约120 mg/m3。经过技术经济比较和场地要求，本项目采用半干法循环流化床烟气脱硫方法。该方法通过对吸收剂的多次再循环，延迟了吸收剂与烟气的接触时间，大大提高了吸收剂的利用率和脱硫效率。采用本技术，脱硫效率≥90%，Ca/S 比≤1.4，出口粉尘浓度＜5 mg/m3，完全满足排放标准。

本项目锅炉燃烧器采用低氮燃烧烧嘴，烟气中NOx 浓度达标为50 mg/m3，满足新建燃气锅炉排放标准，因此无需建设脱硝设施，但是预留了SNCR 脱硝系统的接口，可在将来燃料更换、排放标准提高或其他原因需要时增加SNCR脱硝系统。

3 设计中的关键注意事项

（1）设计不仅需要满足规范的要求，更多地需要考虑日常巡检和维修的方便，因此必须保证巡检路径的最优化和足够的检修空间[3]。在本次设计中为保证巡检的方便，在汽机尾部和头部设置了上下巡检楼梯，缩短了巡检距离，在B 列处，汽机和给水泵之间作为主要的检修通道，净距2.5 m 左右，辅助设备的上方预留检修洞，保证日常检修需要。

（2）四大管道管材的选取。四大管道是电站的核心管道，是锅炉汽机安全有效运行的关键，因此该部分管道的选材就至关重要。本项目中四大管道管道特性如表2所列。

表2 四大管道信息一览表

A335P91 合金钢管具有高温强度高、高抗蠕变和抗氧化性，与其他管材相比，同样的条件下，该管道比其他管道壁薄，重量减少30%～40%，支吊架荷载也相应减小，方便安装。虽然20G 也可以用A106B 或者WB36 等管道代替，但是由于该管道比较常规，价格相对低廉，因此在满足要求的前提下，选用常见且造价较低的管道材质。

（3）由于管道数量较多，但是空间却有限，因此在二维管道布局过程中难免会出现干涉现象，为避免出现这种情况，引入三维协同设计是比较好的解决方案。借助公司已有的Bentley 三维设计软件和云办公平台，在同一个协同平台完成，数据都保存在数据库中，不同专业之间可以相互查看而不可以修改，这样在设计过程中可以直观展现设备和管道相对位置关系，在设计时可以有效避免干涉，保证不同专业之间设备和管道布局合理。

4 结论与建议

（1）引入煤气发电技术，可以有效保证厂区煤气的平衡，煤气发电系统可以作为管网煤气平衡的有效调节手段。

（2）利用钢铁厂富裕煤气发电，每年供电量约4.2 亿kWh，可以降低钢厂外购电比例，降低产品综合能耗，提高产品的竞争力。

（3）引入三维协同设计，有效避免了管道干涉，直观展现了厂房内布置状况。

（4）现在使用的超高温超高压发电系统，其发电效率在35%～38%，若想提高发电效率，建议引入燃气-蒸汽联合发电系统，这样效率可以达到44%～47%。但这样前期投资会增加，后期可以将两者进行技术经济比较，以确定两方案的优劣。