高海拔地区富氧技术在微燃机上的应用

华志宇 王 斌 杨春旺 江智华

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南 昆明 650051;2.龙佰武定钛业有限公司,云南 楚雄 650100;3.四川龙蟒矿冶有限责任公司,四川 攀枝花 617100)

0 引言

某有色冶金公司设置有1 台30 MVA 全密闭直流电炉用于高钛渣原材料生产,每小时产生低位热值2.35 kcal/Nm3,电炉煤气7 500 Nm3/h。建设之期因技术原因,富裕煤气5 400 Nm3/h 未能使用。近年国内已有全部自主知识产权的微燃机使用,计划使用3 台E2100-R 微燃机将富裕煤气余热回收用于发电,但因项目所在地海拔高度1 880 m,空气中氧含量较低,仅为17.939 %,导致微燃机发电功率降低,此问题亟待解决。

1 富氧技术和微燃机简介

1.1 富氧技术

近20 年,随着国际能源供应趋紧和能源价格的日益高涨,许多发达国家都投入了大量的人力物力研究富氧燃烧技术,均得出节能、增产、提高品质、减少烟尘排放、减少CO2排放、延长设备使用寿命的结论。我国在工业窑炉、火力发电方面就富氧燃烧进行助燃、节能,也取得了一定的技术进步,目前主要应用于火力发电厂燃煤锅炉、玻璃行业、水泥炉窑等方面,在富氧度23 %～30 %情况下,可节能10 %～45 %。

目前,可获得富氧空气或纯氧的方法主要有4 种：①是深冷法制氧,即利用氧气和氮气不同的液化温度进行深冷制氧,可以获得纯度99 %以上的液氧;②是变压吸附分子筛制氧(PSA 法),利用专用分子筛选择性吸附空气中的氮气、CO2和水等杂质,从而取得纯度较高的氧气 (约93 %);③是膜法制氧,利用空气中各组分透过膜时的渗透速率不同,在压力差驱动下,使空气中氧气优先通过膜而得到富氧空气。用这种膜进行多气体分离,即可以得到含约30 %以上氧气的富氧气空气;④是磁效应富氧,即利用氧气分子和氮气分子的不同的顺磁性和逆磁性,在2 种气体分子经过高磁磁场时,发生不同方向的偏转,而得到约24 %富氧空气。

在上述4 种制氧方法当中,深冷法制氧和PSA 法投资大、能耗高、对环境及场地要求高,但可通过稀释混均方法获得不同含氧量的富氧空气;膜法制氧、磁效应制氧较深冷法和PSA 法制氧,投资和能耗均较低,但膜法制氧的膜组件容易受空气粉尘污染失效;磁效应制氧目前可以稳定获得含氧量24 %的富氧空气,富氧组件无需更换检修。

1.2 微燃机

微型燃气轮机技术简称微燃机,是一种单台机组发电功率小于2 MW 的小型燃气动力发电装置,是为响应习近平提出的“加快实现航空发动机及燃气轮机自主研发和制造生产”的要求,国内科研单位近年研发的具有全部中国自主知识产权、可在国内全部配套生产的科技成果,可灵活配置为分布式能源余热回收系统和多机集成扩容配置,非常适合煤气发生量较小的矿热炉煤气余热回收系统。回热循环微燃机系统原理,见图1。

图1 回热循环微燃机系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the micro turbine system with a regenerative cycle

微燃机主要由径流式叶轮、特制燃烧室和循环回热器组成,结构紧凑,配合以发电机和数字电力控制器可集成为撬装设备,高效离心压气机、高效轴流涡轮、高效低排放燃烧、空气轴承等技术打破国外技术封锁垄断,获得全新突破;自动化控制,实现无人值守和远程控制。其中,高效低排放燃烧技术将氮氧化物NOx 排放控制在25 ppm 以内的国际先进水平;空气轴承技术无需冷却剂、润滑和散热系统,8 000 h 保养一次,维护成本仅为内燃机的5 %～10 %。

微燃机单机发电效率33 %±2 %,例如使用2 000 Nm3/h 低位发热值为2 500 kcal/的矿热炉煤气,可实现发电量1 750 kW/h。

对能耗高的冶金企业用户,微燃机发电电压可设置为10 kV,以“自发自用,并网不上网”的方式进行供电。

2 富氧辅助微燃机方案

2.1 微燃机富氧评价

就项目所在地、煤气成分、煤气低位热值进行微燃机评价：①是单纯的使用微燃机自身的压气机对空气进行吸气压缩,并进行评估计算,确定微燃机的发电热效率、发电量、煤气消耗量和排烟温度;②是在微燃机压气机空气吸入口,制造富氧氛围,使压气机空气吸入口氧含量达到20.947 %,进行评估计算,确定微燃机的各项技术参数,见表1。

表1 E2100-R 型微燃机性能参数表(海拔1 880 m 无富氧)Tab.1 E2100-R micro turbine performance parameter (at an altitude of 1,880 m without oxygen enrichment)

当使用送风生产制度,空气当中氧含量添加至20.95 %、风压2 kPa 时,排烟温度控制在307 ℃～315 ℃之间,E2100-R 型微燃机生产技术参数见表2。

表2 E2100-R 型微燃机性能参数表(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%)

经过评估分析确认,该项目的微燃机,在海拔高度1 880 m 时,空气中氧含量提高至20.95 %、排烟温度控制在315 ℃时,煤气消耗量提高20 %～22 %,发电量提高约22.8 %,发电效率提高0.2 %,具有良好的经济效益。

2.2 富氧装置选择及设计

2.2.1 富氧空气流量

在标准状态下,空气中氧气的体积含量约为20.947 %,氮气约为79 %,另外存在极少量惰性气体;海拔高度每升高100 m,空气中的氧含量降低0.16 %。

该项目所在地海拔高度1 880 m,空气中氧含量仅为17.939 %,低于海平面氧含量3.008 %。按照评价计算,该项目单台微燃机需鼓入氧含量20.95 %、当地大气压80.49 hpa,工况空气17 200 m3/h。项目设计3 台微燃机组并列布置,工况空气设计总需求量51 600 m3/h。

项目设计富氧空气选择方案3 个：①是PSA法富氧+空气混均;②是膜法富氧+空气混合;③是磁效应富氧+膜法空气混合。

2.2.2 富氧方案比对

(1) PSA 法富氧+空气混均方案

该方案设置PSA 法制氧机1 台套,制氧量2 000 Nm3/h,氧含量＞90 %。

设置3 套18 000 Nm3/h 富氧空气混均装置,单台氧气流量650 Nm3/h,每套装置包括：氧气减压阀1 台、氧气流量调节阀1 台、氧气混合空气装置1 台、氧含量分析仪1 台,通过氧含量分析仪控制氧气流量调节阀开度,实现微富氧空气的实现。

项目总装机功率1 040 kW,运行最大负荷850 kW。

该方案预计全部建设投资1 200 万元。

(2) 膜法富氧+空气混合方案

该方案设置4 500 Nm3/h 富氧空气(30 %±1 %) 制备塔3 座,设置1 套氧含量分析仪,3套4 500+13 500 Nm3/h 富氧空气混均装置,即将富氧空气(30 %±1 %) 制备塔生产的富氧空气和环境当中的空气均匀混合后送至微燃机使用,见图2。

图2 膜法富氧空气制备塔Fig.2 Membrane oxygen enriched air preparation tower

项目总装机功率618 kW,运行最大负荷441 kW。

该方案预计全部建设投资650 万元。

(3) 磁效应富氧+膜法空气混合

该方案设置26 000 Nm3/h 磁效应富氧制备塔2座,富氧空气出口浓度20.5 % (海拔1 880 m),设置3 000 Nm3/h 膜法富氧空气(30 %±1 %) 制备塔1 座,设置1 套氧含量分析仪,1 套3 000 Nm3/h 富氧空气(30 %±1 %) +52 000 Nm3/h 富氧空气(20.5 %±0.5 %) 混合混均装置。即将膜法富氧空气制备塔生产的富氧空气与磁效应富氧制备塔生产的富氧空气充分混合混均后送微燃机使用。

项目总装机功率327.6 kW,运行最大负荷188.4 kW。

该方案预计全部建设投资500 万元。

根据以上3 个方案比对,确认磁效应富氧+膜法空气混合方案投资最低,运行负荷最小。

2.3 富氧辅助调节微燃机运行系统设计

该项目微燃机系统设计如下：

(1) 微燃机并列设置3 台,型号E2100-R,额定发电功率1 610±50 kW,煤气流量1 868 Nm3/h。微燃机中心距离7.5 m。

(2) 微燃机发电站煤气总流量5 600 Nm3/h,工作压力0.8 mPa。

(3) 微燃机发电站烟气流量60 000 Nm3/h,排烟温度315 ℃。

(4) 系统预留6 t 蒸汽余热锅炉位置,由业主根据自身条件和周边蒸汽用户条件确定是否建设蒸汽系统。

(5) 燃气轮机发电电压10 kV,从10 kV 并网接入柜馈出,通过并网控制器控制发电机电力并网接入,通过10 kV 电缆接入用户10 kV 备用开关柜,以“自发自用,并网不上网”的方式进行供电。

(6) 微燃机冷却水使用软水,工作压力0.15 mPa,流量Q=20 t/h/台×3/台=60 t/h,进水温度30 ℃,出水温度38 ℃。

(7) 微燃机自耗电,电压380 V,输入功率50 kW。

(8) 微燃机厂房生产送风系统：21 %的富氧空气(海拔高度+1 880 m),充满微燃机厂房,厂房内工作压力微正压：+50 Pa。

(9) 微燃机厂房内设置CO 报警仪3 台,位于煤气进气支管旁。在CO 含量超过16 ppm 时,发出声光报警。

(10) 微燃机厂房设置轴流风机,风机出口设置调节阀。在CO 含量超过16 ppm 时,轴流风机开启。

(11) 微燃机厂房为单层钢结构或混凝土结构厂房,厂房跨度18.5 m,厂房柱距7.5 m,长度30 m。厂房内设Q=10 t 防爆电动检修行车1台,吊钩距地面7.5 m。

(12) 厂房围护结构：使用砖砌墙体,按照标准设置密闭门窗。

(13) 厂房内照明按照防爆条件设计。

(14) 厂房内消防设计按规范进行。

3 预计效果

微燃机主要通过预设燃料流量范围、输出功率范围,根据烟气排放温度控制整机运行工况。

在人为改变了环境含氧量时,即环境氧含量达到20.95 %以上,且环境大气压没有大的提升时,环境空气密度变化极小,就此进行微燃机PLC 控制系统参数的调整,在满足微燃机安全运行,烟气排放温度＜315 ℃时,单台E2100-R 微燃机发电功率可达1 710±50 kW,较不进行富氧辅助调节微燃机运行发电量提高22.8 %,达318 kW;3 台机组发电量提高954 kW,年经济效益230 万元/a。

4 结语

通过多方评价分析,确认富氧辅助微燃机运行发电技术可有效地提高高海拔地区的微燃机电炉煤气发电效率,解决在高海拔地区微燃机降效运行的难题,亦可应用于高海拔区域燃料使用天然气或柴油的微燃机发电项目。

目前,富氧辅助微燃机运行发电技术仍然基于零海拔空气条件下进行评估,就富氧浓度超过21 %,甚至达到30 %条件下,是否可以提高机组的热效率,还需要进一步的研究试验。