冶金企業(yè)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電的應(yīng)用
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摘要:冶金企業(yè)燃?xì)?/a>－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組主要動力設(shè)備為燃?xì)廨啓C(jī)，可以燃燒低熱值的高爐煤氣。文章通過介紹冶金企業(yè)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電的應(yīng)用情況以及燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)的優(yōu)勢及特點(diǎn)，分析其發(fā)展趨勢，針對冶金企業(yè)的利用富裕煤氣帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，認(rèn)為在冶金企業(yè)燃?xì)猓羝?lián)合機(jī)組的應(yīng)用和發(fā)展是十分必要的。
關(guān)鍵詞:冶金企業(yè);燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán);燃?xì)廨啓C(jī);低熱值
1聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用
目前，我國寶鋼、鞍鋼、馬鋼、濟(jì)鋼、通鋼、邯鋼、包鋼、萊鋼、太鋼、遷鋼等鋼廠的CCPP機(jī)組已建成運(yùn)行，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。受技術(shù)起步晚，材料、加工環(huán)節(jié)薄弱等因素影響，目前國內(nèi)制造企業(yè)僅能完成部分小型天然氣燃?xì)廨啓C(jī)的生產(chǎn)制造，尚無法生產(chǎn)冶金企業(yè)低熱值煤氣燃?xì)廨啓C(jī)。冶金企業(yè)低熱值燃?xì)廨啓C(jī)目前主要由MHI(日本三菱)、GE(美國通用電氣)兩家公司設(shè)計(jì)制造，表1列出了幾種低熱值煤氣燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)型。從目前國內(nèi)CCPP機(jī)組的投運(yùn)情況來看，日本三菱機(jī)組的占有份額很高，CCPP機(jī)型主要為M251S、M701S(DA)、M701S(DA)X、M701S(F)，從2004年到2017年9月，全國共引進(jìn)M251S型機(jī)組21臺，分別建設(shè)投運(yùn)在青鋼、太鋼、邯鋼、沙鋼、馬鋼、天鐵、漣鋼、重鋼;共引進(jìn)M701S(DA)型機(jī)組9臺，分別建設(shè)投運(yùn)在包鋼、遷鋼、鞍鋼;180MW級別的M701(DA)X型燃機(jī)首臺在2016年8月落戶首鋼京唐，在2018年投產(chǎn)，鞍鋼III期2017年8月簽訂了一臺此型機(jī)組的合同，計(jì)劃2019年投入運(yùn)行［2］。美國通用電氣公司的主要機(jī)型為MS9001FA、6B、PG9171(E)，2009年武鋼引進(jìn)GE公司的PG9171(E)型CCPP發(fā)電技術(shù)，新建了2套150MW級CCPP機(jī)組，燃料額定熱值4396kJ/m3，由高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣混合制備。
2聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢
冶金企業(yè)的煉鐵、煉鋼、煉焦伴生的煤氣是寶貴的二次能源，將其作為原料發(fā)電是各冶金企業(yè)的普遍做法，CCPP機(jī)組的投入運(yùn)行，不僅可以利用大量放散的煤氣資源，減少能源浪費(fèi)，還能提高企業(yè)的自發(fā)電量。CCPP機(jī)組相比于常規(guī)燃?xì)忮仩t發(fā)電機(jī)組的熱效率要高很多，基于同等煤氣熱量，一般常規(guī)燃?xì)忮仩t發(fā)電熱效率僅為25%，CCPP機(jī)組的聯(lián)合循環(huán)熱效率可以達(dá)到43%;CCPP機(jī)組熱效率高的主要原因?yàn)?CCPP機(jī)組采用聯(lián)合循環(huán)(布萊頓循環(huán)和朗肯循環(huán))，煤氣燃燒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的高溫高壓煙氣可以做功發(fā)電，做完功的煙氣溫度可達(dá)500～550℃，在余熱鍋爐加熱給水產(chǎn)生蒸汽用于汽輪機(jī)發(fā)電;這樣煙氣既參與布萊頓循環(huán)，又參與朗肯循環(huán)，使CCPP機(jī)組的熱效率比常規(guī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組要高很多。
3聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)
高爐煤氣的可燃成分是一氧化碳和氫氣，也含有大量的氮?dú)夂投趸?，低位熱值一般?510～3520kJ/m3，屬于低熱值煤氣;燃燒低熱值煤氣使CCPP機(jī)組空壓機(jī)和透平機(jī)容積流量顯著增大，流量平衡被破壞。解決此類問題可以使用單缸的軸流式空壓機(jī)，可以降低壓氣機(jī)的葉片長度，降低空氣的流量［3］。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒低熱值煤氣后，還要考慮燃燒產(chǎn)物問題，尤其燃燒產(chǎn)物中的氮氧化合物可能超標(biāo)?？梢酝ㄟ^在燃燒室中某個位置射入水蒸氣或者在混合煤氣進(jìn)入燃燒室之前噴水，使其被水蒸氣飽和。由于高爐煤氣含塵量大，這些含塵煤氣進(jìn)去CCPP機(jī)組后，會磨損煤壓機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，影響機(jī)組效率，一般采用適合于清除高煤含塵用的電氣除塵器，清除灰塵［4］。因?yàn)榻範(fàn)t煤氣的熱值高，所以常常作為熱值控制燃料，大多與高爐煤氣混合使用配成一定發(fā)熱量的煤氣供給CCPP機(jī)組，這樣可以使煤氣的熱值穩(wěn)定，從而使燃燒狀況良好。但是由于焦?fàn)t煤氣含有較高組分的氫氣，氫氣的高活性和高的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菇範(fàn)t煤氣在CCPP機(jī)組的使用中要區(qū)別于燃燒天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)［5］，因此一般在設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒時要根據(jù)具體的煤氣特性而加以改造，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)化。此外，CCPP機(jī)組還具有隨時可以啟動和停機(jī)、可急降負(fù)荷、甩負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。啟動模式簡單可靠，同軸采用輔助蒸汽啟動;分軸布置采用SFC啟動;點(diǎn)火可直接采用混合煤氣［6］。由于CCPP機(jī)組煤氣燃燒采用更有效的低NOx燃燒器，將有效地減少大氣污染物的排放。
4聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的發(fā)展趨勢
與同期發(fā)達(dá)國家冶金行業(yè)能源利用發(fā)展趨勢相比，我國能源綜合高效利用率相比世界級鋼企存在差距;CCPP高效發(fā)電技術(shù)起步晚，更先進(jìn)的大型高效燃機(jī)發(fā)電設(shè)備占比低。而且冶金企業(yè)煤氣的生產(chǎn)與消耗隨生產(chǎn)的調(diào)整而波動，一般新建CCPP機(jī)組作為煤氣的緩沖用戶，可以起到煤氣產(chǎn)、消平衡的作用，同時提升企業(yè)煤氣資源綜合利用的效率。在鋼鐵行業(yè)不斷發(fā)展的過程，除了保證安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行外，如何節(jié)能降耗、挖掘增效是能源體系面臨的新問題，在CCPP機(jī)組運(yùn)行的過程中，由于夏天氣溫普遍偏高，在煤氣充足的情況下，機(jī)組卻不能滿負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響機(jī)組的出力，這種情況下，提出燃料噴水加濕技術(shù)，通過給燃料噴水加濕，燃料溫度下降，燃料的熱值下降，燃料的質(zhì)量流量增加，排氣質(zhì)量流量增加;通過在某180MW等級的機(jī)組的實(shí)驗(yàn)過程，通過加濕技術(shù)，出力相應(yīng)增加，每小時投入8t水，最大可以增加4.4MW的功率，經(jīng)濟(jì)效益明顯。按照現(xiàn)行國標(biāo)GB13223—2011［7］《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，大部分企業(yè)的燃?xì)忮仩t的煙塵、SO2、NOx排放基本達(dá)標(biāo)，但按照國家超低排放限額的要求，目前的排放指標(biāo)均會超標(biāo)，如果采用對原有的燃?xì)忮仩t進(jìn)行改造的的方案，改造以及維修保養(yǎng)成本會很高，而且隨著年限增長設(shè)備劣化嚴(yán)重，事故率增加，這樣的情況下，新建符合環(huán)保法律法規(guī)要求的低排放的CCPP機(jī)組勢在必行。所以針對CCPP機(jī)組在冶金企業(yè)的不斷推進(jìn)，會相應(yīng)提出很多新的技術(shù)手段和運(yùn)行優(yōu)化或者改造，調(diào)整設(shè)備動力結(jié)構(gòu);同時煉鋼、煉鐵、煉焦設(shè)備的不斷發(fā)展，同樣會促使CCPP機(jī)組的發(fā)展更具有前景。
5效益分析
(1)冶金企業(yè)的CCPP機(jī)組可以消耗放散的高、焦?fàn)t煤氣，可以基本消除企業(yè)剩余煤氣向大氣的排放的能源浪費(fèi)，同時也減少對周邊環(huán)境的污染。(2)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組在冶金企業(yè)投產(chǎn)后，以某鋼鐵企業(yè)兩臺150MW的燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組算，可以消耗高爐煤氣26.1萬m3/h，焦?fàn)t煤氣1.5萬m3/h，此項(xiàng)目共折合標(biāo)煤約158t，經(jīng)濟(jì)效益明顯。(3)CCPP機(jī)組的投運(yùn)可以大大提高企業(yè)的自發(fā)電率，提高企業(yè)電力自供能力，加強(qiáng)企業(yè)生產(chǎn)用電的安全可靠性，同時降低企業(yè)成本，提高企業(yè)效益。
6結(jié)束語
在鋼鐵去產(chǎn)能的大背景下，尤其鋼鐵企業(yè)面臨的能源管理因素和環(huán)境保護(hù)方面的制約，采用更加先進(jìn)高效和環(huán)保的CCPP發(fā)電技術(shù)，從有限的經(jīng)營資源中挖掘更多的經(jīng)濟(jì)效益，是所有冶金企業(yè)的發(fā)展趨勢，同時提高了環(huán)境保護(hù)和資源綜合利用水平，因此CCPP發(fā)電機(jī)組在冶金企業(yè)將會受到越來越高的重視和支持。
作者：張志平 張雨欣 李科 單位：內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司 動供總廠包頭市熱力總公司
