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钢铁企业富余煤气高效利用发电技术应用分析

摘要：针对钢铁行业节能减排要求的不断提高，本文介绍了钢厂富余煤气发电技术的发展历程，对煤气高效利用发电系统的原理进行了分析，并针对典型装机规模主要技术指标进行了对比，通过应用超高温亚临界煤气发电技术可有效提高钢厂能源利用效率，降低企业生产能耗并减少污染物排放。
关键词：钢铁行业；节能减排；煤气发电；高效利用
1 概述
钢铁企业在冶炼加工过程中会产生大量煤气资源，此部分煤气资源除用作钢铁主体工艺消耗外，尚有大量富余煤气可供回收利用。为贯彻执行国家节能减排政策，利用富余煤气发电是钢铁企业煤气资源综合利用的主要思路。煤气发电技术能有效利用钢铁企业富余煤气资源，为企业节能增效提供了较好的途径。
2 钢厂富余煤气发电技术的发展历程
近年来，由于钢铁企业节能增效任务的日益紧迫以及国家节能减排要求的不断提高，钢铁企业低热值煤气发电技术亦不断进步，逐步从中温中压向更高参数发展，发展至超高温亚临界中间再热参数系列。
表1 煤气发电技术发展历程及主要技术指标
序号
项目
早期
技术
第一代
技术
第二代
技术
第三代技术
第四代技术
1
主机参数
中温中压或更低
中温中压或次高温次高压
高温高压
高温超高压
带中间再热
超高温亚临界带中间再热
2
典型机组规模MW
12
25
50
35~135
80~150
3
锅炉容量 t/h
75
130
220
130~440
260~420
5
全厂热效率 %
≤24
24~28
30~32
36~38
40~42
4
煤气单耗 Nm3/kW.h
（760kcal/Nm3）
4.53
4.53~4.04
3.77~3.54
3.14~2.98
2.70~2.83

第四代超高温亚临界中间再热发电技术综合热效率较高，全厂综合热效率约40.5%，根据电厂传统容量参数匹配原则，其主要应用于200MW及以上大型机组，但近年来，由于节能减排以及装备升级改造任务日益紧迫，以往应用于大型机组的超高温亚临界中间再热技术逐渐向小型化发展，目前80MW~150MW等级中小型超高温亚临界中间再热发电机组已有成熟的技术和业绩，截至2020年底，超高温亚临界发电机组总装机70多套，其中中冶南方都市环保公司设计及总承包50余套，已投运20多套。
3 煤气高效利用发电技术的原理分析
3.1高参数小型化提高汽轮机组循环热效率
高参数小型化煤气发电技术通过提高蒸汽参数和增加中间再热以提高汽轮机组的循环热效率。
提高蒸汽参数：在极限压力范围内，保持初温和背压一定，随着蒸汽压力升高，尽管主蒸汽初始焓值（h0）有所降低，但是汽轮机组的整个理想比焓降有所升高，因此机组的循环热效率升高。在提高初压的同时再提高初温，可增加循环的高温加热段，使循环温差增大，热效率进一步提升。
增加中间再热：对于不带中间再热的煤气发电机组，蒸汽在汽轮机中做完功后直接进入凝汽器中冷凝，蒸汽中的大部分热量将会以汽化潜热的形式损失。当增加一次中间再热后，再热蒸汽从汽机高压缸排汽引出，送至锅炉加热至初始温度，降低了蒸汽的排汽温度，使得湿汽损失减小，从而提高了汽轮机组的循环热效率。
3.2锅炉烟气余热回收及煤气预热提高锅炉热效率
对于以钢厂低热值煤气为燃料的锅炉来说，主要热损失是排烟热损失，而决定锅炉排烟热损失的主要因素是排烟温度，所以提高锅炉热效率的主要途径是降低锅炉的排烟温度。
为进一步降低烟气温度，提高锅炉效率，高效煤气发电技术采用烟气——煤气换热器吸收烟气余热，通过烟气余热来预热煤气，有效降低排烟温度，减少排烟损失；同时低热值煤气吸收烟气余热后，煤气温度升高，有利于提高煤气在锅炉炉膛燃烧的稳定性。
4 煤气高效利用发电技术主要技术指标对比
以装机规模100MW机组为例，对比分析选择不同机组参数时，主要技术经指标对比如下：
表2 典型100MW机组主要技术指标对比

方案一
方案二
方案三
富余高炉煤气量
28万Nm3/h
28万Nm3/h
28万Nm3/h
装机规模及参数
100MW超高温亚临界机组
100MW高温超高压机组
100MW级高温高压机组
全厂热效率
40.5%
37%
32%
机组发电功率
100MW
91.5MW
79.2MW
年发电量
8亿kW.h/a
7.32亿kW.h/a
6.336亿kW.h/a
年发电增量
（相对于高温高压机组）
16640万kW.h/a
9840万kW.h/a
/
年发电增量折标煤量
（相对于高温高压机组）
2.05万吨
1.21万吨
/
由上表可知，装机1台100MW超高温亚临界煤气发电机组，可高效利用低热值煤气22亿Nm3/年，相当于节约常规能源消耗约24万吨标煤/年每年因节约标煤而带来的减排CO2 约60万吨/年、SO2 约0.48万吨/年；相比传统高温高压发电技术，超高温亚临界机组运行效率的提升可进一步节约标煤耗2.05万吨/年，而带来的减排CO2 约5.2万吨/年、SO2 约410 吨/年。
5 结语
在钢铁企业富余煤气利用领域应用超高温亚临界中间再热发电技术，具有显著的节能效益和减排优势。可有效提高钢铁企业资源综合利用率和热功能源转换率，推进钢铁企业能源结构的战略性调整，有利于节约资源和改善生态环境，符合“低消耗、低排放、高效率”特征和可持续发展理念的经济增长模式。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 754-2017 发电用汽轮机参数系列[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.
[2] 叶涛. 热力发电厂[M]. 北京: 中国电力出版社, 2014.

-全文完-