钢铁厂燃用低热值煤气燃气—蒸汽联合循环发电装置探讨

83钢铁厂燃用低热值煤气燃气—蒸汽联合循环发电装置探讨中冶集团重庆钢铁设计研究总院刘旭孙明庆[内容提要]本文着重讨论燃气—蒸汽联合循环发电装置在钢铁厂的应用，首先从钢铁厂副产煤气的波动规律入手，初步确定燃气轮机的副产煤气消耗量和剩余煤气放散量，确定联合循环发电装置燃用低热值煤气时的利用方案以及机组的配置和改造方案。[关键词]副产煤气燃气轮机单循环联合循环热电联产前言钢铁厂常常存在这样的状况：一方面低热值高炉煤气大量排放，所含能量流失和环境污染。1998年，我国生铁年产量超过1亿吨，全行业高炉煤气放散率仍达11.3%。年放散高炉煤气量200亿m3以上，年放散高炉煤气热值折合标煤达240万吨。如按标煤270元/吨计，其热量价值6.5亿元。另一方面钢铁厂又是用电大户，吨钢耗电量在500kW·h左右，钢铁厂需从电网上大量购电，由于购电费用高，钢铁产品的电力成本相当高。此外，高炉煤气的大量放散，严重污染环境。高炉煤气的主要成分是CO和N2。其中CO是无色，无味的的有毒气体。每m3高炉煤气CO的含量约为0.5kg。按现行GB3095－96《环境空气质量标准》，其三级空气质量标准规定的CO日平均浓度为6mg/m3。每m3高炉煤气足以使2万m3空气的CO含量超过三级空气质量标准，严重污染环境影响人体健康。钢铁厂燃用低热值煤气燃气-蒸汽联合循环发电装置（简称CCPP，为英文CombinedCyclePowerPlant的缩写），可回收放散的低热值煤气用于发电、供热，且热电转换效率在40－46％。具有显著的高效节能和环保效果。在钢铁厂有着广阔的前景。1997年，我国钢铁行业第一套全烧高炉煤气CCPP在宝钢建成投产。该套CCPP由重庆钢铁设计研究院设计，日本川崎－瑞士ABB公司制造。机组输出电功率84145MW，供蒸汽量180t/h，燃用热值为3266kJ/m3的高炉煤气36.2万m3/h。热电转换效率达46.52%。投产后年发电量11亿kW·h。为宝钢创造了良好的经济效益，同时为我国钢铁厂回收放散的高炉煤气发电走出了一条新路。1.CCPP及钢铁厂CCPP简介1.1CCPP简介CCPP是由燃气轮机发电和蒸汽轮机发电叠加组合起来的联合循环发电装置。我们知道：在常规蒸汽发电中，锅炉产生蒸汽用来发电是利用蒸汽朗肯热力循环来作功，作功发电是利用蒸汽的状态变化来完成的。燃料燃烧产生的高温烟气（1200～1600℃）只用于加热蒸汽（蒸汽一般加热到450～560℃），然后由蒸汽驱动汽轮机来发电。此时，高温烟气的作功能力（温度差和压力能）（即燃气勃莱敦热力循环的作功能力）被浪费掉了。在CCPP装置中，有燃气－蒸汽两个热力循环，即：燃气勃莱敦热力循环和蒸汽朗肯热力循环（见图1燃气－蒸汽联合循环焓熵图）。图1燃气－蒸汽联合循环焓熵图1～2为空气在压气机中的压缩过程；2～3为空气和燃料在燃烧室内的燃烧过程(工质吸热)；3～4为燃气在燃气透平中的膨胀做功过程；4～1为燃气轮机排气放热过程。在燃气勃莱敦热力循环中，燃料燃烧产生的高温高压烟气在状态变化时可以85作功发电。而燃气勃莱敦循环排出的较高温度烟气（500～600℃）仍然可以用来加热蒸汽至450～540℃用于发电。因此，将燃气勃莱敦热力循环和蒸汽朗肯热力循环叠加组合起来，先用高温高压烟气驱动燃气轮机发电；再将排出的500～600℃的烟气用于余热锅炉产生蒸汽，产生的蒸汽驱动汽轮机发电。这就组成了燃气—蒸汽联合循环发电。这样，燃料的热能，既参与了燃气轮机的勃莱敦循环又参与了蒸汽轮机和锅炉组成的郎肯循环，既利用了烟气的作功能力发电，又利用了蒸汽的作功能力发电。使之达到很高的热电转换效率。目前，世界上最高的CCPP热电转换效率达58％以上。从图1中可见，燃气勃莱敦循环和蒸汽郎肯循环分别围成的面积即是两个循环分别作的功，燃气－蒸汽联合循环所作的功，是这两块面积之和。可见，它远大于蒸汽郎肯循环（蒸汽发电）所作的功。CCPP的工艺流程为：燃料（油或天然气）经净化后进入加压机加压至1.5～2.4MPa。燃烧用的空气也经空气过滤器净化至含尘量≤1mg/m3然后进入压气机加压至1.5～2.4MPa。加压后的燃料和空气进入燃气轮机的燃烧室内混合燃烧。燃烧产生的1.5～2.4MPa，1000～1500℃的高温高压烟气进入燃气轮机的涡轮机冲动涡轮机发电。涡轮机排出的5000～6000Pa，500～600℃烟气进入余热锅炉产生3.82～6.5MPa，450～520℃的蒸汽，蒸汽再送入汽轮机发电。余热锅炉排出的～130℃烟气经烟囱排入大气。现在，我国已有几十座燃气轮机电站在运行。由于起停速度快负荷适应能力强，主要用于经济快速发展电力供应不足的地区和调峰电站。但在钢铁行业，目前只有宝钢145MWCCPP在运行。通化钢铁公司正在建设的56MWCCPP机组非常适合于国内大多数钢铁企业（主要是剩余副产煤气量来决定机组容量的），带来的经济效益和社会效益是非常显着的。1.2钢铁厂CCPP特点钢铁厂CCPP与常规CCPP主要区别是：它采用钢铁厂大量放散的低热值高炉煤气为主要燃料。而常规CCPP的主要燃料是轻油和天然气。高炉煤气热值低，一般为3140－3559kJ/m3，仅为同体积天然气热值的1/10。目前，用于钢铁厂CCPP发电装置的燃气轮机品种较少，给选择燃气轮机带来了一定的困难。为此，为了选择到适合于某一个钢铁厂的燃机，需要在二个方面作一些详细的工作：1）副产煤气燃料配置；2）燃气轮机的改造。1.2.1副产煤气燃料配置1.2.1.1副产煤气86从节能和环保来看，应尽可能地将副产煤气使用完，使副产煤气放散量很少。由于钢铁厂副产煤气产销量是随机变化的，波动很大，其变化规律近似符合统计学的正态分布规律。为了适应这种煤气波动，需要设置副产煤气的缓冲用户，它的副产煤气用量可以根据钢铁厂煤气余缺情况进行调整，还允许副产煤气的配比和发热量有一定范围的变化。而钢铁厂副产煤气缓冲用户的主要代表有高效率的燃气轮机（联合循环发电装置）、利用效率稍低的工业锅炉或电站锅炉，目前国内设有高效率的CCPP装置与利用效率稍低的锅炉设备相结合方式来利用副产煤气时副产煤气的放散率是非常低的，如宝钢放散率仅为0.2%左右，而只设有锅炉作为缓冲用户的钢铁厂其副产煤气放散率均较大通常在5%以上。在选择缓冲用户时，需要注意缓冲用户对副产煤气频繁波动的适应能力，从目前国内外钢铁厂的情况来看，燃气轮机对副产煤气波动适应非常强，对一些短时间的煤气波动仍然能适应，宝钢CCPP热电装置运行实绩可以从设计时的燃用高炉煤气量36×104m3/h到现在可燃用42×104m3/h，代替了部分煤气柜的容量。而锅炉对副产煤气波动变化的适应能力较慢，只能燃用稳定的副产煤气量。1.2.1.2CCPP容量的确定从钢铁厂副产煤气利用的高效化、煤气利用优先顺序上，应优先考虑将副产剩余煤气用于热转换效率高的热电装置，剩余部分再用于热效率低的锅炉，最终使副产煤气的放散量接近于零，达到煤气无放散。在钢铁厂内确定CCPP装置的容量主要根据剩余煤气量为基准的。1）综合煤气利用率采用综合煤气利用率的概念来确定钢铁厂建设CCPP装置的最佳容量：综合煤气利用率=容量煤气放散量煤气利用量CCPP当上式综合利用率达到最高值时，即为CCPP最佳容量。2）剩余副产煤气按正态分布计算现列举通化钢铁公司煤气发电工程钢铁厂煤气产销的正态分布规律。根据煤气平衡经正态分布统计计算，副产煤气使用平均值u和标准偏差σ（离差值）见表1表1通钢供发电与锅炉煤气正态分布特性值燃料种类单位铁产量148×104t/a铁产量165×104t/aBFGu（m3/h）7301095890σ（m3/h）96009900COGu（m3/h）2358023580σ（m3/h）25002500根据正态分布特性表绘制副产煤气产销正态分布曲线示意图2。87从正态分布特性来看，因为CCPP装置燃用副产煤气的机组功率越大，燃用副产煤气就越多，而有充足剩余副产煤气可资利用的时间就越小，CCPP利用率就越低，因此，应根据剩余煤气量的变化特点，选择合适的功率，既保证剩余煤气的合理利用，又做到CCPP装置有高的运行率（也叫年作业时间）。图2煤气产销正态分布曲线示意图881.2.1.3燃料配置1）100%全燃高炉煤气。该种燃机（GT）很少，目前只有日本三菱公司的MW-151S、MW-251和川崎ABBGT11N2机（宝钢使用的机型）。该种燃料方式是钢铁厂最好的燃料配置方式，但对高炉煤气量及发电机容量的配比比较困难。2)高炉煤气（BFG）增热值方式（即混合煤气），日本三菱公司的MW-501D、MW-701DA机型是在BFG煤气中增加6%的焦炉煤气（COG）（体积百分比），焦炉煤气的需要量较大约23000m3/h（对于701DA机），混合煤气热值为4019kJ/m3；通钢使用的是GE公司的PG6561B-L机型，混合煤气热值约为5577kJ/m3，在低热值高炉煤气中也可以添加其它高热值燃料（如天然气、石油液化气等）来进行增热，主要是从燃烧器中燃烧稳定性来考虑的，在混合煤气中要求氢的含量通常在6～10%以上。燃气轮机机型（用于IGCC的机型）比较多，容易选择。3)BFG中只增加5%（总热量百分比）左右的高热值煤气。高热值煤气直接进入燃烧器作为稳定燃烧之用，但在煤气系统配置上必需增加高热值煤气的压缩机才能实现，目前，该种类型的机型在太钢CCPP工程中与外商进行技术交流和谈判。4)采用变压吸附（VPSA）来提高BFG的热值。BFG煤气通过变压吸附装置（VPSA）脱除其中的二氧化碳和部分氮气，使BFG煤气低位发热值提高为7568.5kJ/m3,体积流量由100000m3/h变为38700m3/h，在变压吸附过程中煤气热量的有效成分损失约为17.33％,但其中氢气含量仅3.05％。氢气含量仍然很低，也必需在其中增加高热值的煤气，才能选择适合的燃气轮机机型。1.2.2燃气轮机的改造由于高炉煤气作燃料热值低，带来燃烧不稳定，易熄火。因此，钢铁厂用低热值燃气轮机需在标准燃料（轻油或天然气）燃气轮机基础上进行一系列改造以适用这种低热值煤气燃料。其主要改造为：·燃烧器改造以适应燃烧不稳定的高炉煤气；燃用低热值煤气的燃烧室有两个方案，①采用大管径的单或双圆筒型燃烧室；②采用多个小管型或环管型燃烧室；·燃料压缩机（即煤气压缩机）的功率增大8－10倍左右；·燃气轮机的压气机流量和功率减少；·燃料净化和燃料系统的改变。·由于BFG中含有较多的毒性气体CO，必须严防泄漏。为此，在BFG加压机上采用先进的轴封装置；在调节系统的阀体上也要采取气密性措施。一般，选用N2气体为密封介质。通常改造是在燃气轮机制造厂或专业的燃气轮机改装厂来进行的。891.2.3钢铁厂CCPP的工艺流程钢铁厂CCPP的工艺流程为：煤气从管网送来后经湿式电除尘器净化至含尘量≤1mg/m3然后进入煤气压缩机加压至1.5MPa～2.15MPa。其余流程同常规CCPP。1.3钢铁厂CCPP的优点与常规蒸汽发电相比CCPP有以下特点：⑴CCPP发电效率高，成本低，经济效益好CCPP发电效率高，目前最高可达58％以上，并且还可以进一步提高。以钢铁厂50MW规模机组为例，CCPP发电效率可达40～46％，而同规模锅炉蒸汽发电效率为23～30％左右，CCPP的热效率高出80％以上。CCPP的供电成本低，一般钢铁厂CCPP在回收的高炉煤气不计费时，供电成本仅为0.07-0.08元/kW·h。CCPP的项目投资收益率在25％以上，投资回收期一般为3～5年，经济效益良好。⑵CCPP发电工程的造价不高对于烧低热值高炉煤气的CCPP发电装置，投资为～800美元/kW。在国内，50MW以油或天然气为燃料的燃气轮机发电厂工程造价为人民币1.9～2.6亿元人民币，约为4000～5200元/kW。以高炉煤气为燃料的燃气轮机，因低热值煤气容积流量的加大，煤气清洁和压缩的费用比燃油机组大，投资有所增加。如：通钢56MW机组大多为国产设备,总投资约为2.6亿元，单位投资为4643元/kW。⑶燃