75T/h高溫高壓高爐煤氣發電機組設計方案研究

摘要：本文章簡要介紹了75T/h高溫高壓高爐煤氣發電機組工藝參數、燃燒系統、煤氣鍋爐安全防護、設備配置、環境保護、工程投資等內容的選擇原則和設計方案。

關鍵詞：高爐煤氣發電高溫高壓鍋爐低氮燃燒煤氣鍋爐安全防護

一、概述

某鋼廠高爐車間現有兩座600m3高爐，經過除塵處理的高爐煤氣主要用于熱風爐、燒石灰、烘烤鎳水包和烘干螢石等，剩余7×104m3/h為煤氣鍋爐的主要燃料。另外焦化廠提供焦爐煤氣(熱值4000大—R/Nm3)作為輔助燃料。

為了綜合利用高爐剩余煤氣，同時解決公司生產、生活等用電缺口，本工程1臺75t/h高溫高壓高爐煤氣鍋爐，配置一套15MW凝汽式汽輪發電機，使用焦爐煤氣點火。

二、主機選型

本工程選用純燒高爐煤氣的高溫高壓鍋爐，高爐煤氣鍋爐近幾年在我國發展很快，具有燃燒效率高、負荷調節范圍寬等優點，特別適合本電廠高爐煤氣燃燒。

為了提高整個發電廠的發電效率，蒸汽的溫度和壓力越高越好，從國內類似項目的建設情況看，采用中溫中壓的煤氣國內的較多。通過咨詢相關主機制造廠家，本工程選用國產高溫高壓機組。

高溫高壓機組的經濟性能主要體現在汽輪機的熱耗率值低，熱耗率越低機組的經濟效益越高。機組的參數越高，其熱耗率值也越低。在相同的蒸汽流量及工況_下，高溫高壓機組汽輪機熱耗約為9815KJ/(KW.h)，而中溫中壓機組熱耗約為12025KJ/(KW.h)。在相同的高爐煤氣消耗量情況下，中溫中壓機組發電量為15760KW.h，若采用高溫高壓機組，發電量為19300KW.h，若機組按每年6000小時計算，本工程每年可多發電21.24x106KW.h節，若按每度電價0.5元/t KW.h，每年可多創造產值約1060萬元左右。

綜上所述，本期工程擬選用lx75t/h高溫高壓的高爐煤氣鍋爐+1x15MW凝汽式汽輪發電機組。

主機設備參數如下：

(1)鍋爐

型號：UG-75/9.8-Q

爐型：單鍋筒、集中下降管，自然循環Ⅱ型布置的高爐煤氣爐

額定蒸發量

75t/h

額定蒸汽溫度

540℃

額定蒸汽壓力(表壓)

9.8 MPa

給水溫度

215℃

排煙溫度

-156℃

鍋爐設計效率

86％

(2)汽輪機

型號：N15-8，83

型式：高溫高壓、單缸、單軸、凝汽式汽輪機

額定功率：15MW

汽輪機額定進汽量：

70t/h

額定轉速：

3000r/min

(3)發電機

型號：QF-20

額定功率：20MW

功率因素：0.8

冷卻方式：空氣冷卻

勵磁方式：自并勵靜止勵磁

三、電廠設計方案的研究燃氣管道

高爐煤氣的供氣母管引進后依此進入壓力調節閥、電動蝶閥、水封閥、流量調節閥、氣動快關閥等。供氣母管分出兩條支管，沿著鍋爐的兩

引至爐膛，每個燃燒器入口配供一個手動閘閥和氣動快關閥。

由于高爐煤氣來氣壓力較高，在進入鍋爐房燃氣管道上均設置有壓力調節閥，根據燃燒器進氣壓力要求及時調整管壓。安裝的調節閥可根據鍋爐負荷調整進氣量，管道上設置有流量測量裝置，保證進氣量準確。

燃燒系統

本項目的高爐煤氣鍋爐采用先進的低氮燃燒器，燃燒器兩側墻布置。鍋爐采用平衡通風方式，煙氣由引風機經煙道送入煙囪。由送風機將冷空氣經空氣預熱黝口熱后送至燃燒器，提供高爐煤氣燃燒所需空氣。

(1)鍋爐結構

本工程高爐煤氣鍋爐采用高溫高壓、單鍋筒、集中下降管，自然循環Ⅱ型布置的高爐煤氣爐，半露天布置。鍋爐前部為爐膛，四周布置膜式水冷壁。水平煙道裝設了高溫和中溫對流過熱器。尾部豎井煙道上部布置低溫對流過熱器。尾部單級布置省煤器和空氣預熱器。

鍋爐采用雙旋流煤氣燃燒器，兩側墻布置，共6只。

(2)煤氣燃燒器

鍋爐煤氣燃燒器采取有焰燃燒方式，水平布置在爐膛下部絕熱燃燒室的兩側墻上，每側布置三只，共六只。燃燒器為雙旋流式結構。空氣和高爐煤氣流經導向旋流葉片噴出，卷吸高溫煙氣后被點燃并穩定燃燒。點火用焦爐煤氣，點火裝置須配帶焦爐煤氣氣槍的高能點火裝置，氣槍能量按4％額定負荷設計，共6支氣槍。

為了發熱值極低的高爐煤氣的著火和穩燃，在燃燒器區域未布置受熱面，這樣能提高燃燒器區域的煙氣溫度，使高爐煤氣在“絕熱”的燃燒塞內穩定燃燒。

輔助設備

(1)煙風系統

煙風系統設置單臺送風機，單臺引風機，平衡通風，微負壓運行，調節方式采用液力耦合器的方式進行調速，以節省廠用電。單臺引送風機設計110％容量。

(2)氮氣系統

鍋爐及高爐煤氣管道系統采用氨氣吹掃，為此在外部煤氣管道上敷設氮氣管道，氮氣管接自電廠外部氮氣管道。

(3)煙囪

本工程新混凝土煙囪一座，高80m，出口內徑2，8m，滿足環保要求。

四、高爐煤氣安全防護

針對高爐煤氣易燃易爆有毒等特點，本工程將采取以下措施：

(1)在煤氣供氣母管及爐前各組燃燒器入口處設置快速切斷閥，并與爐膛滅火保護系統相連接。為防止回火，嚴格控制爐內負壓及煤氣壓力。設置煤氣低壓報警及保護裝置。當煤氣壓力過低或爐膛突然熄火時能迅速切斷供氣，以免引起爆炸。在煤氣管路設計時設置氮氣吹掃放教系統。

(2)為防止煤氣設備和管道泄漏的煤氣聚集，鍋爐房采用半露天布置，煤氣調壓站布置于爐后的運行轉上，以利于疏散。

(3)在煤氣易泄漏處附近裝設CO檢測報警裝置；當CO含量超標時報警，便于人員疏散。鍋爐房運行層調壓站處、底層和煤氣管道穿過的封閉區域加強通風，使得空氣中的CO不大于0.03mg/kg。

(4)在尾部煙道中設置CO及O2在線檢測報警裝置。

(5)在經常檢修的部位設置可靠的盲板法蘭組合隔斷裝置。

(6)煤氣管道設有靜電保護裝置。

(7)在煤氣管道的最高、煤氣管道以及臥式設備的末端、煤氣設備和管道隔離裝置前等處設置氮氣吹掃放散系統及取樣裝置。

(10)在鍋爐本體制造也采取相應措施：

a.鍋爐設計應符合有關的防爆標準的要求，提高鍋爐本體的抗爆能力，并需要在爐內每一個火嘴處設置火焰探測器，與爐前快速切斷閥聯鎖，瞬間必須關閉，防止爐膛熄火爆炸。另外還設有爐膛火焰電視。

b.采用良好的燃燒器，實現燃燒器內混合加熱(即熱空氣在燃燒器內混合加熱煤氣的方式)，以減少泄漏率或者采用熱管加熱器，以提高安全性。

為了保證鍋爐的安全，防止煤氣在鍋爐里積聚引起爆炸，鍋爐輔機之間設有嚴格的控制連鎖：

a.爐膛熄火保護：

當爐膛熄火時，自動關閉供煤氣管道上的快速切斷閥，以停止燃料供應，并維持足夠的通風量對爐膛進行吹掃。

b.鍋爐燃燒系統保護：

鍋爐爐膛壓力超過允許值時，自動關閉供氣管的快速切斷閥。

c.煤氣壓力過低保護：

當煤氣壓力低于定值時，自動關閉供煤氣管的快速切斷閥。

五、大氣污染防治

高爐煤氣燃燒的主要污染物為燃燒時空氣中的N2在高溫條件下生成的熱力型NO2。由于高爐煤氣熱值低，燃燒時熱強度低，NO2的生成較少。同時通過改進燃燒器的設訛實施空氣、燃料預混合燃燒措施，控制燃燒溫度，可以減少NO2生成量。本期工程采用低氮燃燒器，可保證NO2排放濃度≤25ppm(折算成a=1.2時標準濃度約為125rag/m³)。

六、經濟效益分析

本項目的實施后充分利用了公司富裕的高爐煤氣，符合國家產業政策，達到節能降耗、改善環境、提高經濟效益的目的。同時提高公司自發電的能力，在一定程度上緩解公司電力資源緊張而制約生產的局面。也為公司多元化發展進行有益的嘗試。

本項目經濟效益分析如下：

發電機組按年運行7500h計(按一般設備運行時間考慮)。年發電量12750萬kWh/a。

目前購人的不含稅電價約為0.427元/kwh，年發電創直接經濟效益：127507/kWh／年×0.427元/kWh=5444.25萬元/a

年運行成本：以動力廠發電單位成本為0.24元／kWh計，年運行費用：0.24元／kWh×12750萬kWh/a=3060萬元/a

每年凈收益：5444.25萬元-3060萬元=2384.25萬元/a

投資回收期：10768.9萬元/年÷2384.25萬元/年=4.52a

本項目自建成投運后，預計五年即可收回所有投資。