淺談鋼鐵企業高爐煤氣發電技術

■李洪斌 ■河北大墺城市規劃設計有限公司，河北 邯鄲 056002

我國人口占世界總人口的20%，是世界人口數量最多的國家，但已探明的煤炭儲量僅占世界儲量的11%，原油占2.4%，天然氣僅占1.2%，我國是能源資源相對匱乏的國家，人均能源資源占有量不到世界平均水平的一半。與此同時，我國能源利用率卻平均只有36.3%左右，較發達國家低約10%。我國單位GDP 能耗是世界平均水平2.5倍，美國的3.3 倍，也高于巴西、墨西哥等發展中國家，是能源浪費最嚴重的國家之一。

鋼鐵工業能源消耗占全國總能耗15%左右，噸鋼能耗比發達國家高25～30%，主要原因是鐵鋼比高，高爐、轉爐煤氣余能余熱回收利用率低等。在此情況下，如何充分回收利用余能余熱節能降耗顯得至關重要。

煉鐵高爐所產生的高爐煤氣是一種低熱值的有毒可燃氣體，熱值一般在3125～3500kJ/Nm3左右。通常條件下，除高爐熱風爐自身使用外，還有大量富余，如不能回收利用則只能放空排放，造成能源浪費和環境污染，為了充分利用富余的高爐煤氣，一般情況是在燃煤動力鍋爐中摻燒一部分貨供小型混合煤氣鍋爐混燒，回收量都不大。隨著純燒高爐煤氣鍋爐發電技術，燃氣-蒸汽聯合循環發電技術(CCPP)，TRT(高爐煤氣余壓透平發電裝置)，蓄熱室燃燒技術等在鋼廠的實施，高爐煤氣作為一種重要的能源，已在鋼鐵企業得到廣泛回收利用。在日本的鋼鐵企業如新日鐵，以及我國的寶鋼等先進的鋼鐵企業，幾乎全部的高爐煤氣被回收再利用，大大降低了煉鋼能耗。本文就純燒高爐煤氣鍋爐發電、高爐煤氣燃氣-蒸汽聯合發電(CCPP)和TRT 發電技術進行簡要介紹，為鋼鐵企業利用高爐煤氣節能環保提供參考。

1 純燒高爐煤氣鍋爐發電技術

20 世紀90年代中期，國內開始自主開發并引進國外全燒高爐煤氣發電技術，如上海一鋼建設的50MW 高爐煤氣發電機組于1999年年投產，首鋼的50MW 高爐煤氣鍋爐發電機組1996年建成投產，唐鋼的25MW 中溫中壓高爐煤氣發電機組抽汽汽輪發電機組2000 建成投產，鞍鋼的25MW 高爐煤氣發電機組于2000年投入運行等等。目前，國內主要有杭州鍋爐集團股份有限公司、江西江聯能源環保股份有限公司、無錫華光鍋爐股份有限公司等企業生產130～220t/h 高溫高壓高爐煤氣電站鍋爐。近些年，此技術已在鋼鐵企業得到廣泛應用。

純燒高爐煤氣鍋爐發電技術由燃高爐煤氣鍋爐、汽輪發電機及輔機等組成。通過高爐煤氣管道將減壓閥組減壓后或TRT 裝置后的低壓高爐煤氣送入鍋爐進行燃燒，產生的過熱蒸汽進入汽輪機，驅動汽輪機帶動發電機進行發電。通過汽輪機抽汽也可對外進行供熱實現熱電聯產，發電既可作為企業自用，也可上網銷售。純燒高爐煤氣鍋爐發電廠較傳統燃煤電廠減少了煤處理系統，而且高爐煤氣是一種清潔能源，不必考慮煙氣除塵、脫硫、脫硝設施。但是對于燃料的安全監控系統要求很高，運行中需加強對煤氣泄漏的監測，以確保運行可靠安全。

2 TRT(高爐煤氣余壓透平發電裝置)

上世紀50年代中期，法國、比利時、捷克、蘇聯等國開始對TRT 進行試驗研究。其中法國成功的開發了濕式TRT 系統，蘇聯則開發了干式TRT 系統。80年代，日本的TRT 裝置技術發展較快，三井造船、日立造船、川崎重工等對TRT 進行了改進，進一步提高了回收效率、降低了投資。

我國從60年代中期由武漢鋼鐵設計研究院開始研究、消化吸收國外TRT 技術。80年代初期通過大量試驗取得成功。于1988年前后，分別建成了武鋼3#高爐TRT，酒鋼1#高爐TRT。目前，國內鋼鐵企業基本都已配套建設了TRT 裝置，國產TRT 基本上達到了國際先進水平。國產TRT 制造企業主要有西安陜鼓動力股份有限公司等。此技術在國內鋼鐵廠已得到廣泛應用。

TRT 煤氣入口從文氏管后的煤氣管接出，TRT 的煤氣出口與調壓閥組后的凈煤氣主管相接，可以代替減壓閥組調節穩定爐頂壓力，所以TRT 是與調壓閥組并聯在凈煤氣管道上的。高壓煤氣在透平機內膨脹做功，推動透平機葉輪轉動，帶動發電機發電。透平機有軸流向心式、軸流沖動式和軸流反動式三種，其中軸流反動式的質量小、效率高。在回收余壓能量方式上有部分回收、全部回收和平均回收三種，平均回收的發電能力高，設備投資低，投資回收期短，而且還能保證高爐爐頂壓力穩定，我國寶鋼的TRT 就采用平均回收方式。

煉鐵生產中，高爐爐頂煤氣壓力大于0.03 兆帕時，采用煤氣余壓發電技術裝備(TRT)可將這部分壓力能回收，其設備的工作原理是煤氣的余壓使煤氣在透平機內進行膨脹做功，推動透平機轉動，進而帶動發電機轉動，發出一定的電量。根據爐頂壓力不同，TRT 裝置所發出的電量與高爐煤氣的壓力和流量有關，一般噸鐵發電量為35 千瓦時～40千瓦時。采用干法除塵可以使發電量提高36%，而且溫度每升高10℃，會使發電透平機效率提高10%，進而使TRT 裝置最高發電量可達54 千瓦時/噸鐵。

TRT 裝置的設置一般流程是:高爐煤氣經過重力除塵器、干式(濕式)除塵器，進入TRT 裝置，TRT 與減壓閥組是并聯設置。高壓的高爐煤氣經過TRT 的入口蝶閥、入口插板閥(調速閥)、快切閥，進入透平機膨脹作功，帶動發電機發電，自透平出來的低壓煤氣，進入低壓煤氣系統。發電機的出線經變電所與電網相連，發電機向電網送電或從電網接受電能。

3 高爐煤氣燃氣-蒸汽聯合發電(CCPP)

CCPP 是目前鋼鐵企業最先進的煤氣回收利用技術，該技術將鋼鐵生產過程中的富余煤氣與空氣燃燒后產生高溫高壓煙氣，煙氣膨脹做功，將機械能轉化為電能，之后用余熱鍋爐將煙氣的余熱回收產生高溫高壓蒸汽，利用蒸汽輪機再次發電，最終實現聯合循環發電。目前低熱值煤氣為燃料的CCPP 只被少數公司掌握，如ABB、日本川崎，美國GE等。CCPP 已在我國部分鋼鐵大型鋼鐵企業得到應用，如寶鋼、萊鋼、鞍鋼、遷鋼等等，為企業創造了明顯的效益CCPP 發電效率高、成本低、經濟效益好，發電效率高達45%，而同規模常規火力發電機組效率僅為23%—35%左右，兩年即可收回投資成本。CCPP 以低熱值高爐煤氣為主要燃料，能大幅度減少高爐煤氣放散量，遷鋼的高爐煤氣基本上可以全部被回收利用，達到高爐煤氣零排放，節能效果明顯。CCPP 燃氣輪機發電不需要冷卻水，新水耗用量不足常規火力發電機組的一半。CCPP 燃氣和空氣均凈化至含塵量約1 毫克/立方米進入燃氣輪機，排氣含塵量僅為1 毫克/立方米，氮氧化物含量小于30PPM，遠低于常規鍋爐1000 毫克/立方米的排放水平。

4 結論

(1)煉鋼企業高爐煤氣應根據自身具體情況選擇適合的高爐煤氣發電技術，以期實現全部回收利用。(2)高爐煤氣發電設備投資回收期短，經濟效益和社會環境效益顯著，應予以廣泛采用。(3)大型煉鋼企業應優先采用先進的CCPP 設備，以實現廢氣利用和能源梯級利用，使能源利用率最大化。

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