高海拔地區富氧技術在微燃機上的應用

華志宇 王 斌 楊春旺 江智華

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司,云南 昆明 650051;2.龍佰武定鈦業有限公司,云南 楚雄 650100;3.四川龍蟒礦冶有限責任公司,四川 攀枝花 617100)

0 引言

某有色冶金公司設置有1 臺30 MVA 全密閉直流電爐用于高鈦渣原材料生產,每小時產生低位熱值2.35 kcal/Nm3,電爐煤氣7 500 Nm3/h。建設之期因技術原因,富裕煤氣5 400 Nm3/h 未能使用。近年國內已有全部自主知識產權的微燃機使用,計劃使用3 臺E2100-R 微燃機將富裕煤氣余熱回收用于發電,但因項目所在地海拔高度1 880 m,空氣中氧含量較低,僅為17.939 %,導致微燃機發電功率降低,此問題亟待解決。

1 富氧技術和微燃機簡介

1.1 富氧技術

近20 年,隨著國際能源供應趨緊和能源價格的日益高漲,許多發達國家都投入了大量的人力物力研究富氧燃燒技術,均得出節能、增產、提高品質、減少煙塵排放、減少CO2排放、延長設備使用壽命的結論。我國在工業窯爐、火力發電方面就富氧燃燒進行助燃、節能,也取得了一定的技術進步,目前主要應用于火力發電廠燃煤鍋爐、玻璃行業、水泥爐窯等方面,在富氧度23 %～30 %情況下,可節能10 %～45 %。

目前,可獲得富氧空氣或純氧的方法主要有4 種：①是深冷法制氧,即利用氧氣和氮氣不同的液化溫度進行深冷制氧,可以獲得純度99 %以上的液氧;②是變壓吸附分子篩制氧(PSA 法),利用專用分子篩選擇性吸附空氣中的氮氣、CO2和水等雜質,從而取得純度較高的氧氣 (約93 %);③是膜法制氧,利用空氣中各組分透過膜時的滲透速率不同,在壓力差驅動下,使空氣中氧氣優先通過膜而得到富氧空氣。用這種膜進行多氣體分離,即可以得到含約30 %以上氧氣的富氧氣空氣;④是磁效應富氧,即利用氧氣分子和氮氣分子的不同的順磁性和逆磁性,在2 種氣體分子經過高磁磁場時,發生不同方向的偏轉,而得到約24 %富氧空氣。

在上述4 種制氧方法當中,深冷法制氧和PSA 法投資大、能耗高、對環境及場地要求高,但可通過稀釋混均方法獲得不同含氧量的富氧空氣;膜法制氧、磁效應制氧較深冷法和PSA 法制氧,投資和能耗均較低,但膜法制氧的膜組件容易受空氣粉塵污染失效;磁效應制氧目前可以穩定獲得含氧量24 %的富氧空氣,富氧組件無需更換檢修。

1.2 微燃機

微型燃氣輪機技術簡稱微燃機,是一種單臺機組發電功率小于2 MW 的小型燃氣動力發電裝置,是為響應習近平提出的“加快實現航空發動機及燃氣輪機自主研發和制造生產”的要求,國內科研單位近年研發的具有全部中國自主知識產權、可在國內全部配套生產的科技成果,可靈活配置為分布式能源余熱回收系統和多機集成擴容配置,非常適合煤氣發生量較小的礦熱爐煤氣余熱回收系統?；責嵫h微燃機系統原理,見圖1。

圖1 回熱循環微燃機系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of the micro turbine system with a regenerative cycle

微燃機主要由徑流式葉輪、特制燃燒室和循環回熱器組成,結構緊湊,配合以發電機和數字電力控制器可集成為撬裝設備,高效離心壓氣機、高效軸流渦輪、高效低排放燃燒、空氣軸承等技術打破國外技術封鎖壟斷,獲得全新突破;自動化控制,實現無人值守和遠程控制。其中,高效低排放燃燒技術將氮氧化物NOx 排放控制在25 ppm 以內的國際先進水平;空氣軸承技術無需冷卻劑、潤滑和散熱系統,8 000 h 保養一次,維護成本僅為內燃機的5 %～10 %。

微燃機單機發電效率33 %±2 %,例如使用2 000 Nm3/h 低位發熱值為2 500 kcal/的礦熱爐煤氣,可實現發電量1 750 kW/h。

對能耗高的冶金企業用戶,微燃機發電電壓可設置為10 kV,以“自發自用,并網不上網”的方式進行供電。

2 富氧輔助微燃機方案

2.1 微燃機富氧評價

就項目所在地、煤氣成分、煤氣低位熱值進行微燃機評價：①是單純的使用微燃機自身的壓氣機對空氣進行吸氣壓縮,并進行評估計算,確定微燃機的發電熱效率、發電量、煤氣消耗量和排煙溫度;②是在微燃機壓氣機空氣吸入口,制造富氧氛圍,使壓氣機空氣吸入口氧含量達到20.947 %,進行評估計算,確定微燃機的各項技術參數,見表1。

表1 E2100-R 型微燃機性能參數表(海拔1 880 m 無富氧)Tab.1 E2100-R micro turbine performance parameter (at an altitude of 1,880 m without oxygen enrichment)

當使用送風生產制度,空氣當中氧含量添加至20.95 %、風壓2 kPa 時,排煙溫度控制在307 ℃～315 ℃之間,E2100-R 型微燃機生產技術參數見表2。

表2 E2100-R 型微燃機性能參數表(海拔1 880 m 氧含量20.95 %)Tab.2 E2100-R micro turbine performance parameter (at an altitude of 1,880 m oxygen content 20.95%)

經過評估分析確認,該項目的微燃機,在海拔高度1 880 m 時,空氣中氧含量提高至20.95 %、排煙溫度控制在315 ℃時,煤氣消耗量提高20 %～22 %,發電量提高約22.8 %,發電效率提高0.2 %,具有良好的經濟效益。

2.2 富氧裝置選擇及設計

2.2.1 富氧空氣流量

在標準狀態下,空氣中氧氣的體積含量約為20.947 %,氮氣約為79 %,另外存在極少量惰性氣體;海拔高度每升高100 m,空氣中的氧含量降低0.16 %。

該項目所在地海拔高度1 880 m,空氣中氧含量僅為17.939 %,低于海平面氧含量3.008 %。按照評價計算,該項目單臺微燃機需鼓入氧含量20.95 %、當地大氣壓80.49 hpa,工況空氣17 200 m3/h。項目設計3 臺微燃機組并列布置,工況空氣設計總需求量51 600 m3/h。

項目設計富氧空氣選擇方案3 個：①是PSA法富氧+空氣混均;②是膜法富氧+空氣混合;③是磁效應富氧+膜法空氣混合。

2.2.2 富氧方案比對

(1) PSA 法富氧+空氣混均方案

該方案設置PSA 法制氧機1 臺套,制氧量2 000 Nm3/h,氧含量＞90 %。

設置3 套18 000 Nm3/h 富氧空氣混均裝置,單臺氧氣流量650 Nm3/h,每套裝置包括：氧氣減壓閥1 臺、氧氣流量調節閥1 臺、氧氣混合空氣裝置1 臺、氧含量分析儀1 臺,通過氧含量分析儀控制氧氣流量調節閥開度,實現微富氧空氣的實現。

項目總裝機功率1 040 kW,運行最大負荷850 kW。

該方案預計全部建設投資1 200 萬元。

(2) 膜法富氧+空氣混合方案

該方案設置4 500 Nm3/h 富氧空氣(30 %±1 %) 制備塔3 座,設置1 套氧含量分析儀,3套4 500+13 500 Nm3/h 富氧空氣混均裝置,即將富氧空氣(30 %±1 %) 制備塔生產的富氧空氣和環境當中的空氣均勻混合后送至微燃機使用,見圖2。

圖2 膜法富氧空氣制備塔Fig.2 Membrane oxygen enriched air preparation tower

項目總裝機功率618 kW,運行最大負荷441 kW。

該方案預計全部建設投資650 萬元。

(3) 磁效應富氧+膜法空氣混合

該方案設置26 000 Nm3/h 磁效應富氧制備塔2座,富氧空氣出口濃度20.5 % (海拔1 880 m),設置3 000 Nm3/h 膜法富氧空氣(30 %±1 %) 制備塔1 座,設置1 套氧含量分析儀,1 套3 000 Nm3/h 富氧空氣(30 %±1 %) +52 000 Nm3/h 富氧空氣(20.5 %±0.5 %) 混合混均裝置。即將膜法富氧空氣制備塔生產的富氧空氣與磁效應富氧制備塔生產的富氧空氣充分混合混均后送微燃機使用。

項目總裝機功率327.6 kW,運行最大負荷188.4 kW。

該方案預計全部建設投資500 萬元。

根據以上3 個方案比對,確認磁效應富氧+膜法空氣混合方案投資最低,運行負荷最小。

2.3 富氧輔助調節微燃機運行系統設計

該項目微燃機系統設計如下：

(1) 微燃機并列設置3 臺,型號E2100-R,額定發電功率1 610±50 kW,煤氣流量1 868 Nm3/h。微燃機中心距離7.5 m。

(2) 微燃機發電站煤氣總流量5 600 Nm3/h,工作壓力0.8 mPa。

(3) 微燃機發電站煙氣流量60 000 Nm3/h,排煙溫度315 ℃。

(4) 系統預留6 t 蒸汽余熱鍋爐位置,由業主根據自身條件和周邊蒸汽用戶條件確定是否建設蒸汽系統。

(5) 燃氣輪機發電電壓10 kV,從10 kV 并網接入柜饋出,通過并網控制器控制發電機電力并網接入,通過10 kV 電纜接入用戶10 kV 備用開關柜,以“自發自用,并網不上網”的方式進行供電。

(6) 微燃機冷卻水使用軟水,工作壓力0.15 mPa,流量Q=20 t/h/臺×3/臺=60 t/h,進水溫度30 ℃,出水溫度38 ℃。

(7) 微燃機自耗電,電壓380 V,輸入功率50 kW。

(8) 微燃機廠房生產送風系統：21 %的富氧空氣(海拔高度+1 880 m),充滿微燃機廠房,廠房內工作壓力微正壓：+50 Pa。

(9) 微燃機廠房內設置CO 報警儀3 臺,位于煤氣進氣支管旁。在CO 含量超過16 ppm 時,發出聲光報警。

(10) 微燃機廠房設置軸流風機,風機出口設置調節閥。在CO 含量超過16 ppm 時,軸流風機開啟。

(11) 微燃機廠房為單層鋼結構或混凝土結構廠房,廠房跨度18.5 m,廠房柱距7.5 m,長度30 m。廠房內設Q=10 t 防爆電動檢修行車1臺,吊鉤距地面7.5 m。

(12) 廠房圍護結構：使用磚砌墻體,按照標準設置密閉門窗。

(13) 廠房內照明按照防爆條件設計。

(14) 廠房內消防設計按規范進行。

3 預計效果

微燃機主要通過預設燃料流量范圍、輸出功率范圍,根據煙氣排放溫度控制整機運行工況。

在人為改變了環境含氧量時,即環境氧含量達到20.95 %以上,且環境大氣壓沒有大的提升時,環境空氣密度變化極小,就此進行微燃機PLC 控制系統參數的調整,在滿足微燃機安全運行,煙氣排放溫度＜315 ℃時,單臺E2100-R 微燃機發電功率可達1 710±50 kW,較不進行富氧輔助調節微燃機運行發電量提高22.8 %,達318 kW;3 臺機組發電量提高954 kW,年經濟效益230 萬元/a。

4 結語

通過多方評價分析,確認富氧輔助微燃機運行發電技術可有效地提高高海拔地區的微燃機電爐煤氣發電效率,解決在高海拔地區微燃機降效運行的難題,亦可應用于高海拔區域燃料使用天然氣或柴油的微燃機發電項目。

目前,富氧輔助微燃機運行發電技術仍然基于零海拔空氣條件下進行評估,就富氧濃度超過21 %,甚至達到30 %條件下,是否可以提高機組的熱效率,還需要進一步的研究試驗。