钢铁厂高炉煤气燃气轮机循环热力模型分析

钢铁厂高炉煤气燃气轮机循环热力模型分析

赵忠敏

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摘要：：建立了钢铁厂燃用高炉煤气的简单循环燃气轮机装置模型，根据经典热力学和燃气轮机循环理论编制了循环热力性能计算程序，计算了循环功率和效率随压比的变化关系。结果表明存在不同压比分别使循环功率和效率达到最大值，提高涡轮进口燃气温度和降低煤气压缩机进口温度有利于提高循环性能。

关键词：高炉煤气；燃气轮机循环；热力学；功率；效率

引言

钢铁工业是国民经济支柱产业中的能源消耗大户，生产过程中的富余煤气（包括焦炉煤气（ＣＯＧ）、高炉煤气（ＢＦＧ）和转炉煤气（ＬＤＧ））造２７６钢铁厂高炉煤气燃气轮机循环热力分析　热力透平成能源的严重浪费和环境的严重污染。充分回收富余煤气的余能余热，对钢铁行业节能减排意义重。富余煤气用于燃气轮机发电是其余能回收的有效方式之一，这为燃气轮机热力循环的理论和应用研究开辟了新的方向。文献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，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。文献的研究表明燃气轮机联合循环发电机组的热电转换效率比常规电厂高１０％左右，是适合于新建或改造钢铁厂自备发电厂的先进、有效技术。王松岭等］利用ＡＳＰＥＮ　ＰＬＵＳ软件对燃用ＣＯＧ的Ｍ７０１Ｆ型燃气轮机设计点性能进行了模拟计算。张琦等分析了中国不同规模钢铁厂煤气资源回收与利用的现状，采用吨钢煤气回收率和吨钢煤气燃耗两个指标评价了煤气回收与利用水平，并提出了完善回收工艺等途径以合理利用煤气资源、减少煤气放散损失。Ｍｅｒｔ等对钢铁工业副产煤气的简单循环燃气轮机热电联产装置进行了分析和经济分析，导出了每个部件的质量、能量、和费用平衡方程及能量利用效率、效率和损失的表达式。燃用高炉煤气的燃气轮机循环发电技术是利用钢铁厂ＢＦＧ的有效途径，越来越多的研究为ＢＦＧ 的合理利用开辟了新思路本文建立一种燃用ＢＦＧ的简单循环燃气轮机装置的热力学模型，编制满足其热力过程的精确计算程序，并给出循环热力性能计算结果。

一、ＢＦＧ及燃烧后产物的热力性质

燃用ＢＦＧ的简单循环燃气轮机装置经压气机压缩后的高压空气进入燃烧室，与经ＢＦＧ压缩机压缩后的高压ＢＦＧ 混合燃烧，生成的高温高压燃气依次进入高压涡轮和动力涡轮膨胀做功，高压涡轮带动压气机，动力涡轮通过齿轮箱驱动发电机和ＢＦＧ压缩机。

BFG的发热量较低,据文献提供的BFG成分(体积百分比)为CO: 23.60%，CO2 :18.20%，H2:0. 70%,N2:57. 50%。根据各成分的化学反应方程式,可综合写出1mdlBFG和所需理论空气量完全燃烧时的化学反应方程为:

表示1molBFG与0.1215mol空气生成1.4574mol纯燃气,其中0.0057A为不反应物。对于纯燃气,摩尔燃料系数β=1;对于纯空气,摩尔燃料系数β =0。在实际燃烧过程中,为了使BFG充分燃烧,空气一般是过量的,故燃烧产物是纯燃气和空气的混合物(即实际燃烧室出口燃气的燃料系数0< β<1)。由式(1), βmol BFG与0.121 5 mol空气燃烧反应可写为:βBFG+0. 121 5β空气十0.121 5(1- β)气→1.4574 β纯燃气+0.121 5(1- β )空气(2)显然，β不同,则燃烧产物的性质(如分子量μ、比热Cp、 密度ρ和焓值I等)就不同。只要β确定了，根据混合气体热力性质的计算原理就可求出其热力性质。由燃烧室进口和出口能量守恒可知当pmolBFG与0.1215mol空气燃烧时的燃料空气比为f = βμBrc/0. 121 5μa(5)

式中，μa为空气的分子量(空气的分子量为28.97kg/ mol)。相对压力π°是压力p与热力性质表取定的基准状态(温度T。,压力po )下的p。的比值[13]4。在等熵过程中，π°随气体温度变化而变化。若等熵过程中状态1和2的压力已知,则:Pz pz/po_ π2(6)p1为求取等熵压缩过程或膨胀过程的工质温，

度、焓值等的变化提供了条件。根据式(2),空气和纯燃气在β系数的BFG 中的摩尔成分可分别表示为:钢铁冶炼过程中的“三气”及其燃烧产物，在实际常用温度（一般Ｔ≤１　５００℃）和压力（一般ｐ≤３ＭＰａ）范围内，可按照文献［１３］４－７中给出的不同燃料非当量混合时反应物和生成物的热力性质计算方法来计算其热力性质。为了省去繁琐的查表过程，一般是将燃气热力性质表中的空气和纯燃气的焓和相对压力拟合成温度的计算公式。首先编制空气、ＢＦＧ和纯燃气的Ｉ和ｌｇπ０ 值的计算子程序，然后在主计算程序中根据各状态点的温度求出上述工质的热力性质。混合燃气的Ｉ和ｌｇπ０ 值则可根据燃料系数β值结合式求出。

二、燃气轮机循环模型

压气机中的空气压缩过程是绝热不可逆过程，其等熵出口空气相对压力为燃烧室出口燃气质量流率；ｍａ为压气机进口空气质量流率；ｍｃ为从压气机出口引去冷却高压涡轮叶片的空气质量流率；ｍＢＦＧ为进入燃烧室的燃油质量流率；Ｉ３为燃烧室出口燃气焓值。从燃烧室出来的高温高压燃气进入高压涡轮程序结构，还可以计算其他参数，如燃气轮机各部件效率、进气温度等参数对循环性能的影响。计算结果表明，提高各部件效率和降低进气温度能够提高循环功率和效率，对应的最佳压比也不断增大。另外，该程序很容易改编并扩展应用于其他如燃用焦炉煤气和转炉煤气等炼钢过程中含有大量余热“废气”的燃气轮机热力性能计算。此时，仅需要把表１中构成ＢＦＧ的气体成分替换成ＣＯＧ或ＬＤＧ的成分即可。

燃用BFG的简单循环燃气轮机装置见图1。经压气机压缩后的高压空气进入燃烧室，与经BFG压缩机压缩后的高压BFG混合燃烧，生成的高温高压燃气依次进入高压涡轮和动力涡轮膨胀做功,高压涡轮带动压气机,动力涡轮通过齿轮箱驱动发电机和BFG压缩机。

三、结论

本文建立了钢铁厂燃用高炉煤气的简单循环燃气轮机模型，根据经典热力学和燃气轮机循环理论编制了循环热力性能计算程序，得到了循环的功率和效率随压比的变化关系。建立了钢铁厂燃用高炉煤气的简单循环燃气轮机装置模型，根据经典热力学和燃气轮机循环理论编制了循环热力性能计算程序，计算了循环功率和效率随压比的变化关系。结果表明存在不同压比分别使循环功率和效率达到最大值，提高涡轮进口燃气温度和降低煤气压缩机进口温度有利于提高循环性能。结果表明，存在不同的压比分别使循环功率和效率达到最大值；提高燃烧室出口燃气温度和降低燃烧室进口ＢＦＧ温度有利于提高循环性能。编制的计算程序略作修改即可适合计算燃用焦炉煤气和转炉煤气的燃气轮机循环热力性能。

四、参考文献

[1]李维特,黄保海.汽轮机变工况热力计算[M].北京:中国电力出版社,2001.

[2]黄海东.基于MATLAB的汽轮机调节级变工况快速计算方法[J].汽轮机技术, 2007, 50(2): 130-105.

[3]张莉,程超峰,姚秀平,等.大型汽轮机变工况热力参数的3种计算方法及其比较[J].汽轮机技术,2012,54(1):5-8.

[4]李清,黄竹青,王运民,等.汽轮机调节级变工况时焓降和反.动度的计算[J].汽轮机技术,2012,54(1):21-23.