冶金低热值煤气发电技术发展趋势

冶金低热值煤气发电技术发展趋势

朱能闯，刘子豪，韩汉平

中冶南方都市环保工程技术股份有限公司，湖北武汉 430071

摘要：针对我国钢铁冶金过程中产生的低热值煤气，分析了低热值煤气发电技术现状以及未来发展趋势。经过20年的发展，我国低热值煤气发电技术从中温中压发展到了超临界，发电效率从25%左右提升至43%左右，显著提升了低热值煤气能源利用效率，推动了钢铁行业绿色低碳发展。2022年超临界煤气发电技术的成功应用，将我国低热值煤气发电技术带到了新阶段，随着超临界技术的逐步应用，未来3-5年我国低热值煤气能源利用效率将进一步提升。在双碳目标下，未来我国低热值煤气发电蒸汽参数将再次提升，并且将进一步深挖煤气锅炉节能利用潜力，从而提升低热值煤气利用效率。

关键词：钢铁；低热值煤气；高效利用

1 前言

钢铁冶炼过程中会产生大量的低热值煤气，主要包括高炉煤气、转炉煤气等，以高炉煤气为例，其主要成分为CO、CO2和N2等， CO约为25 vol.%，N2约为55 vol.%，CO2约为20%[1]，热值约为700kcal/Nm3，远低于标准煤。为相应国家节能减排政策、推动钢铁行业绿色低碳发展，低热值煤气发电逐步成为钢铁厂富余煤气的主流利用方式。但由于煤气热值低、富余量有限导致装机容量较小等因素，导致低热值煤气发电参数普遍较低，从而发电效率较低，造成了钢铁冶金行业资源的浪费和较高的碳排放。因此，研究分析低热值煤气发电高效利用对于我国钢铁冶金工业的绿色低碳发展具有重要意义。

2 低热值煤气发电技术现状

低热值煤气发电方式包括煤气锅炉发电和燃机联合循环发电[2]，由于低热值煤气燃机联合循环发电技术长期受国外垄断，投资及运行费用高，且对煤气品质和热值要求高，在我国高效煤气锅炉发电技术推出后，低热值煤气燃机联合循环发电技术在我国钢铁行业未得到大范围推广。目前我国低热值煤气发电主要以煤气锅炉发电技术为主。

考虑钢铁厂富余煤气量、煤气热值以及考虑钢厂电网灵活与稳定性等因素，低热值煤气发电机组容量大多集中在30-150MW。根据传统的火力发电技术推荐，该级别容量机组的参数主要为中温中压、高温高压等参数，发电效率较低，但近年来在钢铁厂提质增效的要求下，冶金低热值煤气发电技术逐步向小容量高参数技术方向发展。

到目前为止，钢厂低热值煤气发电技术发展先后经历了第一代技术(中温中压或次高温次高压)，第二代技术(高温高压)，第三代技术(超高压中间再热)，第四代技术（亚临界中间再热）、第五代技术（超临界中间再热）等5个阶段。钢厂煤气锅炉发电技术的5个发展阶段及主要参数如表1 所示[3]，可以看出目前最先进的超临界煤气发电技术度电煤气消耗最低仅为2.58Nm3。目前我国首套超临界煤气发电机组已于2022年3月在广西盛隆冶金有限公司投运，由中冶南方都市环保工程技术股份有限公司承建，标志着我国低热值煤气发电技术正式进入了新阶段。

自第三代煤气发电技术(超高压中间再热)成功研发以来，因其具有较高的效率、良好的可靠性、较低的投资与运维费用、良好的燃料适应性等特点，迅速在钢铁行业推广开来，国内基本取代了燃机联合循环发电技术。据不完全统计，截止2022年6月，我国超高压及以上参数煤气发电机组装机容量达到了26000MW，其中超临界机组装机容量为570MW。

表1 低热值煤气发电技术发展阶段及主要参数

3 低热值煤气发电技术发展趋势

我国钢铁行业2020年碳排放总量约16亿吨，占全国碳排放总量的15%左右，是31个制造业门类中碳排放量最大的行业[4]。随着我国双碳目标的提出，我国钢铁行业碳减排压力巨大，为了助力完成钢铁行业双碳目标，低热值煤气发电技术亦将朝着更高效方向发展。

（1）高参数高效发电

根据朗肯循环原理，发电蒸汽初温提升以后，蒸汽的平均吸热温度增加，而由于背压保持不变，故循环过程中放热平均温度保持不变。根据式（1）可以得出，蒸汽初温增加以后，蒸汽循环的热效率增加；同时由于蒸汽初温增加，蒸汽容积流量增加和末级叶片干度改善，小容量汽轮机内效率提升，机组发电效率提升。增加蒸汽初压，在一定范围内能够提升蒸汽的平均吸热温度，但是进一步增加蒸汽压力，会导致蒸汽蒸发段吸热量减少，平均吸热温度下降，循环热效率下降；此外在蒸汽温度不变时增加蒸汽初压，会使得蒸汽体积流量减少和末级叶片的湿度增加，汽轮机内效率下降，机组发电效率提升幅度下降，甚至下滑。而实际汽轮发电机组过程中蒸汽压力不会超过循环热效率下降的临界值。

当前，煤气发电机组的最高参数已经达到了超临界参数（24.2 MPa，600℃），为进一步提升煤气发电效率，更高的超临界参数是未来的发展方向之一，如利用620℃蒸汽参数进行发电，但由于当前蒸汽参数已经达到了一个非常高的发电参数，未来发电效率提升空间较小，预计相对提升效率在5%以内。

（2）有效提升锅炉效率

式（2）为发电厂发电效率的计算公式。一般情况下η3*η4*η5的效率约为40-50%。而低热值煤气锅炉由于热值较低、排烟损失较大，导致其锅炉效率一般为88-90%。如果锅炉效率能够提升至93%，发电效率得到明显的提升。

η1=η2*η3*η4*η5  式（2）

式中：η1为全厂发电效率，η2为锅炉效率，η3为管道效率，η4为汽轮机组效率（相对内效率、发电机效率、机械效率），η5为循环热效率。

从表2中可以看出，锅炉各项损失中排烟损失最大，约为8-10%[5]。煤气发电厂已经普遍配置有烟气净化系统，尾部烟气低温腐蚀相对较轻，如果能够将烟气温度降低至90℃左右，锅炉排烟损失可降低至5%左右，锅炉效率提升至92-93%，全厂发电效率可增加近1.5%。可利用锅炉排烟余热的措施主要包括加热煤气或空气、利用ORC机组发电等。以100MW机组为例，将烟气温度降低至90℃左右，可增加发电量约1500KW，发电量增加约1.5%。

表2 煤气锅炉各项损失[5]

5 总结

（1）高效利用冶金低热值煤气是钢铁行业绿色低碳发展的必经之路。在过去的20年中我国低热值煤气发电技术取得了显著进步，发电效率由最初的25%提升至43%，未来低热值煤气发电技术参数将提升至更高参数，同时锅炉排烟余热也将得到深度利用。

（2）超临界煤气发电技术成功开发将我国低热值煤气带入了新的阶段，未来超临界煤气发电技术将得到更为广泛应用，有效提升我国低热值煤气利用效率。

参考文献

[1] 王建国，汪建华. 降低超高压高炉煤气锅炉排烟温度的研究和实践[J]. 发电设备，2014，3:169-172.

[2] 李洪斌. 浅谈钢铁企业高炉煤气发电技术[J]. 江西建材，2015，14:216-216.

[3] 韩汉平，施璐，朱能闯，唐美琼. 钢铁企业高效煤气发电技术的发展[J]. 节能与环保，2020，10:39-40.

[4] 陈云富，李荣.钢铁业科学减碳考验行业智慧[J]. 经济参考报，2022，12(6):8-8.

[5] 叶亚兰，司风琪，徐志皋. 高炉煤气锅炉热效率计算方法[J]. 热力发电, 2015,44(3):21-27.

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