鋼鐵企業煤氣發電生產的探討

羅 會

（新鋼公司能源環保部，江西 新余 338001）

1 鋼鐵企業煤氣發電概述

1.1 煤氣平衡情況

在鋼鐵企業煤氣發電的過程中，通過對各個工序中煤氣的生產量與消耗量的分析，得到煤氣的剩余量，對其進行分析后便得到了煤氣平衡［1］。根據相關數據調查，某煉鋼廠在整個生產過程中，氣體的剩余量是：高爐氣體249944米/小時，轉爐氣體829平方米/小時；日歷時間煤氣富余量為：高爐和轉爐的余氣分別為249505 米/小時和3419 米/小時。其中，作業時間富余量指的是各工序都正常生產時產氣量減去耗氣量得到的煤氣富余量，而日歷時間富余量則是各工序年平均（含檢修時間）產氣量減去耗氣量得到的煤氣富余量。除了焦化以外，其他的過程一般都不會全年生產，所以在檢修期間，這兩種氣體的余量一般也不會一樣。因此，應該根據哪個余量來決定燃氣發電的容量是現在所面臨的問題。

1.2 燃煤氣發電機組裝機情況

安鋼目前已有3座35伏和1座75伏中溫中壓常規熱能電站。這些電站都是低效率電站，占全電站鍋爐總蒸發量的32.7 %。在供熱時，這些電站都會停止發電，為廠區和生活區提供蒸汽，在不供熱時再發電，以滿足生產和生活兩個需求。目前，國內煤氣鍋爐的整體結構不合理，對余熱不能完全吸收。為了更好地保證煤氣發電所帶來的社會效益和經濟效益，開發新型、高效的煤氣發生器是非常重要的，其也是提高煤氣利用率的重要途徑。

1.3 新建燃煤發電機組等級

在燃煤氣發電機組的排布上，對余熱煤氣的吸收量要比對余熱煤氣的放散能力大，對“張口”的余熱煤氣等也要考慮［2］。在燃煤發電機組的選型上，應選用效率較高的機組，提高二次能源的利用率、提高自給率。在具體配置中，應綜合考慮生產、供熱、檢修、備用等因素，綜合利用現有的低效率小型燃氣發電機組。新建電廠在選用高效電源時，要注意兼顧煙氣平衡、兼顧熱電聯產、檢修備用和更換低效率電源等因素。

2 鋼鐵企業煤氣發電生產模式

2.1 用于發電的副產煤氣種類

高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣等是煉鋼二次能源中最重要的一種。在煉鋼過程中所消耗的能量中，大約有四成來自煉鋼過程中的副產品。其中，高爐煤氣是高爐冶煉過程的副產物，具有單位熱值低、產量大等特點。焦爐煤氣是煉焦過程中的副產物，也是最好的燃氣。轉爐煤氣是煉鋼過程中產生的一種副產物，其單位熱值及出力取決于設備的特性及運行狀況。

2.2 常規鍋爐發電

這是比較傳統的一種發電方法，它的工作原理是：在鍋爐中進行煤氣的燃燒，將燃燒過程中所釋放的化學能進行利用，在加熱鍋爐的過程中化學能會轉化為熱能，鍋爐中的水經過加熱會轉化為蒸汽［3］。再通過汽輪機來使發電機工作，從而達到發電的目的。該系統由三大核心部件組成。純煤型燃燒爐是一種新型可再生能源，其燃燒爐正從中溫向高溫、超高壓、亞臨界高參數方向發展。

2.2.1 摻燒煤氣燃煤鍋爐-蒸汽輪發電

這種發電方式所使用的燃料是煤，它的燃燒特性和純煤氣鍋爐完全相同，在本發電方式中對后者的不足進行了彌補，也可以說它是一種在原理上完全可以彌補純煤氣鍋爐的不足之處的發電方式，即燃氣的波動幅度控制在30%以內，且對鍋爐的動力輸出無任何影響，這對于鋼鐵廠的動力輸出起到了很大的緩沖作用。

2.2.2 燃氣-蒸汽聯合循環發電技術

燃氣-水蒸氣聯產（CCPP）是一種新開發的利用煤氣的新技術，它是將經過除塵設備凈化的煤氣和經過空濾設備凈化后的空氣混合后送入燃氣輪機燃燒室的一種新型發電方式。該種發電技術的方式、營銷方式和理念、在對員工進行培訓的過程中所體現出來的企業文化和思想政治情感等都比較先進。正是在這樣的大背景下，從理論和實踐兩個方面，對企業職工的思想政治工作進行了系統地論述。

2.3 發電機組對比

通過對以上三種發電方式的對比分析，從不同發電機組的標準煤耗數據中，可以發現，燃氣-蒸汽聯合循環發電技術的熱電轉換效率較高。然而，隨著常規鍋爐發電機組的參數等級的持續提升，它的發電效率也能夠與燃氣-蒸汽聯合循環機組相媲美。燃氣-水蒸氣聯產發電是一種對天然氣供給量、壓力和熱值都有很高要求的方式，所以需要一種與之匹配的熱電機組來緩沖機組的熱能消耗，保證機組的穩定高效運轉。

3 鋼鐵制造流程模式

3.1 典型鋼鐵制造流程

鋼鐵廠的典型生產過程是一種物質流和能量流相互配合、相互協調的過程（如圖1所示）。在此基礎上，建立了4個具有代表性的一次高爐煉鐵流程。四個典型流程中，發電所用的氣體是每一道工序消耗后的整個電廠的殘余氣體，而殘余氣體是以完全燃燒完畢為標準來計算。

圖1 鋼鐵制造流程圖

3.2 4種流程發電模式

（1）以產生的氣體總量減去各工序消耗后的余量，來決定四個過程中氣體發電機的結構。煤氣產生量參考值：焦爐煤氣450 m＞t焦，高爐煤氣1450 m3/te，轉爐煤氣90 m3/tw，各工序的煤氣消耗量以唐鋼2006年能源平衡表為依據。對殘余氣體量進行分析：首先，對4 個具有代表性的工藝流程進行了理論分析，結果表明：4個工藝流程均存在余氣。120萬噸厚鋼板的剩余轉爐氣約占全部轉爐氣產量的25%，剩余焦爐氣約占全部焦爐氣產量的53.3 %，其他三個過程均為20%。薄板坯連續軋制過程中，殘余的高爐煤氣占全部煤氣的28.6 %左右。在此基礎上，對550 萬噸普通熱軋鋼板進行了高爐煤氣的剩余分析：余量為1.5 %左右，轉爐煤氣的剩余為42.1 %左右。其次，由于1,200,000 噸厚鋼板的余氣含量很低，因此，可以使用混合燃氣的燃煤鍋爐，使整個機組的余氣得到充分地利用。最后，CCPP機組的氣體配比均為焦爐煤氣：高爐煤氣=1：9。在此基礎上，按照以上所述的發電模式選擇原則，將4個典型流程中的機組裝機容量和機組組合情況進行詳細分析。（2）四個具有代表性的鋼鐵生產過程，分別是：TRT、CDQ、燒結礦余熱發電、轉爐煤氣余熱發電、CCPP、煤氣-燃煤電廠。對4 個典型流程中的每一噸鋼鐵的能耗進行了統計平均，即337.6 W·h/tq、371.9 W·h/tg、356.3 W·h/tq、370.4 kW·h/tw，對其進行了計算，并進行了整理。在4種典型流程中，過程四的發電“余量”約為每年用電的3.6 倍，過程一的發電“余量”約為每年用電的0.6 倍；隨著公司規模的不斷擴大，煤氣發電項目之間的配套度不斷提高。4 種典型流程的各種發電項目所占本流程發電總量比例經過分析之后如下：首先，目前已有的四類發電項目中，TRT 等所占的總發電量還不到5%，難以滿足企業的用電需求，而采用煤氣發電則可以有效地緩解這個問題。其次，CCPP 在一般流程下，可產生20 %左右的出力。其中，在第一、第二工藝中，CCPP 裝置與煤氣燃燒裝置的配比相同，在第二工藝中，燃煤鍋爐發電裝機容量為150 MW 和300 MW。第二期CCPP 發電總量較第一期下降9.6 個百分點，而第二期火力發電總量較第一期增長9.8 個百分點。由此可見，CCPP 的裝機容量較小，其所用煤氣的比例也較小，且與CCPP 相比，燃煤鍋爐的發電效率較低。隨著燃煤鍋爐發電的占比不斷加大，能源轉化率會不斷地減少，從而企業需要購買的煤量會加大，這部分成本也會相應地提高。再次，流程Ⅰ與流程Ⅱ燃煤鍋爐發電裝機容量相同，混合燃燒速率相差不大，CCPP 為50 Mw 與100 Mw。在循環水力發電中，CCPP 工藝的造價較流程1 高8.3 %，與流程2 燃煤鍋爐發電的造價較流程1 低13.6%。由此可得出兩個結論：第一，CCPP裝機容量的增加，其發電的總量就會變大；第二，CCPP 的發電效率高。該過程中的能源利用率會增加，降低了發電過程中的能源消耗，從而進一步增加企業的效益。最后，流程IV 與流程I 燃煤鍋爐發電裝機容量相同。但流程IV 沒有CCPP 發電量多。為了增加流程Ⅳ的發電量，只能通過煤氣鍋爐的燃燒帶動汽輪機來進行發電。這部分發電占總自發電比90%以上。由此可以看出，僅用燃煤鍋爐來進行煤氣發電，不僅會增加消耗的能源，還會造成能源的浪費。這會直接增加煤氣發電過程的成本。

4 鋼鐵企業煤氣發電生產模式的優化升級

首先，在建造煤氣發電機組的過程中，要根據實際的開發需要和情況，合理地進行機組的選擇。這樣可以在保證煤氣發電生產的效率的基礎上，盡可能地降低成本。實現投資效益最大化，不僅可以保證煤氣發電生產過程的質量，還可以提高相關單位的經濟效益。其次，鋼鐵企業在建造發電機組的時候，一定要把國家出臺的相關鋼鐵產業發展政策作為標準，適當地提高入網電價，并鼓勵企業自發電，實現電力外供。除此之外，企業在申請安裝發電機組的時候，要對相關的法律、法規進行充分地核實和驗證，重點是對機組并網時的容量和規格參數的匹配度進行測試，禁止對燃煤燃氣混燒機組的對外供電，從而達到發電項目的最佳設計。最后，對于大型煤氣輪機來說，不僅要確保它的效率，而且還要確保它在運行中的安全可靠，避免出現人身傷亡。根據機組的整體布局，當有兩臺以上的機組并網時，要加強對高爐煤氣柜的最大供應范圍和調節緩沖能力的管理與控制，對加熱爐和機組進行定期的維護，與電力部門的高參數機組建立一個高效方便的接入系統，以實現雙贏。相關單位必須定期地對工作人員進行相關的培訓，使他們充分地了解煤氣發電過程的相關政策以及標準操作步驟，這樣才能夠使得煤電發電的運行過程更加安全和可靠。

5 結論

隨著鋼鐵冶煉技術的發展，煤氣消耗越來越少，煤氣相對過剩的總量也越來越多，將副產品煤氣進行綜合利用，為煤氣發電開辟了一條新的途徑，這有利于實現鋼鐵企業功能的轉變。鋼鐵企業要主動提升煤氣發電技術，加強發電機組的優化配置，把自身的資源優勢和電力企業的設備優勢結合起來，以實現能源的有效轉化，這有利于煤氣發電行業的不斷發展。