钢铁企业剩余煤气发电方案研究

2020-07-24聂娟

冶金动力 2020年6期

关键词：抽汽热电煤气

聂娟

（凌源钢铁集团设计研究有限公司，辽宁省朝阳市 122500）

引言

在满足工艺需求的前提下，钢铁厂剩余高炉煤气可用作热电厂锅炉的燃料。选择合理的发电方案能够充分利用剩余煤气、节约能源、保护环境，创造更好的经济效益及社会效益。

凌钢老区现有4 台40 t/h+2 台75 t/h 燃气锅炉，配套2 台12 MW+3 台6 MW 抽凝式单抽汽轮机。夏季发电机组可满负荷运行，冬季锅炉有90 t/h 抽汽用于生产和采暖供热，发电量因汽轮机进汽量不足而受限制。

随着老区3 号高炉改造后生产能力的提高，副产煤气量也相应增加，新老厂区煤气平衡剩余量折成高炉煤气约14 万m3/h 至19 万m3/h。因此公司决定新建综合利用高炉煤气的热电项目，将剩余煤气全部回收利用，以解决老区发电进汽不足和剩余煤气放散造成环境污染的问题，达到凌钢煤气零排放目标。

1 方案研究

1.1 煤气平衡分析

新建热电机组的规模，主要考虑夏季煤气产量最高时，老区汽机全部满负荷运转发电后的剩余煤气量。对凌钢现有高炉煤气发生量和消耗量进行数据统计，并编制煤气平衡表见表1。

表1 高炉煤气平衡表

(1)夏季的剩余煤气量

老区现有5 台汽轮机全部纯凝运行时，为保障生产要求需锅炉供给194.26 t/h 蒸汽，其中3 台40 t/h+1 台75 t/h 锅炉运行即可满足供汽量，共消耗煤气量18 万m3/h，由表1可知剩余约16 m3/h煤气可供新建热电机组。一轧厂换辊检修期间剩余煤气量最高可达19 万m3/h。

(2)冬季的剩余煤气量

老区现有5 台汽轮机投入3 台抽汽运行，抽汽量为90 t/h。锅炉供汽量为175.71 t/h，其中3 台40 t/h+1 台75 t/h 锅炉运行，但不能满负荷运行，共消耗煤气量16 万m3/h，由表1可知留余约14 万m3/h煤气供新建热电机组，一轧厂换辊检修期间剩余量可达17万m3/h。

1.2 锅炉容量选择

为减少老区向新区输汽损失，同时满足新区生产用汽要求，在新区热电厂增设2 台蒸汽锅炉并采用热电联产运行方式，从而达到消化剩余煤气并为企业供电的目的。由煤气平衡表可知，夏季剩余煤气最大量为19 万m3/h，煤气参数见表2。设计选用次高压锅炉，蒸汽额定压力5.3 MPa，额定温度485 ℃，给水温度150 ℃。利用以气定电原则将数据代入式1 计算得：19 万m3/h 煤气燃烧产生的蒸汽量为208 t/h。为保证锅炉能够有效的燃烧所有煤气并适应热负荷的变化，最终选定2台110/5.3-Q 次高压蒸汽锅炉。

表2 高炉煤气参数(组分变化范围95%～105%)

利用剩余煤气量计算锅炉容量的计算公式

式中：D－锅炉供气量，t/h；

Q－煤气消耗量，万m3；

η－锅炉热效率，86%；

Qnet－煤气低位发热量，kJ/m3；

hz－485℃过热蒸汽焓，3320 kJ/kg(查表)；

hs－150℃饱和水焓，634 kJ/kg(查表)。

1.3 汽轮机组选型

目前市场上汽轮机组种类繁多，主要由背压机组、抽凝机组和纯凝机组。根据新区的建设规划，新区采暖热负荷由高炉冲渣水换热和余热蒸汽供给，新建热电不考虑新区采暖负荷，只提供生产热负荷，最大值为冬季实际负荷35 t/h，故拟选用抽凝式汽轮机，将进入汽轮机已做过部分功的蒸汽从中间抽取一股作为生产用汽。

汽轮机进汽量应与锅炉蒸发量相匹配，选定2台25 MW 抽凝式汽轮机组，汽耗率为4.33 kg/kWh，汽机额定抽汽能力为50 t/h，代入式2 计算得：汽轮机的进汽量为108 t/h，与锅炉蒸发量相适应。且抽汽量满足生产用汽要求。

式中：G－汽轮机进汽量，t/h；

P－汽轮机额定功率，MW；

d－汽耗率，kg/kWh。

1.4 装机方案和运行方式

根据凌钢高炉煤气富余量和生产热负荷，新区系统选用2 台110 t/h 次高压锅炉配套2 台C25-4.9/0.981 型抽凝汽式汽轮发电机组。机组额定发电功率为25 MW。额定抽汽量为50 t/h（实际抽汽35 t/h），抽汽压力0.981 MPa、温度313 ℃，配发电机型号为QF-30-2，额定功率30 MW，静止励磁，出口电压为10.5 kV。

任何机组都是按确定的进汽参数和排汽参数、一定的转速与功率设计，如果汽轮机在这些设计条件下运行，就具有较佳的效率与经济性。在变工况运行时所有参数都随汽轮机的输出功率的变化而变化。由煤气平衡表可知不同生产条件剩余煤气量有所不同，可依据剩余煤气量和生产用汽量确定机组的运行参数见表3。

表3 运行参数

2 新建热电机组污染物控制

保护环境已成为企业可持续发展和技术进步的必然选择，对于新建热电项目分析污染物的来源并制定防治措施，也是方案研究的主要内容。

2.1 主要污染物来源

主要污染物为烟尘、SO2和NOX，其来源为锅炉燃烧产生的烟气。供锅炉燃烧的高炉煤气已经过布袋除尘器除尘，其粉尘含量＜10 mg/m3。根据表2高炉煤气的成分检测资料,高炉煤气硫分含量低，烟气中SO2含量小于国家排放标准，不必采取脱硫措施。对于新建燃气机组的NOx 排污系数参照国家标准按照低氮燃烧技术取值（16.6kg/万m3）。

新建热电项目的排水主要为主厂房的生产废水、设备循环水排水系统排污水、化学水处理间的废水及生活污水，其中废水总量为122.9m3/h。主要噪声源为锅炉房鼓、引风机、水泵、发电机组等，强度范围为80dB(A)～100dB(A)。

2.2 污染物控制措施及效果

(1)烟气污染控制

锅炉使用净化后的高炉煤气，初始含尘量<10 mg/m3。锅炉燃烧后的烟气经高度45 m、出口内径3.5 m 的烟囱外排，排烟温度约为160 ℃，烟尘排放浓度＜10 mg/m3，烟气中的烟尘污染物满足《火力发电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)标准，符合排放要求[3]。

采用低硝燃烧技术，利用锅炉燃烧中生成硝的两个主要途经—温度和过剩氧量，通过DCS 计算机系统控制锅炉炉温和空气供给过剩系数，在锅炉内形成还原气氛及炉温控制在1000 ℃以下燃烧，抑制硝的生成量。NOX的排放量小于200 mg/m3，符合《火力发电厂大气污染物排放标准》(GB13323-2011)的排放限值要求。

(2)废水污染治理

生产废水及排污水直接排入排水管网，合流进入总厂区污水处理厂。

生活污水2.9 m3/h，经化粪池沉淀后进入经生活污水管网进入排水总管排到总厂污水处理厂，可以满足《城市污水再生利用-城市杂用水水质》（GB/T18920-2002）标准要求。加强企业的节水工作和严格用水管理，进一步提高水的循环利用率，更好地节约水资源。

(3)噪声污染治理

产生噪声的主要设备发电机、鼓风机、引风机安装在车间内，采用实体墙围护框架结构，具有较好的隔声效果；风机采取减振基础，加软接头，鼓风机进风口安装消音器，其它设备水泵等选用低噪声系列，并采用减振基础，锅炉点火排气安装消声器。采取上述措施，可以降噪20～25 dB（A）。厂界噪声水平可满足《工业企业厂界环境噪声排放标准》（GB12348-2008）中2类功能区标准限值要求。

此外还应根据环保要求在实际运行过程中加强对各污染物排放口的监督管理。