微燃机在全密闭矿热电炉煤气余热回收的应用

王 斌，华志宇，杨春旺

（1.昆明有色冶金设计研究院股份公司；2.龙佰武定钛业有限公司）

1 概述

全密闭矿热电炉是有色冶金矿热炉发展的主要趋势，较敞开式、半敞开式矿热炉具有热损失小、生产效率高、清洁环保等特点，且产生的煤气余热可回收利用，在全球环保要求日益提高的情况下，得到了全面推广，最终将全面取代半敞开式矿热炉。

全密闭矿热炉根据冶炼生产不同的产品，使用工艺不同，一般情况下，煤气的主要成分为CO（40%～85%）、N2（5%～30%）、H2（5%～10%），低位发热值2000～2700kcal/Nm³，煤气发生量360～1500Nm³/h/t产品，是一种优良燃料。

在钢铁冶金行业，大多使用锅炉+汽轮机发电方案，进行高炉煤气、转炉煤气的余热回收，技术非常成熟。但因有色冶金矿热炉生产工艺原因，煤气发生量较小，流量和压力波动较大，成分复杂，在有色冶金企业实际生产当中，较难实现余热资源的回收利用。

微型燃气轮机技术简称微燃机，是一种单台机组发电功率小于2MW的小型燃气动力发电装置，可灵活配置为分布式能源余热回收系统和多机集成扩容配置，非常适合煤气发生量较小的矿热炉煤气余热回收系统。例如使用2000Nm³/h低位发热值为2500kcal/的矿热炉煤气，可实现发电量1750kW/h。

2 微燃机简介

微燃机是为响应习近平主席提出的“加快实现航空发动机及燃气轮机自主研发和制造生产”要求，国内科研单位近年研发的具有全部中国自主知识产权、可在国内全部配套生产的科技成果，单机发电效率33%±2%，NOx排放值≤25ppm。

微燃机主要由径流式叶轮、特型燃烧室和烟气循环回热器组成，结构紧凑，配合以发电机和数字电力控制器可集成为撬装设备，高效离心压气机、高效轴流涡轮、高效低排放燃烧、空气轴承等技术打破国外技术封锁垄断，获得全新突破；可实现无人值守和远程控制。其中，高效低排放燃烧技术将氮氧化物NOx排放控制在25ppm以内的国际先进水平；空气轴承技术无需冷却剂、润滑和散热系统，8000小时保养一次，维护成本为内燃机的6%～8%。

图1 回热循环微燃机系统原理图

表1 煤气平衡表

目前微燃机燃料种类已由天然气、柴油、汽油，扩展到煤层气、焦炉煤气、矿热炉煤气、生物质气等，燃气热值适用范围900～8500kcal/Nm³，应用范围广泛。

3 微燃机在矿热炉煤气余热回收应用

3.1 项目原有配置

某公司有2台36MVA交流全密闭矿热炉，矿热炉系统采用热料热装工艺，配套建设有一座18000m³橡胶膜密封干式煤气柜及煤气储配设施，2台60t/h原料矿干燥烘干窑，2台50t/h预还原沸腾炉，2台20t/h水渣干燥炉，一套3500Nm³/h的PSA制氧装置。单台矿热炉副产低位热值为1840kcal/Nm³的电炉煤气10100Nm³/h。项目所在地海拔高度+1200m。

项目副产煤气平衡表见表2，电炉煤气略有富裕。其中，矿预还原热效率最低，系统为建立炉内还原气氛，鼓入大量煤气，出炉烟气CO含量～25%，二次鼓入空气补燃后进入预还原装置物料升温段。全厂煤气综合利用效率28.97%

表2 煤气平衡表

3.2 微燃机选用

国内研发的微燃机有两种型式，一种是简单循环的微燃机，即电炉煤气进入微燃机燃烧做功发电后，以610℃以上的高温烟气排出至下游用户；第二种是带回热循环的微燃机，在最大化利用电炉煤气的热能发电以后，以307℃的低温烟气排出至下游用户。

项目设计以原料矿干燥烘干窑、预还原沸腾炉、水冷渣干燥炉三个需求侧为牵引，因地制宜，按照高品高用、低品低用的梯级利用原则，实现系统能量的统筹利用，真正把煤气热能吃干榨尽，提高能源使用效率，降本增效减排，实现客户创值最大化的目标。

图2 微燃机冷热电联产示意图

根据项目3个需求侧的生产特性，确定在预还原沸腾炉系统使用一台E2100型简单循环微燃机和一台E2100-R型回热循环微燃机联合运行，原料矿干燥烘干窑和水冷渣干燥炉各使用E2100-R型回热循环微燃机。

3.3 方案设计

经过分析，就项目三个需求侧进行煤气平衡计算，见表2。其中，预还原沸腾炉鼓入形成还原气氛的煤气，在排出后冷却至100℃后，回收加压进入2台微燃机发电，其中E2100型简单循环微燃机排烟以630℃进入预还原装置物料升温段，使物料出口温度达到550℃。经技术改造后的全厂煤气综合利用效率67.65%。

项目分布式灵活配置微燃机8台，其中原料矿干燥烘干窑和水冷渣干燥炉各配置2台E2100-R微燃机，预还原沸腾炉配置2台E2100微燃机+2台E2100-R微燃机。

3.3.1 原料矿干燥烘干窑微燃机方案

项目配置2台φ2.7m×18m烘干回转窑，单台烘干窑煤气流量2150Nm³/h，进窑物料含水率＜10%，生产能力60t/h，排烟温度＜125℃，回转窑需求热量3244Kw/h，烟气引风机最大流量48000Nm³/h，窑头工作压力-100Pa～-20Pa。

根据项目配置烘干回转窑性能要求，一对一配置E2100-R型回热循环微燃机。微燃机性能见表3。

表3 E2100-R型微燃机性能参数表（海拔1100m热值1840kcal/Nm³）

基本配置方案为：Q=2173Nm³/h电炉煤气进入燃气轮机发电，烟气以315℃低温进入回转窑烘干物料，115℃排出；当排烟温度小于110℃时，启动回转窑煤气补燃装置，补燃煤气流量～338Nm³/h。烟气进入装置原有布袋除尘器，通过脱硫脱硝系统外排。

燃气轮机发电电压10kV,从10kV并网接入柜馈出，通过并网控制器控制发电机电力并网接入，通过10kV电缆接入用户10kV备用开关柜，以“自发自用，并网不上网”的方式进行供电。

当原料矿含水率＜8%时，回转窑煤气补燃装置可不开启，直接使用微燃机烟气即可满足烘干窑生产质量要求，此时，烟气NOx排放值≤25ppm；当回转窑煤气补燃流量在～338Nm³/h时，烟气NOx排放值≤50ppm。

3.3.2 预还原沸腾炉微燃机方案

项目配置2台50t/h预还原沸腾炉。预还原装置升温段煤气流量1025Nm³/h，功率2550kW，物料出口温度550℃；还原沸腾段煤气流量4325Nm³/h，功率750kW，烟气出口补入空气补燃，进入物料升温段。

根据项目配置单台50t/h预还原沸腾炉性能特点，确定方案如下

（1）预还原装置还原沸腾段的出口烟气7450Nm³/h（热值1350kcal/Nm³），经冷却加压后，进入E2100微燃机和E2100-R微燃机。

（2）烟气Q=2385Nm³/h与电炉煤气231Nm³/h混合后，进入E2100-R微燃机发电后，315℃尾气经冷却外排。

（3）烟气Q=5065Nm³/h进入E2100简单循环微燃机发电后，尾气以630℃、流量19.992kg/s进入预还原装置升温段将原料加热至550℃，工况330℃进入尾气冷却器，经冷却外排。

（4）发电配置同原料矿烘干窑系统。

表4 E2100型微燃机性能参数表（海拔1100m热值1350kcal/Nm³）

表5 E2100-R型微燃机性能参数表（海拔1100m热值1350kcal/Nm³）

3.3.3 水冷渣干燥炉

项目配置2套水渣干燥装置，干燥功率1790kW，耗用电炉煤气835Nm³/h。

水渣干燥装置技术改造较为简单，配置2台E2100-R微燃机，315℃的烟气直接进入水渣干燥装置。

水渣干燥装置的布袋除尘器需增加一组，增加系统的除尘能力。

3.4 富氧辅助发电技术

鉴于项目所在地海拔高度+1100m，空气当中的氧含量为19.19%，低于海平面空气20.947%的氧含量，由此，微燃机在技术评价时进行了2种分析：一是单纯的使用微燃机自身的压气机对空气进行吸气压缩，并进行评估计算，确定微燃机的发电热效率、发电量、煤气消耗量和排烟温度；二是在微燃机压气机空气吸入口，制造富氧氛围，使压气机空气吸入口氧含量达到20.947%，进行评估计算，确定微燃机的各项技术参数。

经过评估分析确认，本项目的微燃机在海拔高度1100m时，空气中氧含量提高至20.947%、排烟温度控制在315℃时，煤气消耗量提高8%～12%，发电量提高～10%，发电热效率提高0.3%，具有良好的经济效益。

本项目已配置有一套3500Nm³/h的PSA制氧装置，完全可以满足8台微燃机微富氧量使用要求。

4 项目经济效益和环保效益

本项目预计总投资1.1亿元，总装机容量12950kW，总外发电功率11000kW。按某水电大省冶金行业0.416元/度电价计算，年毛利润3600万元/a，4年可收回投资。如在北方高电价需供热地区，则预计2年可收回投资。

本项目微燃机使用高效低排放燃烧技术，将氮氧化物NOx排放控制在25ppm以内，故烘干和预还原系统内的脱硝装置正常情况下可不开启，降低了矿热炉系统的运行成本。

本项目经过初步评价，预计可减排二氧化碳13.8万t/a，获得碳汇指标8.97万t/a，环保效益良好。

5 结论

本项目具有良好的经济效益、环保效益和社会效益，将全厂煤气综合利用效率由28.97%提高到68.65%，同时获得了万t/a碳汇指标。目前主要应用于南方水电大省，经济效益和环保效益尚未最大化，在项目预还原沸腾炉余热利用还有潜力，经过热力计算，此部分排放余热，可生产0.8MPa饱和水蒸气10～12t，如北方地区可用于冬季取暖，或周边有蒸汽用户或冷冻用户，实现冷热电联产。

本项目技术可应用于有色冶金行业凡有煤气产出的各个企业，具有极佳的推广价值。