高炉煤气综合利用技术探讨
 
冶金工业规划研究院   李冰 程小矛

摘 要  阐述了有效利用高炉煤气的重要性。对目前钢铁行业普遍采用的锅炉-蒸汽轮机、燃气—蒸汽联合循环两种发电利用技术进行热效率比较，分析了在节能、环保、经济效益方面燃气—蒸汽联合循环发电技术的优势及发展前景。

关键词  高炉煤气  锅炉-蒸汽轮机发电  燃气—蒸汽联合循环发电

Discussion on utilization technology of blast gas

Abstract  The importance of utilizing blast gas is described. Thermal efficiency of steam turbine generator and combined cycle power plant is compared. It can be analyzed that combined cycle power plant has more advantages and prospects in saving energy , environmental protection and economic benefits.

Keywords  blast gas  steam turbine generator  combined cycle power plant

1 引言
  大力发展循环经济是实现钢铁工业可持续发展的必由之路。它的实质就是以尽可能少的资源消耗、尽可能小的环境代价实现最大的经济和社会效益。
目前，我国的钢铁工业仍然是依靠资源的高消耗来推动增长的，因此必须以循环经济的发展理念为指导原则，充分挖掘能源等方面的潜力，提高资源的利用效率，最大限度的减少污染物的排放。
钢铁企业的节能降耗，高炉煤气能量综合利用是提高效益的突破口。由于高炉煤气的热值较低，一般在3125～3542kJ/Nm3左右，为低热值气体燃料，属于二次能源。因此如何高效的利用低热值的高炉煤气一直是钢铁企业所广泛关注的问题。
2 高炉煤气综合利用技术

  高炉煤气除满足炼铁工艺自身需求外，尚有大量的富余，如不能回收利用则只能放空排放，造成能源浪费和环境污染。为了充分利用这部分富余的高炉煤气，目前国内钢铁企业主要采用以下两种发电技术：
(1) 锅炉-蒸汽轮机发电
  把高炉煤气作为锅炉的燃料，产生高中压过热蒸汽（通常参数为3.82~16.7MPa，450~550℃）在汽轮机中作功转换为机械能，从而驱动汽轮机发电，其抽汽或背压用于供热和制冷。
(2) 燃气—蒸汽联合循环发电
  由燃气轮机发电系统和锅炉蒸汽轮机发电系统所组成，采用全烧高炉煤气的燃气轮机。高炉煤气经除尘加压后进入燃气轮机燃烧器燃烧，而后进入燃气轮机启动涡轮机做功从而带动发电机发电，做完功后的烟气（温度~540℃，压力~5000~6000Pa）进入余热锅炉生产中压或次高压蒸汽（通常参数为3.82~5.9MPa，450~550℃），并使蒸汽在汽轮机中继续作功发电，其抽汽或背压排汽用于供热和制冷。
图1 燃气—蒸汽联合循环发电工作原理图
3 两种发电技术热效率比较分析
3.1 动力循环的基本热力学原理
  将热能转换为机械能的设备叫做热机。热机的循环称为动力循环。从热力学的角度来说，动力循环可分为蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类。蒸汽轮机的工作循环属于前一类，燃气轮机的工作循环属后一类。
(1) 朗肯循环[1]
朗肯循环是各种复杂的蒸汽动力装置的基本循环，其工作原理图和温熵图如下：                                                                                     
(2) 布雷顿循环[1]
燃气轮机装置的基本循环为布雷顿循环，其工作原理图和温熵图如下：
3.2 热效率比较
(1)  锅炉-蒸汽轮机发电机组是利用汽轮机组的朗肯循环来完成作功发电的。煤气燃烧产生的高温高压烟气只用于锅炉燃烧，产生蒸汽，然后利用蒸汽朗肯循环作功发电。
因此，若不考虑热量损失情况，则锅炉-蒸汽轮机发电机组的热效率即为朗肯循环的热效率。                                                    
(2) 燃气—蒸汽联合循环发电机组是由燃气轮机组的布雷顿循环以及汽轮机的朗肯循环所组成。在煤气的布雷顿热力循环中，煤气燃烧产生的高温压力烟气在状态变化时作功发电。而煤气布雷顿循环排出的较高温度烟气作为余热锅炉热源能量，产生蒸汽驱动汽轮机发电，组成朗肯循环。这样，煤气的热能既参与了燃气轮机的布雷顿循环又参与了蒸汽轮机和锅炉组成的朗肯循环，既利用了烟气的作功能力发电，又利用了蒸汽的作功能力发电。
因此，若不考虑能量损失情况，粗估整套燃气—蒸汽联合循环发电机组的热效率为：                                       
通过以上分析结果，从(8)、(9)两式可以得知，燃气—蒸汽联合循环发电机组要远大于锅炉-蒸汽轮机发电机组的热效率，整个能源利用水平也有了明显提高。一般来说，以高炉煤气作为锅炉燃料产生蒸汽来驱动汽轮机发电的蒸汽轮机发电机组热效率仅能达到25%左右，而燃气—蒸汽联合循环发电机组在不外供热的情况下热效率可高达40%~45。并且，随着航太技术的融入和冷却技术的研发改善，促使燃气轮机的发展一日千里，近600℃以上的高温排气以及气机进气温度的不断提高，将进一步提高燃气—蒸汽联合循环发电机组的热效率。
4 燃气—蒸汽联合循环发电在钢铁行业的应用