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鋼鐵廠燃用低熱值煤氣燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電裝置探討

文檔作者：劉旭孫明慶文檔來源：中冶集團(tuán)重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月12日
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鋼鐵廠燃用低熱值煤氣燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電裝置探討

中冶集團(tuán)重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院   劉  旭  孫明慶

[內(nèi)容提要]  本文著重討論燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電裝置在鋼鐵廠的應(yīng)用，首先從鋼鐵廠副產(chǎn)煤氣的波動(dòng)規(guī)律入手，初步確定燃?xì)廨啓C(jī)的副產(chǎn)煤氣消耗量和剩余煤氣放散量，確定聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置燃用低熱值煤氣時(shí)的利用方案以及機(jī)組的配置和改造方案。
[關(guān) 鍵 詞]  副產(chǎn)煤氣  燃?xì)廨啓C(jī)  單循環(huán)  聯(lián)合循環(huán)  熱電聯(lián)產(chǎn)

前言
鋼鐵廠常常存在這樣的狀況：一方面低熱值高爐煤氣大量排放，所含能量流失和環(huán)境污染。1998年，我國生鐵年產(chǎn)量超過1億噸，全行業(yè)高爐煤氣放散率仍達(dá)11.3%。年放散高爐煤氣量200億m3以上，年放散高爐煤氣熱值折合標(biāo)煤達(dá)240萬噸。如按標(biāo)煤270元/噸計(jì)，其熱量價(jià)值6.5億元。
另一方面鋼鐵廠又是用電大戶，噸鋼耗電量在500kW?h左右，鋼鐵廠需從電網(wǎng)上大量購電，由于購電費(fèi)用高，鋼鐵產(chǎn)品的電力成本相當(dāng)高。
此外，高爐煤氣的大量放散，嚴(yán)重污染環(huán)境。高爐煤氣的主要成分是CO和N2。其中CO是無色，無味的的有毒氣體。每m3高爐煤氣CO的含量約為0.5kg。按現(xiàn)行GB3095－96《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，其三級(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CO日平均濃度為6mg/m3。每m3高爐煤氣足以使2萬m3空氣的CO含量超過三級(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重污染環(huán)境影響人體健康。
鋼鐵廠燃用低熱值煤氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置（簡稱CCPP，為英文Combined Cycle Power Plant的縮寫），可回收放散的低熱值煤氣用于發(fā)電、供熱，且熱電轉(zhuǎn)換效率在40－46％。具有顯著的高效節(jié)能和環(huán)保效果。在鋼鐵廠有著廣闊的前景。
1997年，我國鋼鐵行業(yè)第一套全燒高爐煤氣CCPP在寶鋼建成投產(chǎn)。該套CCPP由重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，日本川崎－瑞士ABB公司制造。機(jī)組輸出電功率145MW，供蒸汽量180t/h，燃用熱值為3266kJ/m3的高爐煤氣36.2萬m3/h。熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá)46.52%。投產(chǎn)后年發(fā)電量11億kW?h。為寶鋼創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為我國鋼鐵廠回收放散的高爐煤氣發(fā)電走出了一條新路。

1. CCPP及鋼鐵廠CCPP簡介
1.1  CCPP簡介
CCPP是由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和蒸汽輪機(jī)發(fā)電疊加組合起來的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置。我們知道：在常規(guī)蒸汽發(fā)電中，鍋爐產(chǎn)生蒸汽用來發(fā)電是利用蒸汽朗肯熱力循環(huán)來作功，作功發(fā)電是利用蒸汽的狀態(tài)變化來完成的。燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓?200～1600℃）只用于加熱蒸汽（蒸汽一般加熱到450～560℃），然后由蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)來發(fā)電。此時(shí)，高溫?zé)煔獾淖鞴δ芰Γ囟炔詈蛪毫δ埽慈細(xì)獠R敦?zé)崃ρh(huán)的作功能力）被浪費(fèi)掉了。
在CCPP裝置中，有燃?xì)猓羝麅蓚€(gè)熱力循環(huán)，即：燃?xì)獠R敦?zé)崃ρh(huán)和蒸汽朗肯熱力循環(huán)（見圖1 燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)焓熵圖）。

圖1 燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)焓熵圖

1～2為空氣在壓氣機(jī)中的壓縮過程；
2～3為空氣和燃料在燃燒室內(nèi)的燃燒過程(工質(zhì)吸熱)；
3～4為燃?xì)庠谌細(xì)馔钙街械呐蛎涀龉^程；
4～1為燃?xì)廨啓C(jī)排氣放熱過程。
在燃?xì)獠R敦?zé)崃ρh(huán)中，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓煙氣在狀態(tài)變化時(shí)可以作功發(fā)電。而燃?xì)獠R敦循環(huán)排出的較高溫度煙氣（500～600℃）仍然可以用來加熱蒸汽至450～540℃用于發(fā)電。因此，將燃?xì)獠R敦?zé)崃ρh(huán)和蒸汽朗肯熱力循環(huán)疊加組合起來，先用高溫高壓煙氣驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電；再將排出的500～600℃的煙氣用于余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。這就組成了燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電。
這樣，燃料的熱能，既參與了燃?xì)廨啓C(jī)的勃萊敦循環(huán)又參與了蒸汽輪機(jī)和鍋爐組成的郎肯循環(huán)，既利用了煙氣的作功能力發(fā)電，又利用了蒸汽的作功能力發(fā)電。使之達(dá)到很高的熱電轉(zhuǎn)換效率。
目前，世界上最高的CCPP熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá)58％以上。從圖1 中可見，燃?xì)獠R敦循環(huán)和蒸汽郎肯循環(huán)分別圍成的面積即是兩個(gè)循環(huán)分別作的功，燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)所作的功，是這兩塊面積之和。可見，它遠(yuǎn)大于蒸汽郎肯循環(huán)（蒸汽發(fā)電）所作的功。
CCPP的工藝流程為：燃料（油或天然氣）經(jīng)凈化后進(jìn)入加壓機(jī)加壓至1.5～2.4MPa。燃燒用的空氣也經(jīng)空氣過濾器凈化至含塵量≤1mg/m3 然后進(jìn)入壓氣機(jī)加壓至1.5～2.4MPa。加壓后的燃料和空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室內(nèi)混合燃燒。燃燒產(chǎn)生的1.5～2.4MPa，1000～1500℃的高溫高壓煙氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪機(jī)沖動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。渦輪機(jī)排出的5000～6000Pa，500～600℃煙氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生3.82～6.5MPa，450～520℃的蒸汽，蒸汽再送入汽輪機(jī)發(fā)電。余熱鍋爐排出的～130℃煙氣經(jīng)煙囪排入大氣。
現(xiàn)在，我國已有幾十座燃?xì)廨啓C(jī)電站在運(yùn)行。由于起停速度快負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)，主要用于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展電力供應(yīng)不足的地區(qū)和調(diào)峰電站。但在鋼鐵行業(yè)，目前只有寶鋼145MW CCPP 在運(yùn)行。通化鋼鐵公司正在建設(shè)的56MW CCPP機(jī)組非常適合于國內(nèi)大多數(shù)鋼鐵企業(yè)（主要是剩余副產(chǎn)煤氣量來決定機(jī)組容量的），帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是非常顯著的。
1.2 鋼鐵廠CCPP特點(diǎn)
鋼鐵廠CCPP與常規(guī)CCPP主要區(qū)別是：它采用鋼鐵廠大量放散的低熱值高爐煤氣為主要燃料。而常規(guī)CCPP的主要燃料是輕油和天然氣。
高爐煤氣熱值低，一般為3140－3559kJ/m3，僅為同體積天然氣熱值的1/10。
目前，用于鋼鐵廠CCPP發(fā)電裝置的燃?xì)廨啓C(jī)品種較少，給選擇燃?xì)廨啓C(jī)帶來了一定的困難。為此，為了選擇到適合于某一個(gè)鋼鐵廠的燃機(jī)，需要在二個(gè)方面作一些詳細(xì)的工作：1）副產(chǎn)煤氣燃料配置；2）燃?xì)廨啓C(jī)的改造。
1.2.1 副產(chǎn)煤氣燃料配置
1.2.1.1 副產(chǎn)煤氣
從節(jié)能和環(huán)保來看，應(yīng)盡可能地將副產(chǎn)煤氣使用完，使副產(chǎn)煤氣放散量很少。由于鋼鐵廠副產(chǎn)煤氣產(chǎn)銷量是隨機(jī)變化的，波動(dòng)很大，其變化規(guī)律近似符合統(tǒng)計(jì)學(xué)的正態(tài)分布規(guī)律。為了適應(yīng)這種煤氣波動(dòng)，需要設(shè)置副產(chǎn)煤氣的緩沖用戶，它的副產(chǎn)煤氣用量可以根據(jù)鋼鐵廠煤氣余缺情況進(jìn)行調(diào)整，還允許副產(chǎn)煤氣的配比和發(fā)熱量有一定范圍的變化。而鋼鐵廠副產(chǎn)煤氣緩沖用戶的主要代表有高效率的燃?xì)廨啓C(jī)（聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置）、利用效率稍低的工業(yè)鍋爐或電站鍋爐，目前國內(nèi)設(shè)有高效率的CCPP裝置與利用效率稍低的鍋爐設(shè)備相結(jié)合方式來利用副產(chǎn)煤氣時(shí)副產(chǎn)煤氣的放散率是非常低的，如寶鋼放散率僅為0.2%左右，而只設(shè)有鍋爐作為緩沖用戶的鋼鐵廠其副產(chǎn)煤氣放散率均較大通常在5%以上。
在選擇緩沖用戶時(shí)，需要注意緩沖用戶對(duì)副產(chǎn)煤氣頻繁波動(dòng)的適應(yīng)能力，從目前國內(nèi)外鋼鐵廠的情況來看，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)副產(chǎn)煤氣波動(dòng)適應(yīng)非常強(qiáng)，對(duì)一些短時(shí)間的煤氣波動(dòng)仍然能適應(yīng)，寶鋼CCPP熱電裝置運(yùn)行實(shí)績可以從設(shè)計(jì)時(shí)的燃用高爐煤氣量36×104 m3/h到現(xiàn)在可燃用42×104 m3/h，代替了部分煤氣柜的容量。而鍋爐對(duì)副產(chǎn)煤氣波動(dòng)變化的適應(yīng)能力較慢，只能燃用穩(wěn)定的副產(chǎn)煤氣量。
1.2.1.2 CCPP容量的確定
從鋼鐵廠副產(chǎn)煤氣利用的高效化、煤氣利用優(yōu)先順序上，應(yīng)優(yōu)先考慮將副產(chǎn)剩余煤氣用于熱轉(zhuǎn)換效率高的熱電裝置，剩余部分再用于熱效率低的鍋爐，最終使副產(chǎn)煤氣的放散量接近于零，達(dá)到煤氣無放散。
在鋼鐵廠內(nèi)確定CCPP裝置的容量主要根據(jù)剩余煤氣量為基準(zhǔn)的。
1）	綜合煤氣利用率
采用綜合煤氣利用率的概念來確定鋼鐵廠建設(shè)CCPP裝置的最佳容量： 
         綜合煤氣利用率= 
當(dāng)上式綜合利用率達(dá)到最高值時(shí)，即為CCPP最佳容量。
2）剩余副產(chǎn)煤氣按正態(tài)分布計(jì)算
現(xiàn)列舉通化鋼鐵公司煤氣發(fā)電工程鋼鐵廠煤氣產(chǎn)銷的正態(tài)分布規(guī)律。根據(jù)煤氣平衡經(jīng)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)計(jì)算，副產(chǎn)煤氣使用平均值u和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ（離差值）見表1
表1    通鋼供發(fā)電與鍋爐煤氣正態(tài)分布特性值
燃料種類	單  位	鐵產(chǎn)量148×104t/a	鐵產(chǎn)量165×104t/a
BFG	u（m3/h）	73010	95890
	σ（m3/h）	9600	9900
COG	u（m3/h）	23580	23580
	σ（m3/h）	2500	2500
根據(jù)正態(tài)分布特性表繪制副產(chǎn)煤氣產(chǎn)銷正態(tài)分布曲線示意圖2。
從正態(tài)分布特性來看，因?yàn)镃CPP裝置燃用副產(chǎn)煤氣的機(jī)組功率越大，燃用副產(chǎn)煤氣就越多，而有充足剩余副產(chǎn)煤氣可資利用的時(shí)間就越小，CCPP利用率就越低，因此，應(yīng)根據(jù)剩余煤氣量的變化特點(diǎn)，選擇合適的功率，既保證剩余煤氣的合理利用，又做到CCPP裝置有高的運(yùn)行率（也叫年作業(yè)時(shí)間）。

圖2 煤氣產(chǎn)銷正態(tài)分布曲線示意圖
 
1.2.1.3 燃料配置
1）100%全燃高爐煤氣。該種燃機(jī)（GT）很少，目前只有日本三菱公司的MW-151S、MW-251和川崎ABBGT11N2機(jī)（寶鋼使用的機(jī)型）。該種燃料方式是鋼鐵廠最好的燃料配置方式，但對(duì)高爐煤氣量及發(fā)電機(jī)容量的配比比較困難。
2)高爐煤氣（BFG）增熱值方式（即混合煤氣），日本三菱公司的MW-501D、MW-701DA機(jī)型是在BFG煤氣中增加6%的焦?fàn)t煤氣（COG）（體積百分比），焦?fàn)t煤氣的需要量較大約23000m3/h（對(duì)于701DA機(jī)），混合煤氣熱值為4019kJ/m3；通鋼使用的是GE公司的PG6561B-L機(jī)型，混合煤氣熱值約為5577kJ/m3，在低熱值高爐煤氣中也可以添加其它高熱值燃料（如天然氣、石油液化氣等）來進(jìn)行增熱，主要是從燃燒器中燃燒穩(wěn)定性來考慮的，在混合煤氣中要求氫的含量通常在6～10%以上。燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型（用于IGCC的機(jī)型）比較多，容易選擇。
3)BFG中只增加5%（總熱量百分比）左右的高熱值煤氣。高熱值煤氣直接進(jìn)入燃燒器作為穩(wěn)定燃燒之用，但在煤氣系統(tǒng)配置上必需增加高熱值煤氣的壓縮機(jī)才能實(shí)現(xiàn)，目前，該種類型的機(jī)型在太鋼CCPP工程中與外商進(jìn)行技術(shù)交流和談判。
4)采用變壓吸附（VPSA）來提高BFG的熱值。BFG煤氣通過變壓吸附裝置（VPSA）脫除其中的二氧化碳和部分氮?dú)猓笲FG煤氣低位發(fā)熱值提高為7568.5kJ/m3,體積流量由100000m3/h變?yōu)?8700m3/h，在變壓吸附過程中煤氣熱量的有效成分損失約為17.33％,但其中氫氣含量僅3.05％。氫氣含量仍然很低，也必需在其中增加高熱值的煤氣，才能選擇適合的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型。
1.2.2 燃?xì)廨啓C(jī)的改造
由于高爐煤氣作燃料熱值低，帶來燃燒不穩(wěn)定，易熄火。因此，鋼鐵廠用低熱值燃?xì)廨啓C(jī)需在標(biāo)準(zhǔn)燃料（輕油或天然氣）燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列改造以適用這種低熱值煤氣燃料。其主要改造為：
?燃燒器改造以適應(yīng)燃燒不穩(wěn)定的高爐煤氣；燃用低熱值煤氣的燃燒室有兩個(gè)方案，①采用大管徑的單或雙圓筒型燃燒室；②采用多個(gè)小管型或環(huán)管型燃燒室；
?燃料壓縮機(jī)（即煤氣壓縮機(jī)）的功率增大8－10倍左右；
?燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)流量和功率減少；
?燃料凈化和燃料系統(tǒng)的改變。
?由于BFG中含有較多的毒性氣體CO，必須嚴(yán)防泄漏。為此，在BFG加壓機(jī)上采用先進(jìn)的軸封裝置；在調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閥體上也要采取氣密性措施。一般，選用N2氣體為密封介質(zhì)。
通常改造是在燃?xì)廨啓C(jī)制造廠或?qū)I(yè)的燃?xì)廨啓C(jī)改裝廠來進(jìn)行的。
1.2.3 鋼鐵廠CCPP的工藝流程
鋼鐵廠CCPP的工藝流程為：煤氣從管網(wǎng)送來后經(jīng)濕式電除塵器凈化至含塵量≤1mg/ m3 然后進(jìn)入煤氣壓縮機(jī)加壓至1.5MPa～2.15MPa。其余流程同常規(guī)CCPP。
1.3	  鋼鐵廠CCPP的優(yōu)點(diǎn) 
與常規(guī)蒸汽發(fā)電相比CCPP有以下特點(diǎn)：
⑴  CCPP發(fā)電效率高，成本低，經(jīng)濟(jì)效益好
CCPP發(fā)電效率高，目前最高可達(dá)58％以上，并且還可以進(jìn)一步提高。以鋼鐵廠50MW規(guī)模機(jī)組為例，CCPP發(fā)電效率可達(dá)40～46％，而同規(guī)模鍋爐蒸汽發(fā)電效率為23～30％左右，CCPP的熱效率高出80％以上。
CCPP的供電成本低，一般鋼鐵廠CCPP在回收的高爐煤氣不計(jì)費(fèi)時(shí)，供電成本僅為0.07-0.08元/kW?h。
CCPP的項(xiàng)目投資收益率在25％以上，投資回收期一般為3～5年，經(jīng)濟(jì)效益良好。
⑵  CCPP發(fā)電工程的造價(jià)不高
對(duì)于燒低熱值高爐煤氣的CCPP發(fā)電裝置，投資為～800美元/kW。
在國內(nèi)，50MW以油或天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠工程造價(jià)為人民幣1.9～2.6億元人民幣，約為4000～5200元 /kW。以高爐煤氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)，因低熱值煤氣容積流量的加大，煤氣清潔和壓縮的費(fèi)用比燃油機(jī)組大，投資有所增加。如：通鋼56MW機(jī)組大多為國產(chǎn)設(shè)備,總投資約為2.6億元，單位投資為4643元/kW。
⑶  燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大
燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍可達(dá)30～100％，而常規(guī)蒸汽發(fā)電廠負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍70～100％。調(diào)節(jié)靈活，負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)。
⑷  燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的安全性好，運(yùn)行可靠性高
燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行可靠性高。目前，GE公司的燃?xì)廨啓C(jī)的年工作小時(shí)為8000小時(shí)以上（設(shè)計(jì)年作業(yè)率95％，即8322小時(shí)）。一般來講，CCPP發(fā)電設(shè)計(jì)年運(yùn)行時(shí)間為7800－8000小時(shí)。
由于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒的是潔凈燃料，設(shè)備工作條件好，由此，故障率低。維修時(shí)間和工作量大大低于鍋爐蒸汽發(fā)電。
⑸  CCPP發(fā)電卻水量少。一套CCPP由一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和一臺(tái)蒸汽輪機(jī)組成，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電占CCPP發(fā)電的60％，蒸汽輪機(jī)發(fā)電只占40％。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電不需要冷卻水。因此，CCPP的冷卻水量只有同規(guī)模鍋爐蒸汽發(fā)電機(jī)組的40％。
⑹  燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電環(huán)保性能好
燃?xì)廨啓C(jī)排氣污染小。由于燃?xì)夂涂諝饩鶅艋梁瑝m量約1mg/m3進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，所以排氣含塵量僅1mg/m3。NOX含量為30PPM，遠(yuǎn)低于常規(guī)鍋爐1000mg/m3以上的排氣NOX含量。
此外，CCPP還具有安裝周期短、啟動(dòng)快等特點(diǎn)。
1.4  CCPP在鋼鐵廠的應(yīng)用
目前,在鋼鐵廠最大的燃用高爐煤氣的CCPP熱電裝置，是1997年投產(chǎn)的寶鋼145MW燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，由日本川崎－瑞士ABB公司制造。該機(jī)組100％全燒高爐煤氣，煤氣熱值3266kJ/m3，輸出功率145MW，并可供應(yīng)蒸汽180t/h，熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá)46.52%。投產(chǎn)后年發(fā)電量11億kW?h。
世界上部分鋼鐵廠低熱值CCPP發(fā)電業(yè)績見表2。

表2   部分鋼鐵廠低熱值CCPP發(fā)電業(yè)績表
名  稱	燃料
種類	熱值
kcal/m3	機(jī)型	功率
MW	投產(chǎn)
時(shí)間
八幡制鐵所	BFG	770	 	0.850	1958
八幡制鐵所	BFG	770		4 	1964
和歌山制鐵所	BFG	750	 MW171	15 	1965
四國電力阪出	COG	4700	MW-301	34/225 	1970
新日鐵制鐵釜石	BFG	670	 MW151	16 	1982
川崎制鐵千葉	BFG/COG	1000	MW-701D 	88/145	1987
日新制鋼	BFG	700	 MW251	32/50*	1989
新日鐵制鐵戶佃	LDG	1815	 MW251*	30/50*	1989
中山制鋼船町	BFG/ LDG	1000	MW151	15/37	1991
水島共同火力 	BFG/MG	965	MW-501DA	87/145	1994
意大利 ILVA	BFG	1700	3x9E	550	1996
中國寶鋼	BFG	780	11N2	145	1997
中國通鋼	BFG/COG	1332	PG6561B-L	56	2002

1.5	燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展前景
CCPP由于具有高效及環(huán)保的優(yōu)越性，是最具發(fā)展前景的“綠色”發(fā)電方式之一。
燃?xì)廨啓C(jī)有兩個(gè)主要的發(fā)展方向：即燃料的多元化和更高的效率。
（1）	目前，隨著燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)容量的大型化(目前燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)最大單機(jī)容量已達(dá)334MW，由此組成的CCPP單套容量已達(dá)484MW)，以及燃?xì)廨啓C(jī)的環(huán)保優(yōu)勢。燃?xì)廨啓C(jī)已成為發(fā)達(dá)國家和地區(qū)優(yōu)先選擇的發(fā)電方式。
燃?xì)廨啓C(jī)燃料的多元化的重點(diǎn)是利用煤作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料（簡稱IGCC）。由于IGCC為燃料的CCPP具有高效及環(huán)保的優(yōu)越性，將成為最具發(fā)展前景的發(fā)電方式。
（2） 燃?xì)廨啓C(jī)的另一個(gè)主要發(fā)展方向是提高熱效率。燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率的提高主要依賴于進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)鉁囟龋ǔ鯗兀┑奶岣?。燃?xì)獬鯗?100℃時(shí)，熱效率可達(dá)45％；燃?xì)獬鯗?350℃時(shí)，熱效率可達(dá)55％；燃?xì)獬鯗?500℃時(shí)，熱效率可達(dá)58％。目前世界上熱效率最高的燃?xì)廨啓C(jī)是日本三菱公司制造的701G型機(jī)。其燃?xì)獬鯗貫?500℃，CCPP熱效率為58％。從目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)值表明，燃?xì)廨啓C(jī)的入口溫度每年平均提高10℃以上。
目前，GE公司和日本三菱公司正在研究H型的燃?xì)廨啓C(jī)，其熱效率將突破60％（在燃機(jī)第一級(jí)葉片采用蒸汽冷卻時(shí)）。隨著材料科學(xué)和精密加工科學(xué)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)葉片和缸體所要求的新材料的面市，以及用于葉片冷卻（利用余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，采用蒸汽冷卻）的機(jī)械加工技術(shù)(精密加工，精密鑄造)和熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗睾蜔嵝蕦⑦M(jìn)一步提高。因此，大型燃?xì)廨啓C(jī)組的高效化必須建立在聯(lián)合循環(huán)基礎(chǔ)上。
2.  鋼鐵廠幾種CCPP的工藝流程
2.1  一軸式發(fā)電工藝流程
由于高爐煤氣作燃料時(shí)其容積流量很大，一般每發(fā)電一度需2-3m3高爐煤氣。而高爐煤氣壓縮到1.5MPa～2.15MPa，其壓縮耗功很大，約占到燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)機(jī)輸出功率的1/3左右。如50MW的CCPP，煤氣壓縮機(jī)功率約為15MW, 如150MW的CCPP，煤氣壓縮機(jī)功率約為50MW。如此大功率的煤氣壓縮機(jī)，其電機(jī)和電機(jī)的啟動(dòng)裝置都非常昂貴。
因此,鋼鐵廠CCPP常采用一軸式，即：將燃?xì)廨啓C(jī)（包括壓氣機(jī)），煤氣壓縮機(jī)，蒸汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)串在一根軸上。燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)發(fā)出的功率驅(qū)動(dòng)煤氣壓縮機(jī)，壓氣機(jī)后剩余的功率驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。整套機(jī)組只有一臺(tái)發(fā)電機(jī)，節(jié)省了煤氣壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)和蒸汽輪機(jī)的發(fā)電機(jī)，同時(shí)還避免了能量的反復(fù)轉(zhuǎn)換，使機(jī)組熱效率提高，節(jié)省投資。
將鋼鐵廠的蒸汽引入一軸式CCPP的蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)整機(jī)啟動(dòng)?？晒?jié)省CCPP的啟動(dòng)裝置。 
因此，鋼鐵廠采用CCPP聯(lián)合循環(huán)其最佳的軸系組成方案是一軸式發(fā)電工藝流程，這樣可以節(jié)省設(shè)備投資使設(shè)備構(gòu)成簡化，同時(shí)提高整個(gè)CCPP的熱效率。一軸式全燃高爐煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置流程圖見圖3。

基本工藝流程為：管網(wǎng)中的高爐煤氣經(jīng)專用煤氣管道送至濕式電除塵器除塵，然后進(jìn)入煤氣壓縮機(jī)壓縮（一般經(jīng)兩級(jí)壓縮）至1.4MPa，350℃，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器燃燒。燃?xì)廨啓C(jī)燃燒所需要的空氣、冷卻空氣從大氣吸入后經(jīng)空氣過濾器過濾，進(jìn)入壓氣機(jī)壓縮至1.4MPa、300℃ 進(jìn)入燃燒器摻與燃燒和冷卻。燃燒后的高溫?zé)煔饧s1600℃再與壓氣機(jī)出口的空氣混和（二次摻冷）使煙氣溫度降至～1100℃，壓力～1.3MPa，然后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)渦輪機(jī)做功以帶動(dòng)壓氣機(jī)和煤氣壓縮機(jī)以及帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做完功后的煙氣溫度～540℃，壓力為5000～6000Pa 進(jìn)入余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽。
所產(chǎn)的蒸汽一般為兩種參數(shù)，一種為中壓或次高壓蒸汽， 壓力為3.82～5.9MPa，溫度為450～510℃； 第二種為低壓蒸汽，其壓力為0.25MPa（或0.5MPa），溫度為飽和溫度。中壓或次高壓蒸汽送入汽輪機(jī)發(fā)電，低壓蒸汽直接供除氧器使用，剩余部分進(jìn)入雙壓或三壓汽輪機(jī)。
一軸式CCPP在鋼鐵廠具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，既節(jié)省投資（可節(jié)省燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)電機(jī)，煤氣壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)，蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)），又可以利用現(xiàn)有蒸汽對(duì)CCPP機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)，機(jī)組布置更加緊湊，使主廠房占地少，因此一軸式發(fā)電工藝流程應(yīng)是鋼鐵廠CCPP熱電裝置的首選工藝流程。
一軸式CCPP目前國內(nèi)還不能生產(chǎn)，軸上主機(jī)需全套進(jìn)口。進(jìn)口設(shè)備價(jià)格較高。
2.2  多軸式發(fā)電工藝流程
多軸式CCPP分二軸式和三軸式。
二軸式，即：蒸汽輪機(jī)獨(dú)立設(shè)置，其余與一軸式相同。與一軸式相比，燃?xì)廨啓C(jī)需增加啟動(dòng)裝置，蒸汽輪機(jī)獨(dú)立設(shè)置增加了一臺(tái)發(fā)電機(jī)。
三軸式，即：燃?xì)廨啓C(jī)，煤氣壓縮機(jī)，蒸汽輪機(jī)均獨(dú)立設(shè)置。與一軸式相比，燃?xì)廨啓C(jī)需增加啟動(dòng)裝置，煤氣壓縮機(jī)需增加電動(dòng)機(jī)和啟動(dòng)裝置，蒸汽輪機(jī)也增加一臺(tái)發(fā)電機(jī)。
分軸式發(fā)電機(jī)組與一軸式發(fā)電機(jī)組相比，其工藝流程基本相同，僅在啟動(dòng)時(shí)不一樣。即：啟動(dòng)時(shí)由啟動(dòng)電機(jī)裝置帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)、煤氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000轉(zhuǎn)/分時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)燃燃料，并迅速提高轉(zhuǎn)速達(dá)3000轉(zhuǎn)/分，發(fā)電機(jī)也隨著燃料量的增加而輸出功率。這時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔猱a(chǎn)生蒸汽供蒸汽輪機(jī)發(fā)電之用，從而達(dá)到聯(lián)合循環(huán)。
二軸式全燃高爐煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置流程圖見圖4，
三軸式全燃高爐煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置流程圖見圖5。

鋼鐵廠采用分軸式CCPP，其主要的優(yōu)點(diǎn)是可以不依靠外部啟動(dòng)蒸汽源，而啟動(dòng)采用自身的啟動(dòng)電機(jī)，因此啟動(dòng)快而靈活。
其次在于工程可以進(jìn)行分步實(shí)施，即先上燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)，待有一定的經(jīng)濟(jì)效益后，再建設(shè)蒸汽輪機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)，達(dá)到整體經(jīng)濟(jì)效益。
第三，采用分軸式可以與鋼鐵廠原舊有設(shè)施改造結(jié)合起來，即可以利用原有蒸汽輪機(jī)，通過增加燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)機(jī)組和增加余熱鍋爐而對(duì)原有蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行改造，從而實(shí)現(xiàn)整體最佳經(jīng)濟(jì)效益。
另外，分軸式由于燃?xì)廨啓C(jī)，煤氣壓縮機(jī)，蒸汽輪機(jī)分別獨(dú)立設(shè)置，可以減少進(jìn)口，提高設(shè)備國產(chǎn)化率。
分軸式CCPP的缺點(diǎn)：一是汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)分開布置，兩臺(tái)主機(jī)各自增加了發(fā)電機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)及煤氣壓縮機(jī)必須加啟動(dòng)電機(jī)，因此增加了設(shè)備費(fèi)用。二是在同容量下分軸式的主廠房占地要比一軸式的主廠房占地大。
3. 鋼鐵廠CCPP主要設(shè)備 
3.1 燃?xì)廨啓C(jī)
燃?xì)廨啓C(jī)本體由渦輪機(jī)、燃燒器、壓氣機(jī)三大部分組成，其中渦輪機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的做功部分及輸出功率的部分，燃燒器是組織燃料燃燒、將燃料轉(zhuǎn)化為熱能的部分，而壓氣機(jī)則是為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器提供燃燒空氣和為整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)提供冷卻空氣的部分，三大設(shè)備通過大軸和缸體構(gòu)成一個(gè)整體。
三大設(shè)備分別介紹如下：
〔1〕燃燒器
目前，燃?xì)馄鞯幕窘Y(jié)構(gòu)有兩大類，即：單筒式燃燒器和多筒式燃燒器。
a. 單筒式燃燒器燃?xì)廨啓C(jī)，一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)只有一臺(tái)燃燒器。燃燒器布置在燃?xì)廨啓C(jī)上部或側(cè)面。單筒式燃燒器體積大，長度也長，便于燃料的充分混合和燃燒。較利于低熱值煤氣的燃燒。寶鋼145MW全燒高爐煤氣CCPP就采用的單筒式燃燒器。
如ABB公司11N2型燃?xì)廨啓C(jī)的單筒燃燒氣器，其設(shè)計(jì)可100％全燒熱值780kcal/m3的高爐煤氣。該燃燒器試驗(yàn)時(shí)，最低可100％全燒670kcal/m3的高爐煤氣。如西門子公司的雙筒燃燒器的V64.3型燃?xì)廨啓C(jī)，經(jīng)適當(dāng)改造可以燃用低熱值煤氣，目前，只能燃用熱值約在1200kcal/m3左右的混合煤氣。
b. 多筒式燃燒器燃?xì)廨啓C(jī)，一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)有多臺(tái)燃燒器。燃燒器環(huán)狀布置在燃?xì)廨啓C(jī)人口。多筒式燃燒器的單臺(tái)燃燒器體積小，長度也短，便于燃燒高熱值燃料。
多筒式燃燒器的燃?xì)廨啓C(jī)用于高爐煤氣作燃料時(shí)，通常需摻燒一部分高熱值煤氣（如焦?fàn)t煤氣、和液化石油氣或輕油）以增加混和煤氣的熱值和含H2量〔H2燃燒反應(yīng)劇烈可穩(wěn)定燃燒〕。目前，世界上多筒式燃燒器燃?xì)廨啓C(jī)100％全燒高爐煤氣的機(jī)組還沒有，都需摻燒一部分焦?fàn)t煤氣、石油液化氣、天然氣或油。
日本三菱重工提供的燒高爐煤氣燃?xì)廨啓C(jī)（MW-701DA）就是摻入了焦?fàn)t煤氣的多筒式燃燒器燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，其混合煤氣最低熱值為3768kJ/m3（900kCal/ m3）。
〔2〕渦輪機(jī)
渦輪機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的做功部分，一般由4級(jí)動(dòng)靜葉組成。從燃燒器出來的高溫高壓煙氣（～1.3MPa或2.3MPa，1100℃～1350℃）沿渦輪機(jī)圓周均勻布置的第一級(jí)靜葉(噴嘴)進(jìn)入，將壓力能和熱能轉(zhuǎn)化為高速動(dòng)能以沖動(dòng)渦輪機(jī)動(dòng)葉做功輸出動(dòng)力。渦輪機(jī)的靜葉和動(dòng)葉一般有4級(jí)，通過4級(jí)的葉輪的做功后，煙氣壓力和溫度分別降低為5000～6000Pa，～540℃，最后排入余熱鍋爐。
〔3〕壓氣機(jī)
壓氣機(jī)即空氣壓縮機(jī)，主要為燃?xì)廨啓C(jī)提供燃燒所用空氣和冷卻用空氣，由于空氣量大，壓氣機(jī)為全軸流式結(jié)構(gòu)，一般有17級(jí)動(dòng)葉和靜葉。壓氣機(jī)是和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪機(jī)連為一體的。為了在低負(fù)荷工況下調(diào)整所需的空氣量，壓氣機(jī)的前1～3級(jí)靜葉可設(shè)計(jì)為可調(diào)靜葉。在壓氣機(jī)的第3，第7，第13級(jí)處設(shè)有三個(gè)抽氣口，其功能是：一方面作為防止空壓機(jī)啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)喘振用，另一方面是作為渦輪機(jī)動(dòng)葉和靜葉的冷卻之用。
3.2 蒸汽輪機(jī) 
在聯(lián)合循環(huán)中使用的蒸汽輪機(jī)的特點(diǎn):
①一般蒸汽輪機(jī)無回?zé)峤o水加熱系統(tǒng)，因而，在聯(lián)合循環(huán)中由蒸汽輪機(jī)低壓缸排向凝汽器的蒸汽流量要比常規(guī)的蒸汽輪機(jī)多。通常，在常規(guī)的蒸汽輪機(jī)中，排向凝汽器的蒸汽流量只有主蒸汽流量的30%左右，可是，在聯(lián)合循環(huán)的雙壓或三壓式的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中，排向凝汽器的蒸汽流量卻可能比主蒸汽流量大30%左右。要求精心設(shè)計(jì)聯(lián)合循環(huán)中蒸汽輪機(jī)的低壓缸和凝汽器，以增大其通流能力和換熱面積。
②蒸汽輪機(jī)必須適應(yīng)快速啟動(dòng)的要求，特別是單軸機(jī)組，在蒸汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)上采取必要的措施。
③不采用蒸汽壓力恒常不變的調(diào)節(jié)方式，而改用滑壓運(yùn)行的方式。一般，功率由100%至45%時(shí)，蒸汽壓力是線性下降的。此后，蒸汽壓力將保持恒定不變。
蒸汽輪機(jī)是聯(lián)合循環(huán)中蒸汽循環(huán)的主要設(shè)備，蒸汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)有單參數(shù)和多參數(shù)。設(shè)備選用時(shí)主要根據(jù)余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)來決定其選型和參數(shù)。
3.3 余熱鍋爐 
CCPP用余熱鍋爐(以下簡寫為HRSG)用于利用燃?xì)廨啓C(jī)排出煙氣生產(chǎn)蒸汽。由于燃?xì)廨啓C(jī)排出煙氣溫度一般為540℃左右，故HRSG的基本形式為對(duì)流換熱式。HRSG具有如下特性：
a. 為了有效利用余熱來產(chǎn)生蒸汽，一般均采用空間系數(shù)較好的翅片管；
b. 為了適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的快速啟動(dòng)要求，采用比通常鍋爐大的汽包；
c. 由于燃?xì)廨啓C(jī)采用潔凈燃料含硫量較低，其排氣時(shí)的低溫硫酸腐蝕較輕，可將HRSG的排氣溫度設(shè)計(jì)到～130℃。
3.4 煤氣壓縮機(jī) 
煤氣壓縮機(jī)是壓縮煤氣的機(jī)械，是把外界連續(xù)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成氣體的壓力能和熱能。通常有三種方式：軸流式和離心式配合使用、離心式和離心式配合使用以及單級(jí)的軸流復(fù)合式。寶鋼CCPP裝置的煤氣壓縮機(jī)就是采用低壓壓縮機(jī)（軸流式）和高壓壓縮機(jī)（離心式）的串聯(lián)連結(jié)型。
4. 節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益
4.1  CCPP的節(jié)能效果 
鋼鐵廠CCPP為高爐煤氣的高效利用開辟了新的途徑。鋼鐵廠CCPP以低熱值高爐煤氣為主要燃料，能大幅度地減少放散高爐煤氣量，只要有適當(dāng)容量的緩沖煤氣用戶配合，鋼鐵廠的高爐煤氣基本上可以全部被利用達(dá)到高爐煤氣零排放。節(jié)能效果十分明顯。
通常鋼鐵廠的高熱值煤氣自用不足，而低熱值煤氣有大量富余，不得以需要大量放散。99年，我國生鐵年產(chǎn)量超過1億噸，全行業(yè)高爐煤氣放散率仍達(dá)11.3%。年放散煤氣量200億m3以上，折合標(biāo)煤達(dá)240萬噸。如按標(biāo)煤270元/噸計(jì)，年放散煤氣熱量價(jià)值6.5億元。如將上述煤氣全部回收用CCPP發(fā)電，可裝機(jī)1300MW，年發(fā)電80億kW?h。按0.35元/kW?h計(jì)，產(chǎn)值28億元?；厥盏臒崮芸山档蛧嶄摼C合能耗0.05－0.085噸標(biāo)煤/噸鋼。
4.2  經(jīng)濟(jì)效益 
鋼鐵廠CCPP的經(jīng)濟(jì)效益較好，主要表現(xiàn)在：
〔1〕CCPP供電成本低，一般來講，按回收放散高爐煤氣發(fā)電，高爐煤氣不計(jì)價(jià)計(jì)算，CCPP供電成本約為0.07～0.08元/kW?h。如按高爐煤氣計(jì)價(jià)計(jì)算，則根據(jù)各鋼鐵廠高爐煤氣定價(jià)加上煤氣費(fèi)用。
對(duì)于電網(wǎng)購電價(jià)格為0.35元/kW?h的鋼鐵廠而言，建CCPP后噸鋼電力成本降低30－80元/噸鋼
〔2〕全投資內(nèi)部財(cái)務(wù)收益率和投資回收期主要取決銷售電價(jià)。如按銷售電價(jià)0.35元/kW?h計(jì)〔對(duì)需從電網(wǎng)購電的鋼鐵廠，從電網(wǎng)購電價(jià)格一般為0.35元/kW?h，CCPP發(fā)電自用，即減少從電網(wǎng)以0.35元/kW?h購電〕一般全投資內(nèi)部財(cái)務(wù)收益率在25％以上，投資回收期在5年之內(nèi)。
〔3〕 進(jìn)口設(shè)備可減免稅。根據(jù)“海關(guān)總署關(guān)于貫徹國務(wù)院關(guān)于調(diào)整進(jìn)口設(shè)備稅收政策的通知的緊急通知  署稅[1997]1062號(hào)”，引進(jìn)燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備可以免兩稅〔引進(jìn)關(guān)稅及增值稅〕。
5. 燃用低熱值煤氣的燃?xì)廨啓C(jī)情況
低熱值煤氣的主要代表：高爐煤氣。其特點(diǎn)是熱值低，一般為3140－3559kJ/m3。另一特點(diǎn)是含H2特別低，一般只有0.2%左右。這使高爐煤氣燃燒不穩(wěn)定，容易熄火。
目前，四大燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)商均能供應(yīng)燒低熱值煤氣的CCPP，各有特點(diǎn)。
美國GE公司，德國西門子－美國西屋公司主要供應(yīng)燒IGCC的CCPP。對(duì)燒高爐煤氣，煤氣均要求摻燒10％以上的輕油或焦?fàn)t煤氣?；旌厦簹鉄嶂翟?024kJ/m3以上，且要求混合煤氣中含H2 量或其它燃燒反應(yīng)程度類似H2的成分在10％以上。
瑞士ABB的11N2型燃?xì)廨啓C(jī)，可適應(yīng)100％全燒高爐煤氣，煤氣熱值可低至2931kJ/m3。
日本三菱公司供應(yīng)的燃?xì)廨啓C(jī)，可適應(yīng)95％以上的高爐煤氣，煤氣熱值可低至2931－3768kJ/m3，但需摻燒3－5％的輕油或焦?fàn)t煤氣。
6.結(jié)論
鋼鐵廠使用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電裝置(CCPP)，更能體現(xiàn)高效、潔凈環(huán)保、方便提供用戶對(duì)熱、電的需求，為鋼鐵廠的持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。特別在解決高爐煤氣大量放散造成的污染問題上，起到了作為主要緩沖用戶的作用，使鋼鐵廠副產(chǎn)煤氣的利用更加的合理和高效，放散量接近為零，同時(shí)也為鋼鐵廠提供大量的電能和熱能。

[參考文獻(xiàn)]
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