应当重视钢铁行业副产煤气热功转换利用

　　正如我国其他行业的节能减排工作受制于关键技术和设备一样，钢铁行业副产煤气的热功转换利用也受制于关键装备—联合循环系统中的燃气轮机。燃气轮机是能源、动力领域的高端装备，它制约了我国多个领域的技术水平和发展速度。

　　而副产煤气热功转换途径的升级过程是伴随着节能减排的国际大背景而发展的。

　　节能减排装备发展路径

　　所谓钢铁行业的副产煤气，是指伴随炼焦过程的副产物—焦炉煤气，伴随炼铁过程的副产物—高炉煤气，伴随炼钢过程的副产物—转炉煤气，这三种气体都属于中低热值可燃气体。副产煤气所含的热值，占钢铁厂二次能源总量的70%左右。

　　煤粉送入焦炉，变成了焦炭和焦炉煤气。焦炉煤气的主要成分是H2、CH4、 CO、CO2，其中大部分是H2（体积分数50%—60%）和CH4（20%—30%）。焦炉煤气占副产煤气的25%—35%，热值约4000大卡每立方米（kCAl/m3）。

　　焦炭或煤粉被送入高炉，通过氧化还原反应来炼铁，同时副产高炉煤气。高炉煤气的主要成分是CO、N2、CO2，其中大部分是CO（20%—30%）和N2（55%—60%）。高炉煤气占副产煤气的60%—65%，热值约800大卡每立方米。

　　铁水在转炉中被炼成钢，此过程副产转炉煤气。转炉煤气的主要成分是CO、CO2，其中大部分是CO（50%—80%）。转炉煤气占副产煤气的5%—10%，热值约1700大卡每立方米。

　　这三种煤气可以单独或按一定比例配制成热值和成分含量不同的混合煤气，以供热力过程和热功转换过程所使用。

　　由于生产的时空不稳定、不均衡，副产煤气被储存在几千至数万立方米的大储气罐里，以便于压力稳定、成分均衡和便于调制，然后被分配到需要的地方。

　　除了用于烧结、焦化、高炉、炼钢、热轧工序的加热、保温等用途外，副产煤气主要通过热功转换的方式用于发电，也即要让气体燃料中的物理能和化学能变成电能。目前，这一过程，如果是大规模的方式，则避免不了通过热功转换过程来实现。

　　早期途径是朗肯循环（Rankine cycle）。朗肯循环的实现，主要是靠工质在系统中完成吸热、膨胀、放热、压缩这四个过程。做功的工质是水/水蒸汽。水经除氧器除氧后经给水泵升压（绝热压缩）进入锅炉；副产煤气在锅炉中燃烧，释放出化学能，燃烧产生的高温烟气（1200℃—1600℃）对水进行加热，水在锅炉内完成定压加热/吸热过程（经水冷壁被加热成饱和蒸汽，再流经过热器被加热成过热蒸汽，一般加热到450℃—520℃）；过热蒸汽进入汽轮机进行膨胀（绝热膨胀），推动汽轮机产生轴功，轴功带动发电机变成电能；然后蒸汽被排进凝汽器中进行冷却放出热量凝聚成水（定压放热）。凝聚水再通过给水泵进行下一轮循环。

　　朗肯循环蒸汽轮机发电机组发电，技术成熟可靠，应用广泛，亚临界机组效率20%-30%左右（超临界机组则效率达35%—40%左右）。朗肯循环做功能力和效率决定于蒸汽的状态变化，受到了限制，因为饱和蒸汽温度的进一步升高是很难的。而副产煤气只是用来变成高温烟气加热工质水/水蒸汽，其做功能力没有被充分地利用。

　　现在的途径是增加了布雷顿循环（Brayton cycle），即朗肯循环结合布雷顿循环。布雷顿循环是简单燃气轮机的理想热力循环，包括空气在压气机中的压缩、空气和燃料燃烧室内的等压燃烧加热、高温燃气在透平中的膨胀做功、通向大气的等压排气放热四个过程。布雷顿循环与朗肯循环实现的具体途径是:在布雷顿循环中，空气经空气过滤器后进入压气机被加压（例如被压缩至1.1—2.5MPa）同时燃料经净化后进入压缩机被加压（例如被压缩至1.2—2.8MPa）；加压后的燃料和空气进入燃气轮机的燃烧室内混合燃烧，产生900—1500℃的高温高压烟气；接着进入燃气轮机的涡轮中冲击涡轮带动发电机发电；涡轮排出500—600℃的烟气。此布雷顿循环排出的烟气然后进入朗肯循环蒸汽轮机发电系统（此烟气进入锅炉，加热水，使之变成450—560℃的蒸汽，蒸汽再进入汽轮机发电。这样，布雷顿循环的高温高压烟气驱动燃气轮机发电与朗肯循环的蒸汽驱动汽轮机发电得到了叠加，即燃气—蒸汽联合循环发电。

　　二次世界大战以后，燃气轮机得到快速发展，高炉煤气燃气轮机经过逐步改进解决了高炉煤气热值低、燃烧稳定性差、调节控制系统复杂等一系列技术难题，目前150MW燃气—蒸汽联合循环发电效率可达45%左右。燃气轮机、蒸汽轮机联合机组发电功率可以超过500MW，燃气初温1500℃时，联合循环发电效率可达60%左右。可见两个循环的有机叠加，增加了发电效率。

　　加强节能减排高端关键技术研发

　　在当前经济和社会形势下，有几点是需要注重和强调的:

　　首先，明晰并抓住节能减排的重点领域和重点环节。

　　从宏观的角度来看重点领域:钢铁行业一直是能耗和排放大户，能耗占全国总能耗的10%以上，CO2排放量也占全国10%以上。钢铁行业节能减排仍是我国节能减排工作的重中之重，相关决策者和管理人员应有清晰认识，并从思想上高度重视。

　　从微观的角度来看重点环节:高炉炼铁是钢铁生产流程能耗最大环节，高炉炼铁能耗占到钢铁生产流程总能耗的60%以上；且该环节产生的高炉煤气量占副产煤气的60%以上。因此，降低吨铁耗煤量、提高高炉煤气利用效率成了这个最大能耗环节的最主要节能减排工作内容。

　　其次，副产煤气的热功转换利用仍然是我国钢铁行业节能减排的主要途径之一。

　　副产煤气中量最大的是高炉煤气（占副产煤气的60%以上），是一种低热值可燃气体，相对于焦炉煤气和转炉煤气，品位偏低。高炉煤气的充分利用，是钢铁行业节能减排的重要内容。根据科学用能原理，相比于用于加热和余热锅炉过程，借助于联合循环过程，更可以把低品位的高炉煤气进行“高品位”的利用，这样，高炉煤气（混配少量焦炉煤气）通过燃气轮机热功转换过程把自身化学能的一部分变成高品位的电能之后，再变成烟气去进行加热等后续过程，得到了更为充分的利用。当前，副产煤气先进行热功转换利用、再进行其他过程利用仍然是钢铁行业节能减排的主要现实途径。

　　再次，把节能减排工作和供给侧改革结合起来。

　　当前，我国经济既要达到保持持续增长的要求，又要面临产能过剩的沉重压力。供给侧改革是从提高供给质量出发，推进结构调整，扩大有效供给，提高供给结构对需求变化的适应性和灵活性。举例来说，钢铁企业的副产煤气，当副产煤气供给自备电厂通过热功转换发电还有富余时，把富余的副产煤气（主要是其中的焦炉煤气和转炉煤气）制成醇、醚、烃类等液态产品，这些产品既储存了副产煤气化学能的同时，又方便储存、运输、销售，是良好的液态燃料产品。

　　最后，应重视和加强研发副产煤气热功转换利用的关键设备燃气轮机。

　　我国现在使用的副产煤气燃气轮机都来自于美国、日本、德国等技术发达国家。全球化竞争进一步加剧，技术壁垒高筑，几十年过去，放开市场并没有换来核心技术。在可持续发展竞争中，我国必须独立自主地研发适用于钢铁行业的节能减排高端关键技术和装备。目前，国家“两机专项”研发规划里面就包含了重点装备燃气轮机，各相关行业单位、科研院所应当抓住这一历史机遇，加紧研发副产煤气热功转换利用的关键设备燃气轮机。

 

 

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