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科技新进展:冶金煤气超临界发电技术

发布时间:2022/09/02

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一、研究的背景与问题

2000年以来,我国钢铁工业迅猛发展,钢产量连续多年稳居世界第一,为国家经济发展和基础设施建设做出了重大贡献,但同时钢铁企业也是耗能大户,其能源消耗量占全国能源消耗总量的17%,占工业能耗总量25%以上。节能提效一直是钢铁行业发展的主要方向之一。我国钢铁长流程的能源利用效率约为27%,其余73%主要以余热余能的形式存在。所有余热余能资源中,低热值煤气(高炉、转炉煤气)所占比例最大,约53%,是钢铁行业最重要的余能之一。提高余热余能利用效率是钢铁行业节能提效的重要手段。

低热值煤气主要成分为N2、CO、CO2等,其热值(高炉煤气~800 kcal,转炉煤气~1400 kcal)仅为煤炭等传统化石能源热值(动力煤约5500 kcal)的15%-25%,理论燃烧温度比煤炭等传统化石能源燃烧温度低500℃左右,上述特性导致煤气难以高效利用。近年来钢厂运营成本与环境压力的增加使得低热值煤气发电技术在我国得到了快速发展和应用。

到目前为止,钢厂富余煤气发电技术大致经历了中温中压、高温高压、高温超高压、超高温亚临界等阶段,发电效率逐步提升。但“十四五”计划和“碳达峰、碳中和”目标对环保做出了更严格的要求,钢铁工业面临的节能减排任务将更加艰巨,钢铁生产的环保成本也将加大,钢铁生产低碳化趋势愈加明显。如何进一步挖掘节能潜力、降低能耗和产品成本、保持较好的经济效益,成为了各钢铁企业的当务之急。为响应这种需求,需要对现有低热值煤气发电技术进行升级换代,以达到更高程度的节能和环保要求。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目所研发的冶金煤气小型化超临界发电技术在是在超高压和亚临界煤气发电技术基础上的进一步发展而来,是低热值煤气发电最新技术标杆。基于低热值煤气的燃烧反应动力学模型,使煤气在锅炉中高效燃烧,产生压力参数高达24.2 MPa、温度参数高达600℃的主蒸汽(超临界状态),随即送入高参数小型化汽轮发电机组高效发电,其发电效率相比现有常规机组可进一步提升8~10%,超临界煤气发电系统原理图如下所示。

图1 超临界煤气发电系统原理图

三、主要创新性成果

1、针对低热值煤气难以高效利用的问题,通过热力循环特性分析等手段,深入研究了系统参数对发电效率影响,开发了高效超临界一次再热发电技术,全球首次在150 MW容量以下低热值煤气机组上实现超临界发电,145 MW机组热效率可达43.5%以上,技术达到国际领先水平。

2、针对煤气成分、流量波动导致的运行控制复杂问题,基于先进的数据模型和传感测量手段,开发了超临界煤气锅炉自动燃烧控制、全厂APS一键启停、大型旋转设备故障诊断分析系统等智慧化技术,实现超临界煤气发电系统的智慧化安全运行。

四、应用情况与效果

2022年3月31日上午,全球首套冶金煤气超临界发电机组在广西盛隆冶金有限公司投产运行,该设施刷新了煤气发电机组运行压力、温度和发电效率等多项“世界纪录”。这套超临界煤气发电机组,由中冶南方都市环保工程技术股份有限公司自主研发,具有完全的自主知识产权和设备国产化。

对于145 MW超临界低热值煤气发电机组而言,全年可实现发电12亿kWh,钢厂用电按0.6元/kWh计,每年新增产值7亿元,每年可减少二氧化碳排放约70万吨,将能有效满足钢铁行业节能降碳的需要。

超临界煤气锅炉

超临界汽轮机

信息来源:中冶南方都市环保工程技术有限公司

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