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高炉煤气燃烧发电的现状和展望

文档作者：尹建威孙国龙文档来源： 1．钢铁研究总院 2．包头钢铁公司		点击数：	更新时间： 2021年03月13日
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第15卷第1期
2002年3月
《燃气轮机技术j
GAS TURBINE TECHNOLOGY
Vo】．1 5 No 1
MaI"，2002
高炉煤气燃烧发电的现状和展望
尹建威 ，孙国龙
(1．钢铁研究总院，北京 100081；2．包头钢铁公司，内蒙古包头014000)
摘 要：分析了普通高炉和全氧鼓风高炉的造气过程和高炉煤气利用现状，提出了氧气高炉一联台循环(OBF
CC)炼铁发电流程。
关键词 高炉；煤气化}联台循环发电
中图分类号：X757 文献标识码：C 文章编号：lo。9—2889(2002)01—0027—04
U 刖 吾
高炉炼铁过程中所消耗的能量有很大一部分转
移到了炉顶煤气中，炉顶煤气的台理利用不仅可以
提高能量的利用效率，也减少了围直接放散对环境
的污染。高炉煤气发电这几年来方兴未艾 被证明是
高炉煤气利用的有效方法。高炉作为造气装置还存
在巨大的潜力，通过全氧鼓风操作可以使其煤气势
值提高2倍以上．外供的煤气量也明显增加，氧气高
炉一联合循环(OBF—CC)炼铁发电流程将是先进炼
铁和发电工艺的联合体，如果得到应用将会改变钢
铁工业的面貌。
l 高炉造气的特点
高炉不仅是产铁装置，而且是高效的造气炉，每
生产1吨铁水就会产生2吨以上的煤气。高炉是复杂
的逆流反应床，块状矿石、焦炭和熔剂被从顶部加
^ ，从下部风口鼓^空气、煤粉。由于高炉风口鼓^
的热空气速度很高，一般为100～200m／s，强大的鼓
风动能会在风口前吹出一个空穴(风口回旋区)，煤
粉、焦炭和气化剂在这里混合并进行反应，理论燃烧
温度高达2000 C左右，煤粉瞬间气化，焦炭由于还保
持着较大的粒度，消耗过程慢的多。只有一部分焦炭
可到达风口循环区，其余的发生了碳的溶损反应和
向铁水渗碳反应。
在风口回旋区产生的高温煤气主要成分为
CO、H 和N 上升过程中部分CO和H 会对矿石进
行还原反应，产生的CO。又可能和焦炭发生气化反
应，因此上升中煤气的温度、成分和流量会不断变
化，最终形成炉顶煤气 高炉煤气成分和流量沿轴向
的变化规律如图l所示。
传统高炉操作目标是不断提高产铁效率和降低
含碳物质消耗，而产生的煤气未得到充分重视，为了
降低能量消耗，其操作方针是尽量提高炉身煤气的
利用率，也就是尽量多地利用煤气化学能。高炉容积
越大、生产指标越好，产生的煤气越贫瘠。因此，目前
的高炉难以把产铁功能和制造较高热值煤气统一起
来。
囝i 高炉纵剖面及煤气成分和流量
沿轴向变化示意图
高炉煤气的主要特点包括
(1)由于用空气作气化剂，加之炉身的间接还
原的进行，煤气中含可燃成分较低，热值为2510～
3542kJ／mⅡ“，属于低发热值煤气。
(2)由于高炉渣的脱硫率达到90 以上，再加
上铁水和炉尘的吸收，炉顶煤气的含硫率非常低。一
* 收稿日期：2001—10—17
第一作者简介：尹建威(1963-)．男，工程师，在北京科技大学凄在职博士，主要从事高炉炼铁工艺开发和高温除尘的研
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28 燃气轮机技术 第1 5卷
般也很少含其它有害成分。
(3)煤气初温一般小于300‘C．远远低于并流床
和流化床造气工艺
2 高炉煤气燃烧发电现状
过去高炉煤气除高炉热风炉自用一部分外
(40 ～jO )，主要用于动力锅炉，在高温加热炉等
炉窑上用的很少 使用方法是纯烧的少一掺烧的多，
主烧的少，辅烧的多 利用状况不尽人意一放散率居
高不下，垒国重点企业为13 ，地方骨干企业为
17
近些年来纯烧高炉煤气发电技术的应用方兴来
艾，开辟了高炉煤气合理利用的新思路 由于独立铁
厂热用户少，高炉煤气放散严重。此外，独立铁厂一
般装备中小型高炉，能耗明显高于大型高炉，煤气利
用率差，产生的煤气热值高，所以．纯烧高炉煤气发
电是从独立铁厂开始的，逐步发展到大中型钢铁企
业。从参烧到纯烧．锅炉容量也是从小到大 仅河北
省已建成并投人使用的发电机组就有70．5MW ，每
年的直接经济效益就达到1．27亿元 J 江苏、四川、
河南等一些独立铁厂也建起了利用高炉放散煤气的
小发电厂．已收到可喜的效果 首钢已建成容量达
220t／h纯烧高炉煤气的锅炉，带动5o0ookW 发电
机 ：。
把高炉煤气作为锅炉的燃料，产生蒸汽来驱动
汽轮机发电，其热效率只有25 左右 ]。高炉煤气燃
烧发电的趋势是采用燃气轮机技术。高炉煤气燃气
轮机的发展是从本世纪中叶开始的，从瑞士BB【 公
司制造第一台高炉煤气燃气轮机到go年代，单机功
率已发展到1 25MW 。目前高炉煤气燃气轮机联合循
环的热效率最高达到46 ．已接近天然气和柴油为
燃料的相近型号的燃气轮机联台循环水平。上海宝
钢三期引进了出力1 50MW 以高炉煤气为燃烧气的
联合循环发电机组 ]，该机纽由ABB公司提供，年
利用高炉煤气25+44a m ，热效率达到45 以上
3 氧气高炉的造气优势
最早的氧气高炉流程在1 978年由德国人Fink
提出一 ，其主要特征是采用全氧鼓风和超高量喷煤
操作，为解决炉身煤气流量不足的问瑟，增设了炉顶
煤气循环工艺，由于采用常温鼓风．热风炉被取消。
日本NKK公司于1986年首次完成氧气高炉的半工
业试验 ]，证明了氧气高炉的可行性。氧气高炉的初
衷是强化冶炼，但是，其更大的优势体现在能量转换
上。
由于氧气高炉炉身煤气不含N ，煤气还原能力
增强，含铁原料在离开块状区时已经达到很高的金
属化率，初渣减少，高炉顺利和强化冶炼的限制环节
— — 软熔带变薄甚至消失，因此，氧气高炉的炼铁效
率会显著提高；与此同时，炉顶煤气的热值将成倍增
加．计算表明，采用95 o 的鼓风操作时，炉顶煤气
的热值可以超过8000kJ／m。，属中发热值煤气 表1
为不同造气工艺的比较。
表l 不同造气二艺煤气战舟比款(干基)
气化(艺 竺兰 竺! 兰 气化剂
co co2 Ha Nz
昔通高炉
氧气高炉
鲁奇堞气化I艺
Shell煤气化工艺
博士古气化工艺
22．8
5O 6
l 5～ l 6
65 3
l 9 2 58 空 气
22{ 23 4 3 2 氧气9s
14～16 24～25 40～4：t 空气 水蒸汽
0 2 6．5 日 氧气95 ，水蒸汽
l0 30 1 氧气、水
图2为鼓风含氧量对煤气热值的影响规律，和其
它气化工艺相似，高炉的煤气热值主要取决于采用
气化剂的成分 由于取消了热风炉，虽然增设了炉顶
煤气循环工艺，外供煤气的数量还是明显增加。图3
为循环煤气改值率和温度对循环煤气量的影响。由
于炉身煤气量变化不大，外供煤气数量主要由煤气
循环制度决定。外供煤气量随循环煤气量的增加而
线性减少。
I目
王
V
翌
图2 鼓风含氧量对炉顶煤气热值的影响
氧气高炉的焦炭消耗量可以减少到三分之
一
。炼焦厂是钢铁工业的重污染源之一，因此，减
少焦炭用量不仅可节约宝贵的炼焦煤资源，而且有
利于环境。
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第l期 尹建威等：高炉煤气燃烧的现状和展望 29
图3 温度和改值率对循环煤气量的影响
4 氧气高炉一联合循环(OBF—cc)炼
铁发电流程
煤气化联合循环发电(1Gcc)具有高效、清洁的
优势，被看成是未来的燃煤发电技术。1 984年美国在
加州Daggett建成了世界上第一个正式长期运行成
功的IGCC电站，Cool Water电站口 ．现在煤气化
联合循环发电(IGCC)已经形成一定的商业规模。已
经运行的商业示范IGCC电站表明．建有独立煤气
化岛的IGCC系统其发电戚本明显高于传统燃煤电
站，难以和传统的燃煤电厂全面竞争。可以说目前的
煤气化技术难以满足1GCC发电流程的要求。
增压机
图4 氧气高炉一联台循环(OBF—CC)流程
IGCC技术的最新动向是从煤的应用向其他燃
料如垃圾、生物质特别是炼油厂的重质残油、沥青等
实施了转移，可形成发电／I艺蒸汽／化工产品多联
产的无公害新型企业_1 ”]。此外，采用非专有造气
单元的IGCC发电方案也被尝试，美国准备在犹他
州的Vineyard(Geneva钢铁公司的矿山)拟建
COREX熔融还原炼铁流程和联合循环发电相联合
的示范项目 ” 。文中作者提出了氧气高炉联合循环
发电炼铁(OBF CC)流程，和传统的IGCC流程比较
有很多优势：
(1)和炼铁流程共用高炉设备，建设和维护费
用大大降低，在煤气化联合循环发电(IGCC)流程
中，煤气化部分的投资占总投资的42 ～47 。⋯。
(2)运行可靠，现代高炉技术经过上百年的演
化发展，已经非常完善．这是其它造气技术所不能比
拟的
(3)可以选择的煤种较多，可以喷吹无烟煤也
可以喷吹烟煤。可以喷粉煤，也可以喷粒煤。
(4)氧气高炉煤气不含有害气体，因此，可以省
去脱硫和其他有害成分的工艺。
(5)氧气高炉炉顶煤气的温度较低，含可凝聚
成分很少。因此，氧气高炉采用高温除尘工艺的难度
大大降低，造气单元和发电单元的容易连接。
(6)钢铁联合企业本身也是用电大户，一般都
有自备电厂，很大一部分发电量可以就地消化
氧气高炉联合循环(OBF—CC)炼铁发电工艺一
可实现能量的梯度利用，氧气高炉作为流程的造气
单元．在其风口回旋区生戚以C0和H 为主要成分
的高温煤气，其大部分的显热和高位化学能会在炉
身的还原反应中消耗掉，炉顶煤气中剩余的化学能
量会在燃气轮机的燃烧室中完全转化，燃气轮机发
电产生的高温废气又可生成高温、高压蒸汽，驱动蒸
汽轮机做功发电。因此，氧气高炉联合循环炼铁发电
流程(OBF—CC)将成为高效率的能量转换和脱硫装
置。
氧气价格偏高一直是阻碍高炉大量用氧的限制
囡素，如果将联合循环发电工艺和空分制氧工艺进
行联合设计，空分设备所需分离的压缩空气可直接
从燃气轮机的压缩机中抽取，空分制氧产生的N 可
以返回到燃气轮机中去参加做功(N：回注)，由此可
见，通过联合设计可明显降低制氧成本。
计算表明，规模为每年300万吨铁的OBF—CC
流程每天可产生中热值煤气10．96×10 s1711：，发电功
率可达到645MW 。
5 结语
高炉煤气燃烧发电技术在中大、中、小高炉上都
得到成功应用，并取得显著的经济和环境效益。但
是，高炉煤气热值偏低，特别是随着 (下转第6页)
蚤鬃
_ 瓣
一
一 一
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燃气轮机技术 第15@-
卣介
袁新【1 056-) 男，71．学博士，清华大
学教授．博士生导师，
i982年毕业于精华大学热能工程系
燃气轮机专业，1085和198B年井别获精
华大学热力叶轮机械专业砸士和博士学
位。后留枝任教。i990至i99 5年应邀赴日
丰东北大学工作，i995年回国，现任清华
大学热能工程系动力机械与工程研究所
所长，中国工程热物理学会热机气动热
力学分科学会副主任，北京工程热物理
学会理事．f燃气轮机技术》杂志塘辑委
员台委员，A1AA会员．日本数值流体力学会委员．国防科工委航空
动力项目专家委员告委员，清华大学《动力工程匣工程搏铆理》学位
分委员会委员，清华大学热能工程系学术委员会委员等。
长期从事叶轮机槭气动热力学与计算流体力学的研究与应用．
系统地提出了一整套独具特乜的高精度、高分辩率、高收敛率的非定
常全三维粘性漉动分析方法和基于流固耦合理论的流体馓拒分析方
法，并研发丁 有自主知识产权、程序可靠的叶轮机械流场特性丹析
软件 先后在国际，国内棱心期刊匣国际会议上发表论文60余篇，其
中被SCI、Ei、ISTP收录13篇。曾莸得过国家教委科拄进步二等婪、
日本燃气轮机学会奖。
Analysis of three—dimensional flow fields
in turbomachinery based on cluster computer
YUAN Xin，I IN Zhi rong
(Tsinghua University，Beijing】00084．China)
this paper-signifieanee and feasibiIi ry of passage design in tu rbomach ne ry based on duster computer a re dis—
irticu[ar analytic method for three—d{mensional viscous flow in turb0 hi v based on cluster of personal㈨】
l e“ proposed；we have developed relevant software for (hermo—nⅥ av~a／ysis~e[ating ∞ turbomachineTy These
t software package be used to~olve the large—scale flow problems in turbomachinery by pe rsonal computer re
affer favorable base for three—dimensional optimization design of turbomach LⅢ v authentically．
mrbomachinery；three—dimensional flow1paralIe[computat{on；duster computer
》页)高炉冶炼技术的进步呈下降趋势，限
某气燃烧发电技术的发展。高炉全氧鼓风
吏其在冶炼和造气两方面都得到优化。氧
合循环(OBF CC)流程能充分发挥氧气
转换和脱硫的优势．有希望成为有竞争
r-段。高炉煤气燃烧发电是一项综合技术，
业的科研人员特别是冶金和电力专家们
F才能使其不断取得进步
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