利用节能减排含能钢铁工业废气的研究

利用节能减排含能钢铁工业废气的研究

1燃油废气发电的目的和利用途径通过生态意识和对岩石燃料一次能源有限储量的认识，人们认为有必要更经济地利用现有资源。当今,CO2和其他温室气体的排放构成了最大的环境问题之一。显然,包括地球大气中所有的微量气体在内,CO2是人类温室效应的罪魁祸首。炼钢过程中会产生大量包含CO2的废气。这些气体至今没有统一的有效利用方法,其利用途径各不相同。目前普遍的做法包括用于锅炉与汽轮机的组合或者燃烧这些气体并排放到大气中。后者所浪费的能量若用于内燃机以构成废气发电系统,则可用于替代作为国家电网基础能量的化石燃料。这项计划如果可行,也可用于京都协议书的清洁发展机制(CDM)。通过内燃机发电并产生热量的热电站零散分布在有需要的地方。由于可回收利用多种废气,内燃机废热发电技术集生态和经济吸引力于一身。这项技术在高效利用能量的同时尽可能减小环境负担。废热发电系统的高效性意味着低能耗和很强的可行性,也就是既节能又降低排放量。2焦炉煤气可使用于低热值的废气目前,内燃机主要由天然气、生物气体以及填埋气体提供能量。低热值的冶金气体如焦炉煤气或转炉煤气的利用以及为满足常见空气质量要求与排放限制所进行的气体成分调整,对内燃机发展而言是一个新的挑战。高度成熟的带有智能发动机管理系统的内燃机可以利用以往不可燃烧的气体。通用电气的颜巴赫内燃机使得废热发电站可利用低热值(0.5kWh/m3)的焦炉煤气(含H2量高达70%)、生活垃圾气化产生的裂解气(含35%的H2)以及化工厂的发生炉煤气。根据这一经验,更多种类的气体可用于内燃机(图1)。在西班牙北部三个地方的26台颜巴赫内燃机都采用焦炉煤气或转炉煤气作燃料。颜巴赫开发团队已经为这三个计划完成了大量的研究工作,并分别于1995年和2004年为焦炉煤气和转炉煤气开发了商业应用程序。通用公司是世界上第一个拥有可以利用钢铁生产过程产生的废气发电的特殊内燃机的公司之一。利用焦炉煤气(易燃且在内燃机中燃烧相对容易进行)主要的挑战是控制富H2的高速反应。此外,转炉煤气需要特殊的燃烧过程,因此需要特殊的内燃机。3焦炉煤气的利用毕尔巴鄂的ProfusaSA公司焦炉煤气厂(图2)在焦煤生产过程会产生含H2量高的废气。自1995年8月起焦炉煤气已在12个颜巴赫内燃机燃烧,发电机组JGS316GS-S.L最大输出电力为6.5MW。特殊的发动机设计和精确的气体混合装置使得发动机可以在100%焦炉煤气、100%天然气或者焦炉煤气与天然气的混合气体下运行。部分废气用于废水处理和蒸汽发生。“ProfusaSA”焦炉煤气厂的技术指标和气体成分见表1和表2。此外,通用电气能源集团利用焦炉煤气作为发动机燃料,为两个颜巴赫供热机组提供全部的电力输出(4MW),供给QuímicadelNalón公司利用焦炉煤气进行的热电联合生产,焦炉煤气内燃机和发电站见图3和图4。至2008年中,两个颜巴赫JMS620GS-S/N.L内燃机组运行总时间超过70000h。每台机组电力输出达1970kW、热量输出达1120kW。两台颜巴赫机组运行时都使用来自22个炼焦炉的纯焦炉煤气、天然气或两者混合物(天然气含量低至30%)。“Sama”焦炉煤气厂的技术指标和气体组成见表3和表4。炼焦厂每年生产焦炭量高达12万t。颜巴赫机组利用所生产焦炉煤气的70%,每年产出5800万kWh电量,相当于1300万m3的天然气。气体供应由每个颜巴赫内燃机特殊的气体吸收装置完成。气体吸收装置设计成气流约1.200m3/h,具有公称直径200mm的连接口和一个灭火器。这个气体吸收装置在三种气体条件下都能运行(焦炉煤气、天然气和两者混合物),并为焦炉煤气的利用装配了特殊材料。此外,气体吸收装置带有伴随式加热,可以避免装置内焦油凝结。两个混气站分别有一个机器,使操作者可以同时在每个机器中使用不同的混合气体。高温回路产生的部分热量可以通过一个板式换热器回收,用于预热锅炉内的水。其余部分在两个散热器中散发掉。低温回路产生的热量全部在开放的冷却塔释放掉。废气的热量可以通过两个废气与空气间的换热器单独回收,废气热量的安全使用是允许的。其中一个颜巴赫机组产生的废热用于一些副产品的处理过程(如清洗)和工厂的中央供暖系统。另一个颜巴赫机组产生的废热用于细微颗粒的干燥处理,使它们在焦炭生产过程中再次被利用。每个排气系统都装有安全阀门。4从燃料以燃料(1)工业焦炭生产过程的“免费”副产品———焦炉煤气可作为发动机燃料,以提供有效、经济的能源。(2)从内燃机回收的热所产生的二次热量进一步提高了经济可行性。(3)可使用天然气作为内燃机燃料,这种灵活性保证了较高的实用性。5阿维莱斯阿维莱斯阿维莱斯阿维莱斯阿维莱斯阿维莱斯阿维莱斯阿维莱斯阿维莱斯12个颜巴赫燃气发电机组(JMS620GS-S/N.LC型)正被用于一个独特的废热发电计划,该计划是利用位于阿维莱斯的雷立雅炼钢厂产生的转炉煤气,阿维莱斯位于马德里北470km处。6中央和社会调节的应用2003年10月,安装了一个颜巴赫J620GS测试机组,以获取此气体条件下优化燃烧的初步经验。测试机组配备有一切必需的试验台设备,用于分析完全燃烧和改变燃料质量时内燃机的反应(辅助内燃机见图5,发电站及其平面图见图6和图7)。从这些测试运行中获得的经验被分析,并用于深入优化试验机组,使活塞形状、压缩比、涡轮增压器调优彼此协调,以达到最大限度提高机械效率,为以后的蒸汽生产优化废气温度。此外,为防止燃气的CO成分可能造成的危险,提供全面的安全方案。几个引擎组经过约3000h的测试后,根据所得的初步经验,又开发了另外的11台机组。试运行于2004年9月全部完成,目前已经有约20MW的电能输出和12MW热水输出,并可生产18t/h的饱和水蒸气,其压力为21.5bar(12.6MW热能)。内燃机装备有DIA.NE@-颜巴赫内燃机管理系统,其包含强大的中央工业控制,负责控制开环、闭环和内燃机监控及其可视性。另外还将其与DIA.NE解调器—服务端连接,可利用HERMES远程遥控。此外还配有总线,可以与全厂的控制系统直接通信。三分之一的机组可以燃烧转炉煤气或者天然气。由于气体热值低,需要用并行的四个DM200气体吸收装置来处理高速气流(约2000m3/h)。此外,为延长使用高湿度气体时部件的寿命,滤波器和器械均要使用特殊的材料。天然气吸收装置的尺寸远远不能满足约400m3/h的气流设计。颜巴赫内燃机运行时单独的参数设定是为保证气体间存在巨大热值差时的最优化运行。天然气是为保证钢厂燃料供给减少时设备也能正常运行。操作室和内燃机见图8和图9。每个发电机组排气口释放的废气通过Y型分岔管进入配有安全阀的安全出口,以防止回火。正常条件下,每个机组释放的废气被送至一个单独的管道,管道包括废气消声器、催化转换器和一个通向大气或者经带密闭风机的双排气瓣通向普通废气锅炉的三通阀。这三种方式可以防止热废气从一个运行的机组回流到另一个不工作的机组里。管型热回收锅炉是为16个机组同时工作时的最大流量而设计的。锅炉中装有节能器、蒸发器和回热器。设计包括一个主要的烟囱和一个旁通烟囱,用于启动和关闭发电机组。锅炉内也安装有一个回热器,在发电机组停止工作时,可将蒸汽产量提高到35t/h或20t/h。转炉气体通过一个来自LDⅡ转炉的管道送到热电联产企业。工厂装有两种阀门,其中一个是盲板阀,保证预定停机时100%密闭,并与新装置隔离;另一个是快速关闭阀,当厂里警报响时(气体泄漏或电力短缺等),切断进气并启用一个螺旋管隔离装置。工厂中天然气被用作发电机组和锅炉燃烧器的辅助燃料。它是由一个16bar气管输送到厂里的。到调控计量站压力减小到3bar。该站所允许的最大流量为8500m3/h。电能由与内燃机直接相连的勒鲁瓦同步交流发电机产生。每个交流发电机输出电能为10500V、2407kV,由一个ABB22/29-MVA增压变压器输送给电网。到达工厂的热蒸汽被用于锅炉加热焦炉煤气、转炉煤气和/或天然气。焦炉煤气是最好的燃料,而天然气只在需要时才使用。“Aceralia”转炉煤气厂的技术指标和气体组成见表5和表6。7用户利益(1)转炉煤气在为内燃机提供最佳效率的同时尽可能减小环境负担。(2)从内燃机回收的热所产生的二次热量进一步提高了经济可行性。8高炉煤气的燃烧与燃烧高炉煤气已成为现代内燃机的新挑战。高炉煤气具有极低的发热值(约0.7kWh/m3)以及极具挑战性的可燃气体(如H2和CO)与惰性气体(如CO2和N2)比例(表7)。根据各自的气体组成,添加少量的焦炉煤气或天然气有助于内燃机内气体的燃烧。这里需要建立一个新的燃烧概念。低热值气体主要的参数是层流火焰速度(图10),它表示燃烧室内火焰前进的速度。只要高炉煤气成分在一定范围内,内燃机的燃烧可以在不添加额外燃料的情况下工作,若低于此范围,则需要添加额外的焦炉煤气或转炉煤气。图10所示为高炉煤气层流火焰速度。通过对高炉煤气层流火焰速度的分析表明,采用特殊的燃烧理念就可使高炉煤气在内燃机中燃烧。由于市场上无法获得高炉煤气内燃机,某钢铁行业巨头就高炉煤气内燃机的方案与通用电气颜巴赫内燃机公司达成了合作协议。为获得最优方案,研发时采用多步解决法。首先用人造高炉煤气进行单缸测试,以估测不同内燃机理念的潜能。合成高炉煤气混气站和实验室测试用的单缸燃气机见图11和图12。由此,产品的校验和最终的优化由类似于西班牙阿维莱斯转炉煤气内燃机的辅助发动机进行,接着是发展全面商业化工厂。此试验方法是为得到以下认证:ue5f9满足严苛的关于限制排放的环境法规;ue5f9确认内燃机可工作的有效高炉煤气组分范围;ue5f9尽可能减少焦炉煤气的加入量;ue5f9确定每台内燃机的额定转化产率和额定功率;ue5f9确保高炉煤气内燃机的可靠性和经济性。利用人造高炉煤气的实验室测试已获成功,根据单缸的测试结果,已经制定了最优的内燃机方案。基于单缸测试结果,集装的辅助发动机已投入生产并于2008年8月成功运行。高炉煤气燃机所用的辅助发动机和J620GS辅助发动机见图13和图14。最初的结果超出了原来的设想,也证实了单缸测试的基本结论。发动机可以抵消冶金气体成分的波动。最终报告包括了2009年4月在商业模式下运行5000h的监测结果。自2010年来该