引言根据生产工艺的不同，钢铁厂煤气可分为焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)和转炉煤气(CG)。2014年，我国仅BFG的放散量高达614亿m3[1]。一座年产250万t钢的钢铁厂，COG产量为5万m3/h，BFG产量为43.2万m3/h，CG产量为0.9万m3/h[2]。钢铁生产过程中，有效能量的消耗仅占28.3%，其余71.7%的能量转化为余热和余能[3]。其中，钢铁厂煤气携带的余热约占生产总能耗的10%[4]，携带的余能约占生产总能量的40%。钢铁厂煤气发电技术主要包括余热回收加汽轮机发电技术[5](HTG)，燃气锅炉加汽轮机发电技术(BTG)，燃气轮机联合循环发电技术[6](CCPP)和余压透平发电技术(TRT)[7]。其中，HTG和TRT分别利用煤气的热能和压力能进行发电，BTG和CCPP则利用煤气的化学能进行发电[8]。选择适合的发电技术对煤气能量进行梯级利用，不仅能够最大限度回收煤气资源，减少排空对环境的污染，而且能够提高发电效率[9]。文中总结各种煤气发电技术，为钢铁厂煤气发电技术的选择提供参考。1钢铁厂煤气的产生及特性1.1钢铁厂煤气的产生钢铁企业普遍采用“炼焦—烧结—炼铁—炼钢—轧钢”生产工艺[10]。钢铁厂生产工艺流程和钢铁厂煤气的产生途径如图1所示。炼焦工艺产生22.46%的COG。高炉炼铁工艺产生29.02%的BFG。转炉炼钢工艺产生4.99%的CG。在钢铁生产工艺流程中，输入100%的煤炭将产生56.47%的煤气。这些煤气仅有11.2%供高炉、转炉、烧结机、轧钢车间加热炉使用，仍有45.27%富余[11]。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.025.F001图1钢铁厂生产工艺流程和钢铁厂煤气的产生途径1.2钢铁厂煤气的特性钢铁厂煤气的组成成分如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.025.F002图2钢铁厂煤气组成成分COG主要成分是氢气(H2)和甲烷(CH4)，分别占比57.2%和24.0%[12]。一氧化碳(CO)是COG的第三种可燃成分，含量为7.3%。COG属于高热值燃气，其热值可达到16 000~19 300 kJ/m3。BFG的主要成分是N2，占比为54.5%。BFG的主要可燃成分是CO，占比为22.8%。二氧化碳(CO2)是BFG中含量第三的成分，占比为20%。BFG属于低热值燃气，其热值为3 000~3 800 kJ/m3。相比于BFG，CG中的N2含量较低，占比为29.9%。与BFG相似，CG的主要可燃成分也是CO，占比为47%。CO2是CG中含量第三的成分，占比为20.5%。CG属于中高热值燃气，其热值为7 500~8 000 kJ/m3。2钢铁厂煤气发电技术2.1余热回收加汽轮机发电技术余热回收加汽轮机发电技术流程如图3所示。该技术设备由蓄热器系统和热力系统两部分组成。受钢铁生产工艺影响，COG、BFG和CG均具有周期性、波动性和间接性的特点，导致钢铁厂煤气余热回收所产蒸汽的产量、温度和压力也呈现周期性变化[13]。将钢铁厂煤气余热回收所产蒸汽直接引入热力系统，会对热力系统的安全性、稳定性造成极大的危害。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.025.F003图3余热回收加汽轮机发电技术流程蓄热器系统位于热力系统的前端，对整个系统的稳定起着至关重要的作用。在钢铁生产过程中，布置在高温烟道里的冷却装置产生多余的蒸汽被引入蓄热器系统，蓄热器里的水升温、升压，达到引入蒸汽压力所对应的饱和水焓值。HTG能够有效地回收钢铁厂煤气携带的高温余热，将其安全、可靠地转换为电能，避免了蒸汽放散造成的资源浪费和环境污染。但是HTG回收余热只能产出低压饱和蒸汽，发电效率较低。此外，低压饱和蒸汽具有易凝结成水的特点，会腐蚀汽轮机。2.2燃气锅炉加汽轮机发电技术燃气锅炉加汽轮机发电技术流程如图4所示。BTG具有适用性强、煤气循环利用率高的特点，最低可燃烧的煤气热值为5 400 kJ/m3。BTG不需要消耗一次能源，不产生额外的废气和其他污染物，充分利用了低温钢铁厂煤气，实现了钢铁厂煤气的无害化处理和资源化循环利用。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.025.F004图4燃气锅炉加汽轮机发电技术流程HTG和BTG是钢铁厂煤气常规发电技术，HTG蓄热器产出蒸汽的压力仅为0.8 MPa，所产蒸汽是饱和蒸汽。较低的蒸汽品质严重制约HTG的发电效率。通过在BTG锅炉系统内部布置再热器，钢铁厂煤气余热回收所产蒸汽流入蓄热器、旋风分离器，被直接引入BTG再热器，可以实现HTG和BTG协同发电。HTG保留回收钢铁厂煤气余热，生产低品质蒸汽的功能，和BTG共用一套热力系统，在避免机组台数多、发电少、效率低问题的同时也降低了投资成本，缓解了设备分散布置占用过多土地资源的矛盾。HTG和BTG协同发电提高了机组发电容量，实现了高品质蒸汽和低品质蒸汽协同利用。提高主蒸汽初参数是提高BTG发电效率的有效途径。因此，燃气锅炉应选用高温超高压型号。方桂平[14]通过优化设计，利用一台高参数背压机组和一台中压高温冷凝机组，使钢铁厂低热值煤气发电效率提高6.7%。2.3燃气轮机联合循环发电技术燃气轮机联合循环发电技术流程如图5所示。该技术主要由燃气轮机发电系统和余热回收发电系统两部分组成。CCPP是一种高效回收钢铁厂低热值煤气余热余能的发电技术，分为燃气轮机发电和汽轮机发电两个单元。CCPP同时利用钢铁厂低热值煤气燃烧所产生的高温烟气膨胀做功和余热回收做功，相比于BTG，CCPP拥有更高的发电效率。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.025.F005图5燃气轮机联合循环发电技术流程刘瑞华[15]等以500万t钢铁厂作为项目依托，对CCPP和BTG两种工艺进行对比。CCPP采用意大利1 100 MW机组，BTG采用220 t/h蒸汽锅炉配套66.6 MW汽轮机。CCPP和BTG的总燃料输入均为238 MW，CCPP的总电功率为104.6 MW，BTG的总电功率仅为66.6 MW。CCPP的发电效率为44%，BTG的发电效率仅为28%。通过对比发现，CCPP比BTG发电效率高16%，CCPP年发电量比BTG年发电量高266 GWh。但是CCPP机组初期投入较大，约为BTG机组的3~5倍。CCPP对煤气处理提出了更高的要求，燃料的含尘量必须达到1 mg/m3以下。由于钢铁厂煤气成分复杂，在具体的应用中，CCPP的选型、容量确定、供热能力、并网发电均需要根据特定的使用工况确定。2.4余压透平发电技术余压透平发电技术流程如图6所示。TRT利用钢铁厂煤气的压力能和部分热能，通过冲转余压透平做功，带动发电机励磁发电，从而进行电力生产。钢铁厂煤气经旋风除尘器和布袋除尘器两道除尘工艺处理，进入阀组系统。多余的煤气通过旁通快开阀进入煤气柜，从而保证系统的安全运行。此外，经余压透平膨胀做功的煤气也进入煤气柜。TRT仅利用钢铁厂煤气的压力能和热能，完成发电后，煤气的化学成分不变。余压透平末端排气经煤气柜收容后，可再次利用。TRT的发电功率取决于钢铁厂煤气的流量、入口温度和进出口压力。针对某一钢铁厂，煤气参数一定时，提高余压透平的效率是提高TRT发电功率的关键。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.025.F006图6余压透平发电技术流程TRT前端除尘工艺对其发电效率的影响较大。根据除尘工艺的不同，可分为干法除尘和湿法除尘，图6为干法除尘，干法除尘是煤气净化的主要技术手段。采用湿法除尘TRT余压透平和发电机的总效率为62.5%，而采用干法除尘TRT余压透平和发电机的总效率为84.6%，提高了22.1%。余压透平和发电机的总效率作为评价TRT运行的指标，更能够表征TRT技术的优劣。TRT完成发电的同时实现了对钢铁厂富余煤气的预处理。净化后的煤气后续可采用BTG、CCPP继续发电。3结语基于不同煤气的特性，选择适合的发电技术将最大限度地提高发电效率，实现钢铁厂煤气余热余能的高效回收，分级利用。HTG降低了煤气的温度，是实现钢铁厂煤气回收的关键技术手段。但HTG发电效率较低。BTG适用性强，最大限度地实现了钢铁厂煤气的资源化利用。提高燃气锅炉初参数、采用再热技术能够显著提高BTG发电效率。CCPP的发电效率最高，是大型钢铁厂煤气利用的最佳选择。CCPP对煤气净化工艺要求高，大型燃气轮机设备的国产化仍需继续攻关。TRT仅利用钢铁厂煤气的压力和部分热能进行发电，同时对煤气进行净化和预处理，有利于BTG和CCPP的后续使用。