王 斌，華志宇，楊春旺

（1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司；2.龍佰武定鈦業(yè)有限公司）

1 概述

全密閉礦熱電爐是有色冶金礦熱爐發(fā)展的主要趨勢(shì)，較敞開式、半敞開式礦熱爐具有熱損失小、生產(chǎn)效率高、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，且產(chǎn)生的煤氣余熱可回收利用，在全球環(huán)保要求日益提高的情況下，得到了全面推廣，最終將全面取代半敞開式礦熱爐。

全密閉礦熱爐根據(jù)冶煉生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，使用工藝不同，一般情況下，煤氣的主要成分為CO（40%～85%）、N2（5%～30%）、H2（5%～10%），低位發(fā)熱值2000～2700kcal/Nm3，煤氣發(fā)生量360～1500Nm3/h/t產(chǎn)品，是一種優(yōu)良燃料。

在鋼鐵冶金行業(yè)，大多使用鍋爐+汽輪機(jī)發(fā)電方案，進(jìn)行高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣的余熱回收，技術(shù)非常成熟。但因有色冶金礦熱爐生產(chǎn)工藝原因，煤氣發(fā)生量較小，流量和壓力波動(dòng)較大，成分復(fù)雜，在有色冶金企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，較難實(shí)現(xiàn)余熱資源的回收利用。

微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)簡(jiǎn)稱微燃機(jī)，是一種單臺(tái)機(jī)組發(fā)電功率小于2MW的小型燃?xì)鈩?dòng)力發(fā)電裝置，可靈活配置為分布式能源余熱回收系統(tǒng)和多機(jī)集成擴(kuò)容配置，非常適合煤氣發(fā)生量較小的礦熱爐煤氣余熱回收系統(tǒng)。例如使用2000Nm3/h低位發(fā)熱值為2500kcal/的礦熱爐煤氣，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電量1750kW/h。

2 微燃機(jī)簡(jiǎn)介

微燃機(jī)是為響應(yīng)習(xí)近平主席提出的“加快實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)自主研發(fā)和制造生產(chǎn)”要求，國(guó)內(nèi)科研單位近年研發(fā)的具有全部中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、可在國(guó)內(nèi)全部配套生產(chǎn)的科技成果，單機(jī)發(fā)電效率33%±2%，NOx排放值≤25ppm。

微燃機(jī)主要由徑流式葉輪、特型燃燒室和煙氣循環(huán)回?zé)崞鹘M成，結(jié)構(gòu)緊湊，配合以發(fā)電機(jī)和數(shù)字電力控制器可集成為撬裝設(shè)備，高效離心壓氣機(jī)、高效軸流渦輪、高效低排放燃燒、空氣軸承等技術(shù)打破國(guó)外技術(shù)封鎖壟斷，獲得全新突破；可實(shí)現(xiàn)無人值守和遠(yuǎn)程控制。其中，高效低排放燃燒技術(shù)將氮氧化物NOx排放控制在25ppm以內(nèi)的國(guó)際先進(jìn)水平；空氣軸承技術(shù)無需冷卻劑、潤(rùn)滑和散熱系統(tǒng)，8000小時(shí)保養(yǎng)一次，維護(hù)成本為內(nèi)燃機(jī)的6%～8%。

圖1 回?zé)嵫h(huán)微燃機(jī)系統(tǒng)原理圖

表1 煤氣平衡表

目前微燃機(jī)燃料種類已由天然氣、柴油、汽油，擴(kuò)展到煤層氣、焦?fàn)t煤氣、礦熱爐煤氣、生物質(zhì)氣等，燃?xì)鉄嶂颠m用范圍900～8500kcal/Nm3，應(yīng)用范圍廣泛。

3 微燃機(jī)在礦熱爐煤氣余熱回收應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目原有配置

某公司有2臺(tái)36MVA交流全密閉礦熱爐，礦熱爐系統(tǒng)采用熱料熱裝工藝，配套建設(shè)有一座18000m3橡膠膜密封干式煤氣柜及煤氣儲(chǔ)配設(shè)施，2臺(tái)60t/h原料礦干燥烘干窯，2臺(tái)50t/h預(yù)還原沸騰爐，2臺(tái)20t/h水渣干燥爐，一套3500Nm3/h的PSA制氧裝置。單臺(tái)礦熱爐副產(chǎn)低位熱值為1840kcal/Nm3的電爐煤氣10100Nm3/h。項(xiàng)目所在地海拔高度+1200m。

項(xiàng)目副產(chǎn)煤氣平衡表見表2，電爐煤氣略有富裕。其中，礦預(yù)還原熱效率最低，系統(tǒng)為建立爐內(nèi)還原氣氛，鼓入大量煤氣，出爐煙氣CO含量～25%，二次鼓入空氣補(bǔ)燃后進(jìn)入預(yù)還原裝置物料升溫段。全廠煤氣綜合利用效率28.97%

表2 煤氣平衡表

3.2 微燃機(jī)選用

國(guó)內(nèi)研發(fā)的微燃機(jī)有兩種型式，一種是簡(jiǎn)單循環(huán)的微燃機(jī)，即電爐煤氣進(jìn)入微燃機(jī)燃燒做功發(fā)電后，以610℃以上的高溫?zé)煔馀懦鲋料掠斡脩?；第二種是帶回?zé)嵫h(huán)的微燃機(jī)，在最大化利用電爐煤氣的熱能發(fā)電以后，以307℃的低溫?zé)煔馀懦鲋料掠斡脩簟?/p>

項(xiàng)目設(shè)計(jì)以原料礦干燥烘干窯、預(yù)還原沸騰爐、水冷渣干燥爐三個(gè)需求側(cè)為牽引，因地制宜，按照高品高用、低品低用的梯級(jí)利用原則，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的統(tǒng)籌利用，真正把煤氣熱能吃干榨盡，提高能源使用效率，降本增效減排，實(shí)現(xiàn)客戶創(chuàng)值最大化的目標(biāo)。

圖2 微燃機(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)示意圖

根據(jù)項(xiàng)目3個(gè)需求側(cè)的生產(chǎn)特性，確定在預(yù)還原沸騰爐系統(tǒng)使用一臺(tái)E2100型簡(jiǎn)單循環(huán)微燃機(jī)和一臺(tái)E2100-R型回?zé)嵫h(huán)微燃機(jī)聯(lián)合運(yùn)行，原料礦干燥烘干窯和水冷渣干燥爐各使用E2100-R型回?zé)嵫h(huán)微燃機(jī)。

3.3 方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過分析，就項(xiàng)目三個(gè)需求側(cè)進(jìn)行煤氣平衡計(jì)算，見表2。其中，預(yù)還原沸騰爐鼓入形成還原氣氛的煤氣，在排出后冷卻至100℃后，回收加壓進(jìn)入2臺(tái)微燃機(jī)發(fā)電，其中E2100型簡(jiǎn)單循環(huán)微燃機(jī)排煙以630℃進(jìn)入預(yù)還原裝置物料升溫段，使物料出口溫度達(dá)到550℃。經(jīng)技術(shù)改造后的全廠煤氣綜合利用效率67.65%。

項(xiàng)目分布式靈活配置微燃機(jī)8臺(tái)，其中原料礦干燥烘干窯和水冷渣干燥爐各配置2臺(tái)E2100-R微燃機(jī)，預(yù)還原沸騰爐配置2臺(tái)E2100微燃機(jī)+2臺(tái)E2100-R微燃機(jī)。

3.3.1 原料礦干燥烘干窯微燃機(jī)方案

項(xiàng)目配置2臺(tái)φ2.7m×18m烘干回轉(zhuǎn)窯，單臺(tái)烘干窯煤氣流量2150Nm3/h，進(jìn)窯物料含水率＜10%，生產(chǎn)能力60t/h，排煙溫度＜125℃，回轉(zhuǎn)窯需求熱量3244Kw/h，煙氣引風(fēng)機(jī)最大流量48000Nm3/h，窯頭工作壓力-100Pa～-20Pa。

根據(jù)項(xiàng)目配置烘干回轉(zhuǎn)窯性能要求，一對(duì)一配置E2100-R型回?zé)嵫h(huán)微燃機(jī)。微燃機(jī)性能見表3。

表3 E2100-R型微燃機(jī)性能參數(shù)表（海拔1100m熱值1840kcal/Nm3）

基本配置方案為：Q=2173Nm3/h電爐煤氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，煙氣以315℃低溫進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯烘干物料，115℃排出；當(dāng)排煙溫度小于110℃時(shí)，啟動(dòng)回轉(zhuǎn)窯煤氣補(bǔ)燃裝置，補(bǔ)燃煤氣流量～338Nm3/h。煙氣進(jìn)入裝置原有布袋除塵器，通過脫硫脫硝系統(tǒng)外排。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電電壓10kV,從10kV并網(wǎng)接入柜饋出，通過并網(wǎng)控制器控制發(fā)電機(jī)電力并網(wǎng)接入，通過10kV電纜接入用戶10kV備用開關(guān)柜，以“自發(fā)自用，并網(wǎng)不上網(wǎng)”的方式進(jìn)行供電。

當(dāng)原料礦含水率＜8%時(shí)，回轉(zhuǎn)窯煤氣補(bǔ)燃裝置可不開啟，直接使用微燃機(jī)煙氣即可滿足烘干窯生產(chǎn)質(zhì)量要求，此時(shí)，煙氣NOx排放值≤25ppm；當(dāng)回轉(zhuǎn)窯煤氣補(bǔ)燃流量在～338Nm3/h時(shí)，煙氣NOx排放值≤50ppm。

3.3.2 預(yù)還原沸騰爐微燃機(jī)方案

項(xiàng)目配置2臺(tái)50t/h預(yù)還原沸騰爐。預(yù)還原裝置升溫段煤氣流量1025Nm3/h，功率2550kW，物料出口溫度550℃；還原沸騰段煤氣流量4325Nm3/h，功率750kW，煙氣出口補(bǔ)入空氣補(bǔ)燃，進(jìn)入物料升溫段。

根據(jù)項(xiàng)目配置單臺(tái)50t/h預(yù)還原沸騰爐性能特點(diǎn)，確定方案如下

（1）預(yù)還原裝置還原沸騰段的出口煙氣7450Nm3/h（熱值1350kcal/Nm3），經(jīng)冷卻加壓后，進(jìn)入E2100微燃機(jī)和E2100-R微燃機(jī)。

（2）煙氣Q=2385Nm3/h與電爐煤氣231Nm3/h混合后，進(jìn)入E2100-R微燃機(jī)發(fā)電后，315℃尾氣經(jīng)冷卻外排。

（3）煙氣Q=5065Nm3/h進(jìn)入E2100簡(jiǎn)單循環(huán)微燃機(jī)發(fā)電后，尾氣以630℃、流量19.992kg/s進(jìn)入預(yù)還原裝置升溫段將原料加熱至550℃，工況330℃進(jìn)入尾氣冷卻器，經(jīng)冷卻外排。

（4）發(fā)電配置同原料礦烘干窯系統(tǒng)。

表4 E2100型微燃機(jī)性能參數(shù)表（海拔1100m熱值1350kcal/Nm3）

表5 E2100-R型微燃機(jī)性能參數(shù)表（海拔1100m熱值1350kcal/Nm3）

3.3.3 水冷渣干燥爐

項(xiàng)目配置2套水渣干燥裝置，干燥功率1790kW，耗用電爐煤氣835Nm3/h。

水渣干燥裝置技術(shù)改造較為簡(jiǎn)單，配置2臺(tái)E2100-R微燃機(jī)，315℃的煙氣直接進(jìn)入水渣干燥裝置。

水渣干燥裝置的布袋除塵器需增加一組，增加系統(tǒng)的除塵能力。

3.4 富氧輔助發(fā)電技術(shù)

鑒于項(xiàng)目所在地海拔高度+1100m，空氣當(dāng)中的氧含量為19.19%，低于海平面空氣20.947%的氧含量，由此，微燃機(jī)在技術(shù)評(píng)價(jià)時(shí)進(jìn)行了2種分析：一是單純的使用微燃機(jī)自身的壓氣機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行吸氣壓縮，并進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，確定微燃機(jī)的發(fā)電熱效率、發(fā)電量、煤氣消耗量和排煙溫度；二是在微燃機(jī)壓氣機(jī)空氣吸入口，制造富氧氛圍，使壓氣機(jī)空氣吸入口氧含量達(dá)到20.947%，進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，確定微燃機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。

經(jīng)過評(píng)估分析確認(rèn)，本項(xiàng)目的微燃機(jī)在海拔高度1100m時(shí)，空氣中氧含量提高至20.947%、排煙溫度控制在315℃時(shí)，煤氣消耗量提高8%～12%，發(fā)電量提高～10%，發(fā)電熱效率提高0.3%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

本項(xiàng)目已配置有一套3500Nm3/h的PSA制氧裝置，完全可以滿足8臺(tái)微燃機(jī)微富氧量使用要求。

4 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益

本項(xiàng)目預(yù)計(jì)總投資1.1億元，總裝機(jī)容量12950kW，總外發(fā)電功率11000kW。按某水電大省冶金行業(yè)0.416元/度電價(jià)計(jì)算，年毛利潤(rùn)3600萬元/a，4年可收回投資。如在北方高電價(jià)需供熱地區(qū)，則預(yù)計(jì)2年可收回投資。

本項(xiàng)目微燃機(jī)使用高效低排放燃燒技術(shù)，將氮氧化物NOx排放控制在25ppm以內(nèi)，故烘干和預(yù)還原系統(tǒng)內(nèi)的脫硝裝置正常情況下可不開啟，降低了礦熱爐系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

本項(xiàng)目經(jīng)過初步評(píng)價(jià)，預(yù)計(jì)可減排二氧化碳13.8萬t/a，獲得碳匯指標(biāo)8.97萬t/a，環(huán)保效益良好。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益，將全廠煤氣綜合利用效率由28.97%提高到68.65%，同時(shí)獲得了萬t/a碳匯指標(biāo)。目前主要應(yīng)用于南方水電大省，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益尚未最大化，在項(xiàng)目預(yù)還原沸騰爐余熱利用還有潛力，經(jīng)過熱力計(jì)算，此部分排放余熱，可生產(chǎn)0.8MPa飽和水蒸氣10～12t，如北方地區(qū)可用于冬季取暖，或周邊有蒸汽用戶或冷凍用戶，實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)。

本項(xiàng)目技術(shù)可應(yīng)用于有色冶金行業(yè)凡有煤氣產(chǎn)出的各個(gè)企業(yè)，具有極佳的推廣價(jià)值。