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打破鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展瓶頸讓煤氣歸宿從“點(diǎn)天燈”變“開電燈”

2022-04-26 10:43:27 來源：科技日報

打破鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展瓶頸讓煤氣歸宿從“點(diǎn)天燈”變“開電燈”

本報記者吳純新通訊員馬嵐舒俊

2021年我國鋼鐵行業(yè)的粗鋼產(chǎn)量為10.33億噸，鋼廠富余煤氣約0.77標(biāo)方每小時，若采用超臨界煤氣發(fā)電技術(shù)，可裝機(jī)近31000兆瓦。相比鋼鐵冶金行業(yè)目前常用的超高壓技術(shù)，可多裝機(jī)近5000兆瓦，年新增發(fā)電量達(dá)400億度，減排二氧化碳3200萬噸。

近日，全球首套超臨界煤氣發(fā)電機(jī)組在廣西投產(chǎn)運(yùn)行。該機(jī)組由中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司(以下簡稱中冶南方都市環(huán)保)自主研發(fā)，發(fā)電效率達(dá)43.5%，年發(fā)電量10.6億度，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益5億多元，一年可減少二氧化碳排放85.4萬噸。

我國煤氣發(fā)電技術(shù)從中溫中壓、高溫高壓、高溫超高壓發(fā)展到亞臨界、超臨界，不斷鞏固我國在國際煤氣利用領(lǐng)域的話語權(quán)，增加了全球降碳減排實踐的中國自信。目前，我國多項煤氣發(fā)電創(chuàng)新技術(shù)已推廣至印尼、馬來西亞等多個國家。

變廢為寶將煤氣發(fā)電效率從25%提升至43.5%

我國鋼鐵產(chǎn)能居世界第一，但在鋼鐵冶煉過程中會排放大量具有毒性的煤氣，熱值低且不易儲藏。1立方米的鋼鐵冶煉高爐會產(chǎn)生1千克左右的煤氣，煤氣熱值大約800大卡，只有劣質(zhì)煤的三分之一、家用天然氣的十分之一。以往，這種煤氣除少量用于小容量低參數(shù)煤氣鍋爐發(fā)電外，大部分都以“點(diǎn)天燈”方式燃燒排放處理，不僅造成了大量能源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。

其實，鋼鐵冶煉過程中排放的煤氣可以二次利用，即將煤氣收集后燃燒發(fā)電。煤氣發(fā)電也是鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能、減排、增效的“法寶”，而煤氣發(fā)電效率是衡量其“法力”大小的關(guān)鍵。

以往將煤氣用于小容量低參數(shù)的煤氣鍋爐發(fā)電，其二次能源利用效率低，只有不足37%。已有的效率較高的低熱值尾氣燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，則長期受國外壟斷，設(shè)備價格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用高，且對用于發(fā)電的煤氣品質(zhì)要求高，在我國難以大范圍推廣應(yīng)用。

“出生”于武漢鋼鐵設(shè)計研究院的中冶南方都市環(huán)保深知鋼企的這一痛點(diǎn)，多年來致力于研發(fā)低熱值高爐煤氣發(fā)電技術(shù)，欲將“點(diǎn)天燈”方式燃燒排放的煤氣用于發(fā)電。

“發(fā)電效率提升難在技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)、參數(shù)設(shè)計和設(shè)備集成控制，每前進(jìn)一小步，都會帶來效益大幅提升。”中冶南方都市環(huán)保總工程師宋自新介紹，公司逐步進(jìn)行技術(shù)升級，近20年，將發(fā)1度電的煤氣消耗量，從4.3立方米減少至2.5立方米，每發(fā)出1度電，就意味著節(jié)省200克標(biāo)準(zhǔn)燃煤。

宋自新說，煤氣發(fā)電技術(shù)從中溫中壓、高溫高壓、高溫超高壓，發(fā)展到亞臨界、超臨界。

歷經(jīng)5代產(chǎn)品，中冶南方都市環(huán)保將煤氣發(fā)電的發(fā)電效率從25%提升至43.5%。而每個1%的背后，都是一次技術(shù)新突破，也意味著更多鋼鐵廢氣變成清潔電能，減少更多煤炭消耗。以1套135兆瓦(MW)機(jī)組為例，燃用相同燃料，采用亞臨界技術(shù)的機(jī)組年度發(fā)電量較上一代技術(shù)可增加約8000萬度，年新增經(jīng)濟(jì)效益約4000萬元。

曾經(jīng)讓鋼鐵企業(yè)無計可施的富余煤氣，在技術(shù)創(chuàng)新中成了掙錢的“香餑餑”。

精益求精我國成冶金行業(yè)煤氣發(fā)電技術(shù)領(lǐng)跑者

高溫超高壓煤氣發(fā)電技術(shù)在我國推廣6年后，2019年1月，亞臨界技術(shù)迎頭而上，今年，我國更是誕生了超臨界煤氣發(fā)電技術(shù)。超臨界煤氣發(fā)電，是指低熱值的煤氣在燃?xì)忮仩t中燃燒，產(chǎn)生的主蒸汽參數(shù)達(dá)到超臨界狀態(tài)，即蒸汽壓力25.4兆帕(MPa)，溫度605℃，隨即被送入汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。“超臨界煤氣發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新顛覆了傳統(tǒng)理念，突破了高參數(shù)、大容量、高效率的‘定論’，實現(xiàn)了高參數(shù)、小容量、高效率的科學(xué)實踐。”宋自新說，優(yōu)質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化率高，但運(yùn)用超臨界煤氣發(fā)電技術(shù)，低質(zhì)燃料也可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率。

目前，中冶南方都市環(huán)保自主研發(fā)的全球首套超臨界煤氣發(fā)電機(jī)組已在廣西盛隆冶金運(yùn)行。該設(shè)施刷新了煤氣發(fā)電機(jī)組運(yùn)行壓力、溫度和發(fā)電效率的多項世界紀(jì)錄，這也意味著我國成為世界冶金行業(yè)低熱值煤氣發(fā)電技術(shù)的領(lǐng)跑者，強(qiáng)力支撐起鋼鐵冶金企業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型。目前，首套超臨界煤氣發(fā)電機(jī)組為145兆瓦，發(fā)電效率可達(dá)43.5%，年發(fā)電量10.6億度。

“這項技術(shù)將極大提升鋼鐵企業(yè)減碳降污能力，向低碳冶煉邁出了一大步。”中國金屬學(xué)會副秘書長高懷認(rèn)為，煤氣高效利用一直是鋼鐵工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)，超臨界煤氣發(fā)電耗能更少、效益更高。

據(jù)介紹，超臨界煤氣發(fā)電機(jī)組作為第五代煤氣發(fā)電機(jī)組，蒸汽參數(shù)和發(fā)電效率的大幅提升，也帶來了更高的安全性要求。為此，新機(jī)組開發(fā)運(yùn)用了“全廠APS一鍵啟停”“煤氣鍋爐自動燃燒”等智慧化技術(shù)，可實現(xiàn)機(jī)組啟停階段的“一鍵式操作”和燃燒自動控制，提升運(yùn)行智能化和安全性。

據(jù)了解，中冶南方都市環(huán)保在全國煤氣發(fā)電領(lǐng)域市場份額超過70%，近年來，該公司承建的煤氣發(fā)電總裝機(jī)容量相當(dāng)于一個三峽工程，年發(fā)電量達(dá)1300億度，減少二氧化碳排放超1億噸。

開創(chuàng)新局除鋼鐵行業(yè)外還可服務(wù)于更多行業(yè)

業(yè)內(nèi)專家表示，煤氣熱值低、壓力不穩(wěn)定，相較于燃煤發(fā)電，煤氣高效發(fā)電難點(diǎn)眾多。但煤氣發(fā)電是一種潔凈發(fā)電方式，經(jīng)濟(jì)效益好，符合低碳環(huán)保趨勢，正備受關(guān)注。

據(jù)悉，2021年我國鋼鐵行業(yè)的粗鋼產(chǎn)量為10.33億噸，鋼廠富余煤氣約0.77標(biāo)方每小時，若采用超臨界煤氣發(fā)電技術(shù)，可裝機(jī)近31000兆瓦。相比鋼鐵冶金行業(yè)目前常用的超高壓技術(shù)，可多裝機(jī)近5000兆瓦，年新增發(fā)電量達(dá)400億度，減排二氧化碳3200萬噸。

此外，專家還表示，超臨界煤氣發(fā)電技術(shù)雖然由鋼鐵行業(yè)而生，但“破圈”服務(wù)于更多行業(yè)前景可期。

宋自新認(rèn)為，我國以煤炭為主的能源使用行業(yè)，如石油化工、煤化工等能源系統(tǒng)，也可以使用超臨界煤氣發(fā)電機(jī)組，且應(yīng)用潛力巨大。通過運(yùn)用超臨界煤氣發(fā)電技術(shù)，這些行業(yè)不燃燒標(biāo)煤，使用足量工業(yè)廢氣甚至燃用劣質(zhì)煤即可實現(xiàn)發(fā)電，并實現(xiàn)超低排放，大大降低了發(fā)電成本。

未來，超臨界煤氣發(fā)電技術(shù)無疑將是一把利劍，馳騁能源藍(lán)海，為實現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰披荊斬棘。

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