超超临界煤气锅炉发电技术研究_许杨杨.pdf

收稿日期：基金项目：四川省科技厅资助项目（）作者简介：许杨杨（），工程师；通讯作者：尹朝强，高级工程师；超超临界煤气锅炉发电技术研究许杨杨，尹朝强，刘宇钢，易泽中，熊 鹏，黎懋亮，（.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室）摘 要 文章阐述了煤气锅炉发电技术发展进程，对最新一代超超临界煤气锅炉发电技术在热力特性、机组热效率、发电煤气耗、碳排放、机组经济性等方面进行了全方位分析，针对其在水动力安全、高温氧化、锅炉排烟温度方面的技术难点提出了应对措施，有效提升了钢铁企业煤气资源化利用效率，可助力低碳清洁转型。关键词 煤气发电 煤气锅炉 超超临界 超高温亚临界文献标识码：文章编号：（），（.，.），“双碳”背景下，通过技术创新提高资源综合利用率，有助于钢铁行业绿色低碳发展和转型升级。钢铁冶炼生产过程中产生了大量副产煤气，主要包括高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气，副产煤气约占钢铁企业能源总量的，是钢铁企业重要的二次能源，可燃副产煤气的有效利用是钢铁行业节能减排的重要措施。近年来，随着国家节能减排政策的要求和煤气利用技术的发展，钢铁行业副产煤气的回收利用率不断提高。根据中国钢铁工业协会统计，其会员单位 家钢铁生产企业 年副产煤气总量：高炉煤气产生量 .亿，高炉煤气利用率.；转炉煤气产生量.亿，转炉煤气利用率.；焦炉煤气产生量.亿，焦炉煤气利用率.。高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气已基本实现“零放散”，将逐渐从提高利用率向着更加高效利用的方向转变。经过处理后的高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气是优质、高效、清洁的燃料，一般优先作为钢.冶 金 能 源 铁生产工序各类加热炉窑的燃料，富余的煤气可用于发电，煤气发电是合理利用副产煤气的有效途径之一。目前国内外煤气发电技术主要有两种：煤气锅炉发电技术和燃气蒸汽联合循环发电技术（即）。对两种发电机组的经济性进行分析，煤气锅炉发电机组在初投资、系统维护、燃烧适应性、负荷调节性等方面比 发电机组更有优势。近年来，煤气锅炉发电技术发展迅速，有效提升了钢铁企业自发电比例，节能增效，得到了广泛应用。煤气锅炉发电技术发展阶段根据锅炉的蒸汽参数，煤气锅炉发电技术的发展可分为多个阶段。表 给出了煤气锅炉发电技术各发展阶段的锅炉蒸汽参数、机组发电效率和典型机组规模。年以前，国内煤气锅炉发电机组多以中温中压、高温高压、高温超高压和超高温超高压等中、低参数的小容量机组为主。年以后，第四代超高温亚临界煤气发电技术得到迅速发展，机组发电效率在 ，锅炉机组规模也逐渐提高。随着钢铁行业绿色低碳发展的推进，对煤气发电提出了更高效的要求，借鉴煤粉锅炉技术的发展方向，更高参数的超超临界煤气锅炉发电技术应运而生。第五代超超临界煤气锅炉发电技术，煤气锅炉主蒸汽压力.，主蒸汽温度 ，再热蒸汽温度，为目前煤气锅炉发电技术的最高参数，机组发电效率进一步提升至 。目前，第五代超超临界煤气发电已经处于商业运行阶段，国内首批超超临界煤气锅炉发电机组已有项目陆续投运。随着第五代超超临界煤气锅炉发电技术的发展，在不久的将来，或将出现以超超临界二次再热参数为标志的第六代煤气锅炉发电技术。超超临界煤气锅炉发电技术.超超临界煤气锅炉热力特性高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气的产生量受限于钢铁企业的产能，煤气锅炉发电机组通常为小容量等级。超超临界参数在 煤粉锅炉上是成熟技术，但在小容量 煤气锅炉上尚未应用。典型小容量与超高温亚临界煤气锅炉与超超临界煤气锅炉蒸汽参数对比见表。相比于第四代超高温亚临界技术，第五代超超临界技术锅炉主蒸汽和再热蒸汽流量减少，过热蒸汽出口压力、过热蒸汽出口温度、再热蒸汽表 煤气锅炉发电技术发展阶段项目第一代中温中压第二代高温高压第三代高温超高压超高温超高压第四代超高温亚临界第五代超超临界过热蒸汽压力.过热蒸汽温度 再热蒸汽温度 无无机组发电效率 锅炉机组规模 表 典型小容量煤气锅炉蒸汽参数项目单位超高温亚临界超超临界机组额定功率主蒸汽流量 过热蒸汽出口压力（）.过热蒸汽出口温度再热蒸汽流量.再热蒸汽入口压力（）.再热蒸汽出口压力（）.再热蒸汽入口温度再热蒸汽出口温度给水温度冶 金 能 源 .出口温度和给水温度均有一定提升。锅炉参数的变化影响了锅炉各级受热面的吸热。以 煤气锅炉为例，其超超临界参数和超高温亚临界参数下的总吸热量、蒸发吸热量、过热汽吸热量和再热汽吸热量的对比如表 所示。超超临界参数锅炉与超高温亚临界参数锅炉相比，随着参数的提高，锅炉总吸热量减少了，锅炉蒸发吸热量减小，过热汽吸热量和再热汽吸热量增加。表 煤气锅炉吸热量及比例锅炉类型总吸热量数量（）比例 蒸发吸热量数量（）比例 过热汽吸热量数量（）比例 再热汽吸热量数量（）比例 超超临界.超高温亚临界.对于超高温亚临界参数锅炉，蒸发吸热占锅炉总吸热比例约，参数提升为超超临界后，蒸发吸热比例约，减少了 个百分点；过热汽吸热占锅炉总吸热比例约，参数提升为超超临界后，过热汽吸热比例约，增加了 个百分点；再热汽吸热占锅炉总吸热比例约，参数提升为超超临界后，再热汽吸热比例约，增加了 个百分点。蒸发吸热、过热汽吸热、再热汽吸热比例的变化，使得超超临界锅炉在炉膛布置、受热面布置、受热面积、材料等级和规格选取等方面与超高温亚临界锅炉有所不同，需进行充分考虑以保证汽温。.超超临界煤气锅炉发电机组经济性根据计算，超超临界煤气锅炉发电机组热效率约.，相比同容量的超高温亚临界机组提升了.个百分点，按高炉煤气低位热值 考虑，单台 锅炉机组纯燃高炉煤气工况的单位发电煤气耗量为.，折合标煤耗.，相比同容量的超高温亚临界机组减少.，两机组的经济性对比见表。单台 超超临界煤气锅炉发电机组每年可减排 .，表 煤气锅炉机组经济性对比项目单位超高温亚临界超超临界机组额定功率发电机组热效率.发电煤气耗量.折算发电标煤耗量.注：发电煤气耗量按纯燃高炉煤气工况计算，高炉煤气低位热值按 考虑。节能减排效益显著。.超超临界煤气锅炉技术难点及措施（）小容量超超临界煤气锅炉水动力安全亚临界及以下压力的自然循环锅炉，水冷壁内工质温度是相应压力下的饱和温度，在压力不变时，水冷壁工质温度不变。自然循环锅炉水冷壁各回路具备工质流量随热负荷分布正响应的自补偿特性，通过合理回路设计，以及在高热负荷区采用内螺纹管，来确保亚临界煤气锅炉水循环安全。对于超超临界直流锅炉，随着水冷壁回路的热负荷增加，管内工质温度升高。超超临界煤气锅炉的水冷壁热负荷偏差将带来管内工质温度偏差，进而造成金属温度偏差。尤其对小容量超超临界煤气锅炉，总体工质流量小，合理的水冷壁质量流速选取及水动力核算至关重要。通过螺旋角度变化调整管子数量可以控制质量流速，使吸热更加均匀，同时螺旋管圈水冷壁出口进行工质混合，能进一步减小偏差。此外，合理选取水冷壁管及扁钢的规格、材质，是水冷壁安全运行的重要保障。亚临界压力煤气锅炉水冷壁材质采用碳钢可满足要求，超超临界压力煤气锅炉水冷壁材质升级为合金钢，下部水 冷 壁 采 用，上 部 水 冷 壁 采 用，扁钢材质也相应升级。另外，适当增加水冷壁区域温度测点，在锅炉运行中，注意监测水冷壁的壁温情况。（）受热面高温氧化当金属工作温度 时，铁的氧化速率大大增加，超临界、超超临界煤气锅炉的蒸汽温度，所以超临界、超超临界煤气锅炉不.冶 金 能 源 可避免出现氧化皮。氧化皮的产生主要与温度水平和材料有关，与锅炉炉型没有关系。控制高温氧化皮主要从抑制氧化皮生成和减少氧化皮剥落两个方面考虑。超超临界煤气锅炉可通过提高高温级受热面材质等级、使用抗氧化能力强的材料，抑制氧化皮的生成。是提高金属材料抗氧化性能的关键元素，元素含量越高，材料的抗氧化性能越好。超超临界煤气锅炉高温级受热面可采用、等 型奥氏体耐热钢。此外，对管内壁进行喷丸处理，可大大提高奥氏体耐热钢管的抗氧化性能。多个 等级超临界、超超临界煤粉锅炉项目实例表明，经内壁喷丸的 型奥氏体耐热钢 、等材料，长期运行均无氧化皮生成和脱落问题。在小容量超超临界煤气锅炉高温级受热面用材上可以借鉴超临界、超超临界煤粉锅炉的成熟经验。控制锅炉机组的局部或整体超温运行是防止氧化皮快速形成的有效措施。在锅炉运行时，加强受热面的壁温监控，控制在管材允许使用温度范围内，加强壁温偏差的监控和调整，防止受热面局部位置长期超温运行。在防止氧化皮大量剥落的措施上，尽量抑制受热面温度周期性波动，降低温度变化速率，特别是停炉时控制降温速率，能有效减缓氧化皮剥落。（）锅炉排烟温度纯燃高炉煤气时，超高温亚临界煤气锅炉空气预热器后排烟温度一般在 。相比于同容量等级的超高温亚临界煤气锅炉，超超临界煤气锅炉给水温度提高约 ，省煤器出口烟温即空气预热器入口烟温升高约，使得空气预热器出口排烟温度升高约。排烟温度升高，将影响锅炉效率。降低锅炉排烟温度的方法一般分为两种：增加省煤器面积，提高空气预热器换热能力。省煤器受热面过大，可能造成省煤器出口工质欠焓不足甚至汽化，导致汽塞，影响锅炉安全运行。提高煤气锅炉通常采用的管式空气预热器的换热能力主要有两种措施，一是增加空气预热器换热面积，由于热端传热温差较小，需大量增加空气预热器面积，经济性差，且尾部受热面的空间有限，不便于布置；二是提高管子传热系数，螺旋槽管的换热系数是光管的约.倍，空气预热器采用螺旋槽管，在相同的换热面积下，能够有效降低排烟温度。与超高温亚临界煤气锅炉类似，超超临界煤气锅炉在空气预热器后，也可增设煤气烟气换热装置或低温省煤器等，进行烟气余热回收利用，进一步提高机组效率。结语超超临界煤气发电作为新一代煤气发电技术，锅炉蒸汽参数进一步提升，主蒸汽压力.，主蒸汽温度 ，再热蒸汽温度。等级超超临界煤气锅炉发电机组热效率约.，相比同容量的超高温亚临界机组，热效率可提升.个百分点，折算减少煤耗.，每年可减排 .，具有显著的节能减排效益。超超临界煤气锅炉发电技术的应用，能进一步推进钢铁企业实现低碳清洁转型，提高煤气资源化利用效率。在超超临界煤气锅炉设计中，随着蒸汽参数的提升，需要着重考虑小容量超超临界锅炉水动力安全、受热面高温氧化、空气预热器出口排烟温度高的技术难点，通过优化水冷壁结构、提高水冷壁和受热面材质等级、提高空气预热器换热能力、烟气余热回收利用等措施，可保证超超临界煤气锅炉安全、可靠、高效运行。参考文献 李京社，郭皓.钢厂煤气资源化利用技术进展 冶金经济与管理，（）：.戴晓天，陈乾业，齐渊洪，等.高炉煤气精脱硫技术的半工业试验 钢铁，（）：.中国钢铁工业协会，年 月会员企业环保情况，：.马光宇，李卫东，张天赋，等.高炉煤气锅炉与 的发电经济性比较 冶金能源，（）：.王毅，李斌，杜文亚，等.亚临界超高温煤气发电技术应用和研究 冶金动力，（）：.赵 艳编辑冶 金 能 源 .