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　　正如我國其他行業(yè)的節(jié)能減排工作受制于關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備一樣，鋼鐵行業(yè)副產(chǎn)煤氣的熱功轉(zhuǎn)換利用也受制于關(guān)鍵裝備—聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)是能源、動力領(lǐng)域的高端裝備，它制約了我國多個領(lǐng)域的技術(shù)水平和發(fā)展速度。

　　而副產(chǎn)煤氣熱功轉(zhuǎn)換途徑的升級過程是伴隨著節(jié)能減排的國際大背景而發(fā)展的。

　　節(jié)能減排裝備發(fā)展路徑

　　所謂鋼鐵行業(yè)的副產(chǎn)煤氣，是指伴隨煉焦過程的副產(chǎn)物—焦?fàn)t煤氣，伴隨煉鐵過程的副產(chǎn)物—高爐煤氣，伴隨煉鋼過程的副產(chǎn)物—轉(zhuǎn)爐煤氣，這三種氣體都屬于中低熱值可燃?xì)怏w。副產(chǎn)煤氣所含的熱值，占鋼鐵廠二次能源總量的70%左右。

　　煤粉送入焦?fàn)t，變成了焦炭和焦?fàn)t煤氣。焦?fàn)t煤氣的主要成分是H2、CH4、 CO、CO2，其中大部分是H2(體積分?jǐn)?shù)50%—60%)和CH4(20%—30%)。焦?fàn)t煤氣占副產(chǎn)煤氣的25%—35%，熱值約4000大卡每立方米(kCAl/m3)。

　　焦炭或煤粉被送入高爐，通過氧化還原反應(yīng)來煉鐵，同時副產(chǎn)高爐煤氣。高爐煤氣的主要成分是CO、N2、CO2，其中大部分是CO(20%—30%)和N2(55%—60%)。高爐煤氣占副產(chǎn)煤氣的60%—65%，熱值約800大卡每立方米。

　　鐵水在轉(zhuǎn)爐中被煉成鋼，此過程副產(chǎn)轉(zhuǎn)爐煤氣。轉(zhuǎn)爐煤氣的主要成分是CO、CO2，其中大部分是CO(50%—80%)。轉(zhuǎn)爐煤氣占副產(chǎn)煤氣的5%—10%，熱值約1700大卡每立方米。

　　這三種煤氣可以單獨(dú)或按一定比例配制成熱值和成分含量不同的混合煤氣，以供熱力過程和熱功轉(zhuǎn)換過程所使用。

　　由于生產(chǎn)的時空不穩(wěn)定、不均衡，副產(chǎn)煤氣被儲存在幾千至數(shù)萬立方米的大儲氣罐里，以便于壓力穩(wěn)定、成分均衡和便于調(diào)制，然后被分配到需要的地方。

　　除了用于燒結(jié)、焦化、高爐、煉鋼、熱軋工序的加熱、保溫等用途外，副產(chǎn)煤氣主要通過熱功轉(zhuǎn)換的方式用于發(fā)電，也即要讓氣體燃料中的物理能和化學(xué)能變成電能。目前，這一過程，如果是大規(guī)模的方式，則避免不了通過熱功轉(zhuǎn)換過程來實(shí)現(xiàn)。

　　早期途徑是朗肯循環(huán)(Rankine cycle)。朗肯循環(huán)的實(shí)現(xiàn)，主要是靠工質(zhì)在系統(tǒng)中完成吸熱、膨脹、放熱、壓縮這四個過程。做功的工質(zhì)是水/水蒸汽。水經(jīng)除氧器除氧后經(jīng)給水泵升壓(絕熱壓縮)進(jìn)入鍋爐;副產(chǎn)煤氣在鍋爐中燃燒，釋放出化學(xué)能，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?1200℃—1600℃)對水進(jìn)行加熱，水在鍋爐內(nèi)完成定壓加熱/吸熱過程(經(jīng)水冷壁被加熱成飽和蒸汽，再流經(jīng)過熱器被加熱成過熱蒸汽，一般加熱到450℃—520℃);過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)進(jìn)行膨脹(絕熱膨脹)，推動汽輪機(jī)產(chǎn)生軸功，軸功帶動發(fā)電機(jī)變成電能;然后蒸汽被排進(jìn)凝汽器中進(jìn)行冷卻放出熱量凝聚成水(定壓放熱)。凝聚水再通過給水泵進(jìn)行下一輪循環(huán)。

　　朗肯循環(huán)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，技術(shù)成熟可靠，應(yīng)用廣泛，亞臨界機(jī)組效率20%-30%左右(超臨界機(jī)組則效率達(dá)35%—40%左右)。朗肯循環(huán)做功能力和效率決定于蒸汽的狀態(tài)變化，受到了限制，因?yàn)轱柡驼羝麥囟鹊倪M(jìn)一步升高是很難的。而副產(chǎn)煤氣只是用來變成高溫?zé)煔饧訜峁べ|(zhì)水/水蒸汽，其做功能力沒有被充分地利用。

　　現(xiàn)在的途徑是增加了布雷頓循環(huán)(Brayton cycle)，即朗肯循環(huán)結(jié)合布雷頓循環(huán)。布雷頓循環(huán)是簡單燃?xì)廨啓C(jī)的理想熱力循環(huán)，包括空氣在壓氣機(jī)中的壓縮、空氣和燃料燃燒室內(nèi)的等壓燃燒加熱、高溫燃?xì)庠谕钙街械呐蛎涀龉?、通向大氣的等壓排氣放熱四個過程。布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)的具體途徑是:在布雷頓循環(huán)中，空氣經(jīng)空氣過濾器后進(jìn)入壓氣機(jī)被加壓(例如被壓縮至1.1—2.5MPa)同時燃料經(jīng)凈化后進(jìn)入壓縮機(jī)被加壓(例如被壓縮至1.2—2.8MPa);加壓后的燃料和空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室內(nèi)混合燃燒，產(chǎn)生900—1500℃的高溫高壓煙氣;接著進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪中沖擊渦輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電;渦輪排出500—600℃的煙氣。此布雷頓循環(huán)排出的煙氣然后進(jìn)入朗肯循環(huán)蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)(此煙氣進(jìn)入鍋爐，加熱水，使之變成450—560℃的蒸汽，蒸汽再進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電。這樣，布雷頓循環(huán)的高溫高壓煙氣驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電與朗肯循環(huán)的蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電得到了疊加，即燃?xì)?mdash;蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

　　二次世界大戰(zhàn)以后，燃?xì)廨啓C(jī)得到快速發(fā)展，高爐煤氣燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過逐步改進(jìn)解決了高爐煤氣熱值低、燃燒穩(wěn)定性差、調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)復(fù)雜等一系列技術(shù)難題，目前150MW燃?xì)?mdash;蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可達(dá)45%左右。燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)聯(lián)合機(jī)組發(fā)電功率可以超過500MW，燃?xì)獬鯗?500℃時，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可達(dá)60%左右?？梢妰蓚€循環(huán)的有機(jī)疊加，增加了發(fā)電效率。

　　加強(qiáng)節(jié)能減排高端關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

　　在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會形勢下，有幾點(diǎn)是需要注重和強(qiáng)調(diào)的:

　　首先，明晰并抓住節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

　　從宏觀的角度來看重點(diǎn)領(lǐng)域:鋼鐵行業(yè)一直是能耗和排放大戶，能耗占全國總能耗的10%以上，CO2排放量也占全國10%以上。鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排仍是我國節(jié)能減排工作的重中之重，相關(guān)決策者和管理人員應(yīng)有清晰認(rèn)識，并從思想上高度重視。

　　從微觀的角度來看重點(diǎn)環(huán)節(jié):高爐煉鐵是鋼鐵生產(chǎn)流程能耗最大環(huán)節(jié)，高爐煉鐵能耗占到鋼鐵生產(chǎn)流程總能耗的60%以上;且該環(huán)節(jié)產(chǎn)生的高爐煤氣量占副產(chǎn)煤氣的60%以上。因此，降低噸鐵耗煤量、提高高爐煤氣利用效率成了這個最大能耗環(huán)節(jié)的最主要節(jié)能減排工作內(nèi)容。

　　其次，副產(chǎn)煤氣的熱功轉(zhuǎn)換利用仍然是我國鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的主要途徑之一。

　　副產(chǎn)煤氣中量最大的是高爐煤氣(占副產(chǎn)煤氣的60%以上)，是一種低熱值可燃?xì)怏w，相對于焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，品位偏低。高爐煤氣的充分利用，是鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的重要內(nèi)容。根據(jù)科學(xué)用能原理，相比于用于加熱和余熱鍋爐過程，借助于聯(lián)合循環(huán)過程，更可以把低品位的高爐煤氣進(jìn)行“高品位”的利用，這樣，高爐煤氣(混配少量焦?fàn)t煤氣)通過燃?xì)廨啓C(jī)熱功轉(zhuǎn)換過程把自身化學(xué)能的一部分變成高品位的電能之后，再變成煙氣去進(jìn)行加熱等后續(xù)過程，得到了更為充分的利用。當(dāng)前，副產(chǎn)煤氣先進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換利用、再進(jìn)行其他過程利用仍然是鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的主要現(xiàn)實(shí)途徑。

　　再次，把節(jié)能減排工作和供給側(cè)改革結(jié)合起來。

　　當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)既要達(dá)到保持持續(xù)增長的要求，又要面臨產(chǎn)能過剩的沉重壓力。供給側(cè)改革是從提高供給質(zhì)量出發(fā)，推進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整，擴(kuò)大有效供給，提高供給結(jié)構(gòu)對需求變化的適應(yīng)性和靈活性。舉例來說，鋼鐵企業(yè)的副產(chǎn)煤氣，當(dāng)副產(chǎn)煤氣供給自備電廠通過熱功轉(zhuǎn)換發(fā)電還有富余時，把富余的副產(chǎn)煤氣(主要是其中的焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣)制成醇、醚、烴類等液態(tài)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品既儲存了副產(chǎn)煤氣化學(xué)能的同時，又方便儲存、運(yùn)輸、銷售，是良好的液態(tài)燃料產(chǎn)品。

　　最后，應(yīng)重視和加強(qiáng)研發(fā)副產(chǎn)煤氣熱功轉(zhuǎn)換利用的關(guān)鍵設(shè)備燃?xì)廨啓C(jī)。

　　我國現(xiàn)在使用的副產(chǎn)煤氣燃?xì)廨啓C(jī)都來自于美國、日本、德國等技術(shù)發(fā)達(dá)國家。全球化競爭進(jìn)一步加劇，技術(shù)壁壘高筑，幾十年過去，放開市場并沒有換來核心技術(shù)。在可持續(xù)發(fā)展競爭中，我國必須獨(dú)立自主地研發(fā)適用于鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排高端關(guān)鍵技術(shù)和裝備。目前，國家“兩機(jī)專項(xiàng)”研發(fā)規(guī)劃里面就包含了重點(diǎn)裝備燃?xì)廨啓C(jī)，各相關(guān)行業(yè)單位、科研院所應(yīng)當(dāng)抓住這一歷史機(jī)遇，加緊研發(fā)副產(chǎn)煤氣熱功轉(zhuǎn)換利用的關(guān)鍵設(shè)備燃?xì)廨啓C(jī)。

　　(作者單位:中國科學(xué)院工程熱物理研究所)