一三五专栏
国家973计划课题
所长基金
规划实施动态
科技布局与战略重点
创新2020发展规划总体战略
科研机构
国家能源风电叶片研发(实验)中心
能源动力研究中心
燃气轮机实验室
循环流化床实验室
分布式供能与可再生能源实验室
储能研发中心
传热传质研究中心
 
您当前所在位置:首页>活动专题>一三五专栏>国家973计划课题
国家973计划课题“钢铁生产过程的能源高效配置与余能梯级利用”简介(上)
发稿时间:2014-07-17         作者:余超 袁怡祥 谭春青          来源:燃气轮机实验室     【字号:

  本课题的设置着眼于综合利用钢铁企业剩余蒸汽和中低热值伴生气(特别是低热值高炉煤气),并提高其利用效率。课题(执行期为2012-2016)目前进展正常,前两年的任务已经完成并顺利通过中期检查。截止项目中期检查,本课题团队(包含合作单位北京科技大学)已申请发明专利6项;发表学术论文24篇,其中SCI检索12篇;培养研究生8名;引进博士后2名;2位教师晋升为副教授/副研究员,为后三年的研究工作奠定了基础。 

  一、研究背景和研究内容 

  一直以来,钢铁生产企业是能耗大户。据中国钢铁工业协会统计,2010年我国产钢6.27亿吨,占世界钢产量44.3%以上,钢材消费量占世界总量35%,已成为名副其实的“钢铁大国”。我国钢铁工业能耗占全国总能耗12%CO2排放量占全国15%,能耗比国际先进水平高约11%左右,能耗排放地位“举足轻重”,节能减排潜力巨大。节能减排是我国的基本国策,是实现可持续发展的重大战略。因此,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020)》明确指出,“要重点研究开发冶金、化工、建材等流程工业和交通运输业等主要高耗能领域的节能技术与装备”。 

  我国钢铁生产企业中,仍存在数量可观的难于回收或没有充分利用的余能资源,未实现品位对口梯级利用,如下图1所示的各种炉窑尾气、高炉和转炉煤气(低热值可燃伴生气)、应急放散气及如图2所示的大量中低压蒸汽(低品位载能介质)等等。其中,炼铁工序能耗占钢铁企业总能耗的60%以上,产生大量的低热值燃气,需要提高利用效率并进一步优化;同时,蒸汽降级使用是蒸汽利用过程中最为严重的问题,这些方面都有很大的节能潜力。探索余能资源利用方法、方式和途径,不仅是余能回收和利用技术创新前沿,也是钢铁行业节能减排的迫切需求。 

 

  1  钢铁企业余能资源 

 

    2 某钢铁企业蒸汽利用平衡图 

  近年来,国内外学者开展了系统集成理论、联合循环方法、流动损失与控制理论、低热值燃烧机理等方面的相关研究,其中的一些方面值得进一步细化和深入。 

  本课题研究内容主要包括: 

  1)低热值伴生气成分、浓度等对洁净稳定燃烧的影响;贫熄过程和机理;开发洁净稳燃方法; 

  2)钢铁生产过程伴生气在压缩系统内部流动分离控制与流场组织方法; 

  3)钢铁生产过程的能量转化与优化配置方法;蒸汽、伴生气回收系统与联合循环发电系统集成研究。 

  二、关于低热值副产煤气的低排放稳定燃烧方面的主要研究内容 

  1.燃气轮机燃烧室内伴生气燃烧过程exergy损失 

  由于燃气轮机燃烧室工作条件的复杂性(开口系统、发生化学反应等),使用热效率对燃烧室进行评价有一定的局限性。从热力学第二定律exergy分析方法出发,以低热值伴生气在燃气轮机燃烧室中燃烧为分析对象,从exergy不守恒的关系上考查不同进出口温度、不同热值、不同成分的低热值燃料在燃烧室中燃烧时的exergy损失。研究人员发现:燃烧室exergy效率随燃烧室进口空气温度的变化存在一个极值,此极值点对应的温度决定于伴生气的成分。对主要成分为氮气、一氧化碳、氢气、二氧化碳的低热值伴生气的计算表明:随燃烧室进口燃气成分中一氧化碳比例的升高,exergy损失减小;保持燃料中COH2体积比例不变,随着N2占比上升,燃烧exergy损失增大,但在随后出现极值点,如图3所示。 

 

  3  CON2含量对exergy效率的影响 

  依据燃料特性进行的exergy效率分析有助于燃料所含能量的有序释放,伴生气特性对燃烧exergy效率影响方面的工作为合理匹配燃烧室燃料用气提供了设计参考。 

  2.成分和浓度等因素对伴生气燃烧特性的影响 

  低热值燃气的主要成分是CO时洁净稳燃方面会面临更大的困难。以高炉煤气为例,传统高炉煤气主要成分是CON2N255-61%),可燃成分主要是COCO20-36%),还含有CO2以及少量CH4等气体成分。随着高炉技术的进步,现代的炼铁生产普遍采用大容积、高风温、高冶炼强度、高喷煤粉量的生产工艺,这些先进的生产工艺使得高炉煤气的热值从原先的1200kcal/ Nm3降低到800kcal/Nm3左右。这类燃气不仅热值极低、火焰传播速度低,而且因为可燃成分主要是CO,使得其点火和稳燃极为困难,同时稳定性的问题也导致燃烧效率和污染物排放问题。对此类气体的洁净稳燃问题需要采取有针对性的措施和解决方案。 

  针对单一CO燃料的燃烧特性研究较为少见,以CO为主要可燃成分的混合燃料的熄火极限数据几乎没有。为此开展了旋流数、旋流器结构对以CO为主要成分(同时不含H2)的低热值燃气预混燃烧熄火特性的实验研究,在实验参数范围内,可得以下几点:1)热值越低的燃料熄火时对应的旋流数越小;2N2对低热值燃料预混燃烧的负面作用比CO2严重,这与部分文献资料的结论有明显不同,值得进一步研究;3)燃气中只有CO和惰性气体时,贫熄性能很差,此时如果加入百分之一甚至几百分之一的甲烷其贫熄性能能大幅提升;4)贫熄前一刻,不同的燃烧室结构有不同的火焰抖动特点;5)另外,通过实验得到能稳燃1165-1261kcal/Nm3且以CO为主要可燃成分同时不含H2的低热值燃气的旋流器结构和相关参数,这为低热值(800-1200kcal/Nm3)燃机燃烧室头部旋流结构的设计提供了参考依据。 

 

  a)甲烷燃烧火焰   b)模拟高炉煤气燃烧火焰 

  甲烷燃烧火焰和模拟高炉煤气燃烧火焰的对比 

  同时,为利用剩余蒸汽,在平口烧嘴上进行了水蒸汽对伴生气预混燃烧特性影响的实验,发现:(1)与CO2相比,N2能更大程度的减小火焰稳定范围;(2)向CO为主要成分的燃料中添加少量CH4的效果与向CH4为主要成分的燃料中添加少量CO的效果大不一样;(3CH4CO混合燃料中CH4比例大于10%时,向混合燃料加入CO2H2ON2均能减小火焰传播速度,其减小程度顺序为:CO2>H2O>N2;(4)添加H2O能够降低CH4预混火焰的稳定性,而在一定比例范围内能够提高CO预混火焰的稳定性。水蒸汽含量为5-10%附近出现极小值点,如图5所示。 

 

  图5  H2O添加比例对CO吹熄特性影响 

  3.洁净稳燃方法开发 

  研究人员改建了低热值燃料燃烧实验台,针对CO为主要成分,同时含有大量惰性气体、不含氢气(或极微量含氢成分)、且目标热值在800~1200 kcal/m3的低热值燃气,用开发的洁净稳燃装置A和稳燃装置B进行实验。 

 

  A                                 B  

  稳燃装置 

  设计的稳燃装置AB如图6所示。把装置A和带主燃孔和掺混孔的火焰筒相结合,构成低热值伴生气燃烧室模型,发现:当空气流量不足或者燃烧室结构设计不合理时,中心下游的回流区形成不完整、不饱满或者形成有困难。合适的、良好的回流区域的形成对于低热值伴生气的稳燃和减排有重要的作用,因此低热值伴生气燃烧室结构方面的优化设计很重要。对甲烷、一氧化碳单种气体,对甲烷和一氧化碳混配、甲烷和氮气混配、甲烷和一氧化碳和氮气混配的点火、熄火、燃烧特性的初步实验。考察了点火器的位置、火焰筒开孔位置和面积对点火、熄火特性的影响。试验表明:(1)一氧化碳本身难以点火和稳定燃烧,但只要加入很少的甲烷,其点火性能和稳定燃烧性能将显著改善;(2)以CO为主要成分的低热值燃气容易产生燃烧振荡;(3)以CO为主要成分的低热值燃气燃烧时,熄火时余气系数小,说明贫熄性能不好。 

  为提高贫熄性能,设计了装置B。实验结果如图7所示,随着进气流量的逐渐增大,余气系数开始减小,然后缓慢减小,至燃烧室参考速度大于一定值后(约为5m/s),余气系数趋于稳定,表明装置B对于CO为主的燃料有较好的贫熄性能。 

 

  图7  燃烧室结构对贫熄特性的影响 

  进行了多组分燃料混配燃烧试验,如表1所示,实验45热值分别为864 kcal/m31052 kcal/m3的燃料在装置B内实现了稳定燃烧。 

 

  此方面的研究工作为以CO为主要成分的低热值燃料燃烧室的设计提供了参考。 

  如果CO为主要成分的低热值燃料可以稳定燃烧,则意味着燃气轮机发电系统不需要掺混高附加值的焦炉煤气,焦炉煤气中的氢气可以被提取出去做高附加值加工,这有利于实现整个钢铁企业能源的高效、科学配置,给钢铁厂带来显著的综合效益。 

 
评论
相关文章