引言

天然氣、沼氣、垃圾填埋氣和煤礦瓦斯是常見的能夠應(yīng)用于燃氣內(nèi)燃機的氣體。除此之外，有一些工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的廢氣含有可燃成分，例如氫氣和一氧化碳等，礦熱爐尾氣就是其中一種能進入燃氣內(nèi)燃機發(fā)電的工業(yè)廢氣。這種廢氣雖然雜質(zhì)多、熱值低，但是經(jīng)過凈化處理以后可以進入燃氣內(nèi)燃機發(fā)電，從而實現(xiàn)變廢為寶、節(jié)能減排，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

1 礦熱爐尾氣的來源

礦熱爐又稱電弧電爐或電阻電爐。它主要用于還原冶煉礦石，碳質(zhì)還原劑及溶劑等原料，主要生產(chǎn)硅鐵，錳鐵，鉻鐵、鎢鐵、硅錳合金等鐵合金。礦熱爐主要分為半密閉和密閉爐兩種類型，其中密閉爐產(chǎn)生的尾氣含有的可燃成分較多，能夠用于燃氣內(nèi)燃機發(fā)電。

圖1 某礦熱爐尾氣產(chǎn)生及利用流程

在礦熱爐生產(chǎn)鐵合金的過程中產(chǎn)生的尾氣(Furnace off gas，簡稱FOF)主要成分為CO，以及少量的 H2、 CO2等。其中一氧化碳(CO)氣體是由于還原劑中存在碳而形成的，如果還原劑中含有揮發(fā)性碳氫化合物，則會形成氫氣(H2)。過去，礦熱爐尾氣通常是直接燃燒后排放，而現(xiàn)在則可以通過高效的燃氣內(nèi)燃機發(fā)電，同時利用高溫?zé)煔獾臒崮埽鼓茉吹玫礁咝С浞值睦谩?/p>

2 礦熱爐尾氣的燃燒特性和利用難點

FOF的熱值通常只有天然氣熱值的1/3左右，也就是說相比于同級輸出功率的天然氣機型，F(xiàn)OF發(fā)電機組的進氣量需要增大3倍以上。FOF的抗爆性與天然氣也有顯著區(qū)別，其甲烷指數(shù)(Methane Number，簡稱MN)只有天然氣的大約60%左右，這意味著這種氣體在內(nèi)燃機氣缸里面更容易發(fā)生爆震。所以，燃氣發(fā)電機組需要通過傳感器監(jiān)測爆震的發(fā)生以調(diào)整機組的運行狀態(tài)。另一方面，F(xiàn)OF燃燒時的層流火焰速度(Laminar Flame Speed，簡稱LFS)卻比天然氣快許多，這和氣體里面氫氣的含量比例有關(guān)。層流火焰速度是在層流前沿發(fā)生氧化反應(yīng)的速度， 即未燃燒的混合氣與火焰前沿之間的相對速度。根據(jù)麻省理工學(xué)院的研究資料，在當量比(Equivalence Ratio)為2時，5% H2和95% CO組成的混合氣的LFS約為50cm/s，而 50% H2和50% CO組成的混合氣的LFS可到160cm/s。鑒于FOF特殊的燃燒特性，燃氣內(nèi)燃機的進氣系統(tǒng)和控制參數(shù)都需要特殊設(shè)計以適應(yīng)其特性，同時還必須滿足NOx的排放要求。

顏巴赫先進的 DIA.NE XT4系統(tǒng)在氣體質(zhì)量波動時自動調(diào)整設(shè)置，因此能夠適應(yīng)復(fù)雜的運行情況。同時，顏巴赫的LEANOX稀薄燃燒控制技術(shù)能夠?qū)崟r控制氮氧化物NOx的排放，確保始終滿足嚴苛的環(huán)保要求，使機組排氣出口NOx達到250-500mg/Nm3(@5% O2)，并且無需SCR等復(fù)雜的尾氣后處理裝置。最新的顏巴赫資產(chǎn)管理系統(tǒng)myPlant則能實時監(jiān)測、控制和預(yù)測機組的運行狀態(tài)，并能提供前瞻性的維護保養(yǎng)建議。

圖2 H2和CO混合氣的層流火焰速度(來源：MIT)

3 燃氣內(nèi)燃機對氣體的雜質(zhì)含量要求

尾氣的成分和氣量與爐子的運行參數(shù)有關(guān)，并受到原料質(zhì)量、爐子控制和運行狀態(tài)等因素的影響，所以通常會連續(xù)變化。采用氣柜來減少氣體熱值和壓力的波動，對于燃氣內(nèi)燃機發(fā)電非常重要。在爐子供氣中斷時，氣柜還可以起到緩沖的作用。

進入內(nèi)燃機前的FOF需要進行預(yù)處理，以滿足氣體質(zhì)量要求。通常需要去除粉塵，以及多余的水分，還有焦油、硫及其他有害雜質(zhì)等。硫、氨等成分的含量要求與燃氣的熱值相關(guān)，須根據(jù)實際熱值確定上限值。下表是顏巴赫燃氣內(nèi)燃機對氣體的一般質(zhì)量要求。

4 礦熱爐尾氣發(fā)電典型案例

1) 南非鈦鐵礦冶煉廠礦熱爐尾氣發(fā)電項目

南非最大的一家鈦鐵礦冶煉工廠于2012年采用了8臺顏巴赫J620燃氣發(fā)電機組，每臺功率1,698 kW，總?cè)萘?3.6 MW。所發(fā)出的電力并入公司11 kV內(nèi)網(wǎng)，用于滿足工廠部分電能需求。

工廠內(nèi)有兩個封閉的直流電弧爐，產(chǎn)生尾氣主要成分為73% CO, 14.5% H2，以及少量CO2等。據(jù)測算，該項目平均每年大約可以減少84,432 噸二氧化碳排放，是聯(lián)合國清潔發(fā)展機制CDM注冊項目。

2) 挪威錳鐵合金礦熱爐尾氣發(fā)電項目

北歐最大的錳鐵合金生產(chǎn)商采用了1臺顏巴赫J620燃氣發(fā)電機組用于礦熱爐尾氣發(fā)電 ，輸出功率 1.5MW。尾氣的主要成分為65% CO, 5% H2, 8% CO2等，低位熱值(LHV)大約2.8 kWh/Nm3。項目于2020年調(diào)試完成并投入商業(yè)運行。

通過回收礦熱爐尾氣用于熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CHP)，減少工廠對來自電網(wǎng)的電力需求，節(jié)省了電能成本，而系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈩t用于冶煉前對礦石進行干燥。該工廠的目標是通過CHP的使用將工廠的能源效率提升40%。同時，該項目也因其在環(huán)境保護和節(jié)能減排方面的突出貢獻，獲得了挪威政府的大力支持。

5 國內(nèi)的應(yīng)用前景

礦熱爐尾氣的發(fā)電應(yīng)用充分利用了廢氣，將其轉(zhuǎn)化為電能和熱能，是冶煉行業(yè)節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟的榜樣。通過對廢氣的利用變廢為寶，在改善環(huán)保排放的同時創(chuàng)造新的價值，節(jié)約了企業(yè)的運營成本。顏巴赫在該領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗，其發(fā)電機組產(chǎn)品單機功率大，發(fā)電效率高，調(diào)試周期短，可靠性好，能夠有效幫助用戶獲得可觀的收益和顯著的碳減排效果。在我國“雙碳”戰(zhàn)略目標的大背景下，隨著對冶金行業(yè)環(huán)保要求的不斷提高，礦熱爐尾氣的高效利用將擁有廣闊的發(fā)展前景。