打破鋼鐵行業綠色發展瓶頸 讓煤氣歸宿從“點天燈”變“開電燈”
本報記者 吳純新 通 訊 員 馬 嵐 舒 俊
2021年我國鋼鐵行業的粗鋼產量為10.33億噸，鋼廠富余煤氣約0.77標方每小時，若采用超臨界煤氣發電技術，可裝機近31000兆瓦。相比鋼鐵冶金行業目前常用的超高壓技術，可多裝機近5000兆瓦，年新增發電量達400億度，減排二氧化碳3200萬噸。
近日，全球首套超臨界煤氣發電機組在廣西投產運行。該機組由中冶南方都市環保工程技術股份有限公司(以下簡稱中冶南方都市環保)自主研發，發電效率達43.5%，年發電量10.6億度，產生直接經濟效益5億多元，一年可減少二氧化碳排放85.4萬噸。
我國煤氣發電技術從中溫中壓、高溫高壓、高溫超高壓發展到亞臨界、超臨界，不斷鞏固我國在國際煤氣利用領域的話語權，增加了全球降碳減排實踐的中國自信。目前，我國多項煤氣發電創新技術已推廣至印尼、馬來西亞等多個國家。
變廢為寶 將煤氣發電效率從25%提升至43.5%
我國鋼鐵產能居世界第一，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生1千克左右的煤氣，煤氣熱值大約800大卡，只有劣質煤的三分之一、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煤氣鍋爐發電外，大部分都以“點天燈”方式燃燒排放處理，不僅造成了大量能源浪費，而且嚴重污染環境。
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電。煤氣發電也是鋼鐵企業實現節能、減排、增效的“法寶”，而煤氣發電效率是衡量其“法力”大小的關鍵。
以往將煤氣用于小容量低參數的煤氣鍋爐發電，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聯合循環發電技術，則長期受國外壟斷，設備價格昂貴，運行費用高，且對用于發電的煤氣品質要求高，在我國難以大范圍推廣應用。
“出生”于武漢鋼鐵設計研究院的中冶南方都市環保深知鋼企的這一痛點，多年來致力于研發低熱值高爐煤氣發電技術，欲將“點天燈”方式燃燒排放的煤氣用于發電。
“發電效率提升難在技術系統研發、參數設計和設備集成控制，每前進一小步，都會帶來效益大幅提升。”中冶南方都市環保總工程師宋自新介紹，公司逐步進行技術升級，近20年，將發1度電的煤氣消耗量，從4.3立方米減少至2.5立方米，每發出1度電，就意味著節省200克標準燃煤。
宋自新說，煤氣發電技術從中溫中壓、高溫高壓、高溫超高壓，發展到亞臨界、超臨界。
歷經5代產品，中冶南方都市環保將煤氣發電的發電效率從25%提升至43.5%。而每個1%的背后，都是一次技術新突破，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)機組為例，燃用相同燃料，采用亞臨界技術的機組年度發電量較上一代技術可增加約8000萬度，年新增經濟效益約4000萬元。
曾經讓鋼鐵企業無計可施的富余煤氣，在技術創新中成了掙錢的“香餑餑”。
精益求精 我國成冶金行業煤氣發電技術領跑者
高溫超高壓煤氣發電技術在我國推廣6年后，2019年1月，亞臨界技術迎頭而上，今年，我國更是誕生了超臨界煤氣發電技術。超臨界煤氣發電，是指低熱值的煤氣在燃氣鍋爐中燃燒，產生的主蒸汽參數達到超臨界狀態，即蒸汽壓力25.4兆帕(MPa)，溫度605℃，隨即被送入汽輪發電機組進行發電。“超臨界煤氣發電技術的創新顛覆了傳統理念，突破了高參數、大容量、高效率的‘定論’，實現了高參數、小容量、高效率的科學實踐。”宋自新說，優質燃料轉化率高，但運用超臨界煤氣發電技術，低質燃料也可以實現高轉化率。
目前，中冶南方都市環保自主研發的全球首套超臨界煤氣發電機組已在廣西盛隆冶金運行。該設施刷新了煤氣發電機組運行壓力、溫度和發電效率的多項世界紀錄，這也意味著我國成為世界冶金行業低熱值煤氣發電技術的領跑者，強力支撐起鋼鐵冶金企業的低碳轉型。目前，首套超臨界煤氣發電機組為145兆瓦，發電效率可達43.5%，年發電量10.6億度。
“這項技術將極大提升鋼鐵企業減碳降污能力，向低碳冶煉邁出了一大步。”中國金屬學會副秘書長高懷認為，煤氣高效利用一直是鋼鐵工業低碳轉型的核心技術，超臨界煤氣發電耗能更少、效益更高。
據介紹，超臨界煤氣發電機組作為第五代煤氣發電機組，蒸汽參數和發電效率的大幅提升，也帶來了更高的安全性要求。為此，新機組開發運用了“全廠APS一鍵啟停”“煤氣鍋爐自動燃燒”等智慧化技術，可實現機組啟停階段的“一鍵式操作”和燃燒自動控制，提升運行智能化和安全性。
據了解，中冶南方都市環保在全國煤氣發電領域市場份額超過70%，近年來，該公司承建的煤氣發電總裝機容量相當于一個三峽工程，年發電量達1300億度，減少二氧化碳排放超1億噸。
開創新局 除鋼鐵行業外還可服務于更多行業
業內專家表示，煤氣熱值低、壓力不穩定，相較于燃煤發電，煤氣高效發電難點眾多。但煤氣發電是一種潔凈發電方式，經濟效益好，符合低碳環保趨勢，正備受關注。
據悉，2021年我國鋼鐵行業的粗鋼產量為10.33億噸，鋼廠富余煤氣約0.77標方每小時，若采用超臨界煤氣發電技術，可裝機近31000兆瓦。相比鋼鐵冶金行業目前常用的超高壓技術，可多裝機近5000兆瓦，年新增發電量達400億度，減排二氧化碳3200萬噸。
此外，專家還表示，超臨界煤氣發電技術雖然由鋼鐵行業而生，但“破圈”服務于更多行業前景可期。
宋自新認為，我國以煤炭為主的能源使用行業，如石油化工、煤化工等能源系統，也可以使用超臨界煤氣發電機組，且應用潛力巨大。通過運用超臨界煤氣發電技術，這些行業不燃燒標煤，使用足量工業廢氣甚至燃用劣質煤即可實現發電，并實現超低排放，大大降低了發電成本。
未來，超臨界煤氣發電技術無疑將是一把利劍，馳騁能源藍海，為實現碳中和、碳達峰披荊斬棘。