导读：实现煤气余热回收利用，对于钢铁厂降低成本、提高能源转换具有重要的意义。
1、前言
近年来，中国钢铁工业迅猛发展，钢铁冶金技术不断进步，使得钢铁厂副产煤气资源量越来越多。实现煤气余热回收利用，对于钢铁厂降低成本、提高能源转换具有重要的意义。目前，回收的煤气资源主要作为燃料供焦炉、热风炉、加热炉等工业炉窑加热使用，这部分占煤气资源量的50%～80%，剩余部分供企业自备电厂发电，方式主要有全烧(或掺烧)煤气锅炉发电和燃气-蒸汽联合循环发电(CCPP)两种。
首钢京唐钢铁联合有限责任公司（以下简称首钢京唐公司）拥有国内首套煤粉-煤气混烧发电机组，机组容量300MW，煤气混烧率最高达到30%，作为煤气系统的缓冲用户，极大地降低了公司煤气放散率水平。但由于采用常规的锅炉、汽轮发电机组模式，将蒸汽参数提高至亚临界水平（16.7Mpa，540℃），热电转换效率仅达38%左右。
燃烧低热值高炉煤气的CCPP发电机组一般由高炉煤气供给系统、燃气轮机系统、余热锅炉系统、蒸汽轮机系统和发电轮机系统组成。主要设备有空气压缩机、高炉煤气压缩机、燃气轮机、余热锅炉、发电机和励磁机等。一般分为单轴和多轴布置形式。经除尘加压的高炉煤气与加压的空气混合后进入燃烧室进行燃烧，所产生的高温、高压燃气进入燃气透平机组膨胀做功，燃气轮机带动发电机组发电，同时燃气轮机做功后的排气进入余热锅炉，产生蒸汽后进入蒸汽轮机做功，蒸汽轮机带动发电机组发电。CCPP发电效率可以达到58%～60%，一些大型机组甚至可以超过60%。因为燃气轮机为旋转持续做功，可以利用热值比较低的燃料气体，同时还具有开、停机快，运行负荷调节幅度大速度快等特点。
随着环保压力的增大及降低大宗物料运输成本的需求，一些大型钢铁企业开始外迁并在沿海布局，但沿海布局的一个弊端就是工业用水的供应。一般钢铁行业布局沿海地区，都是选择无人居住的滩涂地区，本就没有淡水资源，再加上钢铁工业用水量巨大，水资源的保供是一个难题。目前，解决的措施就是铺设长距离输送管线供给工业水，这样不仅导致水价升高，并且存在断供的风险。
首钢京唐公司结合沿海优势，独创“汽轮发电机组与低温多效海水淡化耦合技术”，能同时生产电能及高品质除盐水，并降低除盐水生产成本至6元/t，有效保证了工厂的用水安全。目前日产水量5万t，占全公司用水量的50%以上。双轴布置的CCPP发电机组汽轮机排汽量约240t/h，常规做法为进入凝汽器与循环
冷却水换热，凝结水送回余热锅炉进行循环。根据首钢京唐公司一期工程汽轮发电机组与低温多效海水淡化耦合技术的经验，将建设CCPP与低温多效海水淡化相耦合的水电共生技术，进一步增大除盐水产量。
2、可行性分析
目前，首钢京唐公司成功运营2套25MW汽轮发电机组后置低温多效海水淡化装置。整套装置自2011年10月份投产至今，每年满负荷运行小时数都在7920h以上，每年向公司电网供电3.2亿kWh，向公司水管网供水800万t，整个系统的热效率为82.23%。详见表1。
3、主要设备及工艺流程
燃气蒸汽联合循环与低温多效海水淡化联合生产系统主要包括燃机系统和海水淡化系统。
3.1燃机系统
目前，可以利用钢铁厂低热值煤气资源的大型燃机生产厂商主要有两个：一个是以GE公司为代表的9E系列燃机；另一个则是以日本三菱公司为代表的M251及M701DA系列燃机。两者各有所长。其主要指标对比见表2。
3.2海水淡化系统
海水淡化主体设备主要包括由7个相同的效和1个末效冷凝器，主要结构均为换热管束。辅助系统主要由海水补给、浓盐水排放、蒸汽减温减压输入、冷凝水输回和产品水排出等分系统。进入系统的海水首先进入末效冷凝器，经预热后由泵送入蒸发器，用于补给蒸发；从蒸汽管网进入的压力在0.4Mpa以上的蒸汽经减温减压后进入主体第一效，将补给的海水蒸发，加热蒸汽冷凝放热为常压温度约40℃的冷凝水后由泵抽出等量送回蒸汽发生源。同时，海水蒸发产生的蒸汽作为二次热源使下一效海水蒸发，同时冷凝成蒸馏水，同样的过程在每效中进行，从而实现每引入1t蒸汽产生近10t的蒸馏水的高造水比（造水比为1t蒸汽能够产生的淡化海水量）。而海水部分蒸发后浓度升高，称之为浓盐水，由泵排出。
热法海水淡化具备３运行模式：①纯TVC模式：使用0.4Mpa，250℃低压蒸汽，造水比9.8；②部分TVC模式：使用0.4Mpa，250℃蒸汽及0.035Mpa，73℃蒸汽，造水比6~9.8；③纯MED模式：使用0.035Mpa，73℃蒸汽（汽轮机排汽），造水比6。
正是由于低温多效海水淡化装置具备纯MED模式，才实现CCPP与海水淡化耦合。
4、CCPP发电机组及海水淡化成本测算
由于分轴式CCPP发电机组汽轮机后置海水淡化，需要将汽轮机排汽参数由纯凝工况的4.5kPa、31℃提高至35kPa、73℃，实现海水淡化纯MED模式运行。与纯凝工况相比，汽轮机背压提高，CCPP整体发电量减少，减少的发电量与纯凝工况下汽轮机排汽携带的热量共同转移至热法海水淡化内部放热，最终冷凝成40℃的冷凝水。所以，海水淡化的蒸汽成本将由减少的发电量及电价共同决定（纯凝工况下汽轮机排汽携带的热量价值为零，利用循环冷却水系统排放至大气中，在低温多效海水淡化装置中得到回收利用），而发电价格为CCPP纯凝工况下运行的发电电价。
α—纯MED模式下海水淡化的造水比；（根据统计，蒸汽成本占热法海水淡化全成本的50%以上）。
按表3中的CCPP发电价格，计算海水淡化全成本为4.55元/t。
5、综合效益分析
由于CCPP机组后置与海水淡化装置后，汽轮机排汽参数提高，直接导致汽轮发电机组的发电量降低，根据公式（1）得出每吨蒸气减少发电量为50kWh。外购电价为0.435元/kWh，发电成本为0.27元/kWh，CCPP机组汽轮机排汽量为240t/h，则发电侧经济损失为1568.16万元。
海水淡化产水水质为TDS≤5ppm，由渤海湾海水加工至此等级水质，采用膜法工艺制水成本约10元/t，采用0.4Mpa以上等级蒸汽的成本为11.2元/t，取两者的平均值10.6元/t作为膜法海水淡化成本，测算系统中海水淡化侧的效益为6987.75万元/t。综合比较，整个系统的经济收益为5419.6万元。
6、结论
借鉴25MW汽轮发电机组后置低温多效海水淡化装置开发运营经验，在充分利用钢铁厂高、焦炉煤气的基础上，发挥CCPP发电机组高效率的同时，建设CCPP后置低温多效海水淡化装置，进一步回收汽轮机排汽余热资源，降低热法海水淡化生产成本至4.55元/t，并实现年5419.6万元的综合效益。
原标题：燃气蒸汽联合循环与低温多效海水淡化耦合式生产 在钢铁行业中的应用
