引言

天然氣、沼氣、垃圾填埋氣和煤礦瓦斯是常見的能夠應用于燃氣內燃機的氣體。除此之外，有一些工業領域內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燃機發電的工業廢氣。這種廢氣雖然雜質多、熱值低，但是經過凈化處理以后可以進入燃氣內燃機發電，從而實現變廢為寶、節能減排，創造可觀的經濟效益。

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，碳質還原劑及溶劑等原料，主要生產硅鐵，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，其中密閉爐產生的尾氣含有的可燃成分較多，能夠用于燃氣內燃機發電。

圖1 某礦熱爐尾氣產生及利用流程

在礦熱爐生產鐵合金的過程中產生的尾氣(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，而現在則可以通過高效的燃氣內燃機發電，同時利用高溫煙氣的熱能，使能源得到高效充分的利用。

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，FOF發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別，其甲烷指數(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燃機氣缸里面更容易發生爆震。所以，燃氣發電機組需要通過傳感器監測爆震的發生以調整機組的運行狀態。另一方面，FOF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。層流火焰速度是在層流前沿發生氧化反應的速度， 即未燃燒的混合氣與火焰前沿之間的相對速度。根據麻省理工學院的研究資料，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，燃氣內燃機的進氣系統和控制參數都需要特殊設計以適應其特性，同時還必須滿足NOx的排放要求。

顏巴赫先進的 DIA.NE XT4系統在氣體質量波動時自動調整設置，因此能夠適應復雜的運行情況。同時，顏巴赫的LEANOX稀薄燃燒控制技術能夠實時控制氮氧化物NOx的排放，確保始終滿足嚴苛的環保要求，使機組排氣出口NOx達到250-500mg/Nm3(@5% O2)，并且無需SCR等復雜的尾氣后處理裝置。最新的顏巴赫資產管理系統myPlant則能實時監測、控制和預測機組的運行狀態，并能提供前瞻性的維護保養建議。

圖2 H2和CO混合氣的層流火焰速度(來源：MIT)

3 燃氣內燃機對氣體的雜質含量要求

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

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

4 礦熱爐尾氣發電典型案例

1) 南非鈦鐵礦冶煉廠礦熱爐尾氣發電項目

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燃氣發電機組，每臺功率1,698 kW，總容量13.6 MW。所發出的電力并入公司11 kV內網，用于滿足工廠部分電能需求。

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

2) 挪威錳鐵合金礦熱爐尾氣發電項目

北歐最大的錳鐵合金生產商采用了1臺顏巴赫J620燃氣發電機組用于礦熱爐尾氣發電 ，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年調試完成并投入商業運行。

通過回收礦熱爐尾氣用于熱電聯供系統(CHP)，減少工廠對來自電網的電力需求，節省了電能成本，而系統產生的高溫煙氣則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，該項目也因其在環境保護和節能減排方面的突出貢獻，獲得了挪威政府的大力支持。

5 國內的應用前景

礦熱爐尾氣的發電應用充分利用了廢氣，將其轉化為電能和熱能，是冶煉行業節能減排和循環經濟的榜樣。通過對廢氣的利用變廢為寶，在改善環保排放的同時創造新的價值，節約了企業的運營成本。顏巴赫在該領域擁有豐富的經驗，其發電機組產品單機功率大，發電效率高，調試周期短，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”戰略目標的大背景下，隨著對冶金行業環保要求的不斷提高，礦熱爐尾氣的高效利用將擁有廣闊的發展前景。