引言
天然气、沼气、垃圾填埋气和煤矿瓦斯是常见的能够应用于燃气内燃机的气体。除此之外，有一些工业领域内的废气含有可燃成分，例如氢气和一氧化碳等，矿热炉尾气就是其中一种能进入燃气内燃机发电的工业废气。这种废气虽然杂质多、热值低，但是经过净化处理以后可以进入燃气内燃机发电，从而实现变废为宝、节能减排，创造可观的经济效益。
1 矿热炉尾气的来源
矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉。它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料，主要生产硅铁，锰铁，铬铁、钨铁、硅锰合金等铁合金。矿热炉主要分为半密闭和密闭炉两种类型，其中密闭炉产生的尾气含有的可燃成分较多，能够用于燃气内燃机发电。
图1 某矿热炉尾气产生及利用流程
在矿热炉生产铁合金的过程中产生的尾气(Furnace off gas，简称FOF)主要成分为CO，以及少量的 H2、 CO2等。其中一氧化碳(CO)气体是由于还原剂中存在碳而形成的，如果还原剂中含有挥发性碳氢化合物，则会形成氢气(H2)。过去，矿热炉尾气通常是直接燃烧后排放，而现在则可以通过高效的燃气内燃机发电，同时利用高温烟气的热能，使能源得到高效充分的利用。
2 矿热炉尾气的燃烧特性和利用难点
FOF的热值通常只有天然气热值的1/3左右，也就是说相比于同级输出功率的天然气机型，FOF发电机组的进气量需要增大3倍以上。FOF的抗爆性与天然气也有显著区别，其甲烷指数(Methane Number，简称MN)只有天然气的大约60%左右，这意味着这种气体在内燃机气缸里面更容易发生爆震。所以，燃气发电机组需要通过传感器监测爆震的发生以调整机组的运行状态。另一方面，FOF燃烧时的层流火焰速度(Laminar Flame Speed，简称LFS)却比天然气快许多，这和气体里面氢气的含量比例有关。层流火焰速度是在层流前沿发生氧化反应的速度， 即未燃烧的混合气与火焰前沿之间的相对速度。根据麻省理工学院的研究资料，在当量比(Equivalence Ratio)为2时，5% H2和95% CO组成的混合气的LFS约为50cm/s，而 50% H2和50% CO组成的混合气的LFS可到160cm/s。鉴于FOF特殊的燃烧特性，燃气内燃机的进气系统和控制参数都需要特殊设计以适应其特性，同时还必须满足NOx的排放要求。
颜巴赫先进的 DIA.NE XT4系统在气体质量波动时自动调整设置，因此能够适应复杂的运行情况。同时，颜巴赫的LEANOX稀薄燃烧控制技术能够实时控制氮氧化物NOx的排放，确保始终满足严苛的环保要求，使机组排气出口NOx达到250-500mg/Nm3(@5% O2)，并且无需SCR等复杂的尾气后处理装置。最新的颜巴赫资产管理系统myPlant则能实时监测、控制和预测机组的运行状态，并能提供前瞻性的维护保养建议。
图2 H2和CO混合气的层流火焰速度(来源：MIT)
3 燃气内燃机对气体的杂质含量要求
尾气的成分和气量与炉子的运行参数有关，并受到原料质量、炉子控制和运行状态等因素的影响，所以通常会连续变化。采用气柜来减少气体热值和压力的波动，对于燃气内燃机发电非常重要。在炉子供气中断时，气柜还可以起到缓冲的作用。
进入内燃机前的FOF需要进行预处理，以满足气体质量要求。通常需要去除粉尘，以及多余的水分，还有焦油、硫及其他有害杂质等。硫、氨等成分的含量要求与燃气的热值相关，须根据实际热值确定上限值。下表是颜巴赫燃气内燃机对气体的一般质量要求。
4 矿热炉尾气发电典型案例
1) 南非钛铁矿冶炼厂矿热炉尾气发电项目
南非最大的一家钛铁矿冶炼工厂于2012年采用了8台颜巴赫J620燃气发电机组，每台功率1,698 kW，总容量13.6 MW。所发出的电力并入公司11 kV内网，用于满足工厂部分电能需求。
工厂内有两个封闭的直流电弧炉，产生尾气主要成分为73% CO, 14.5% H2，以及少量CO2等。据测算，该项目平均每年大约可以减少84,432 吨二氧化碳排放，是联合国清洁发展机制CDM注册项目。
2) 挪威锰铁合金矿热炉尾气发电项目
北欧最大的锰铁合金生产商采用了1台颜巴赫J620燃气发电机组用于矿热炉尾气发电 ，输出功率 1.5MW。尾气的主要成分为65% CO, 5% H2, 8% CO2等，低位热值(LHV)大约2.8 kWh/Nm3。项目于2020年调试完成并投入商业运行。
通过回收矿热炉尾气用于热电联供系统(CHP)，减少工厂对来自电网的电力需求，节省了电能成本，而系统产生的高温烟气则用于冶炼前对矿石进行干燥。该工厂的目标是通过CHP的使用将工厂的能源效率提升40%。同时，该项目也因其在环境保护和节能减排方面的突出贡献，获得了挪威政府的大力支持。
5 国内的应用前景
矿热炉尾气的发电应用充分利用了废气，将其转化为电能和热能，是冶炼行业节能减排和循环经济的榜样。通过对废气的利用变废为宝，在改善环保排放的同时创造新的价值，节约了企业的运营成本。颜巴赫在该领域拥有丰富的经验，其发电机组产品单机功率大，发电效率高，调试周期短，可靠性好，能够有效帮助用户获得可观的收益和显著的碳减排效果。在我国“双碳”战略目标的大背景下，随着对冶金行业环保要求的不断提高，矿热炉尾气的高效利用将拥有广阔的发展前景。
