基于小型發電設備開展余熱廢氣利用的技術分析

／機械工業北京電工技術經濟研究所 崔鶴松／

隨著化石能源消耗殆盡，支撐世界經濟高速發展的能源供應日益緊張，能源不合理利用引發的環境問題也愈加嚴重，能源危機和環境污染已成為制約全球經濟發展和困擾人類生活的導火索。我國是能源生產和能源消費大國，經濟發展依賴于能源。在能源問題日益嚴峻的新形勢下，節約資源與環境保護對能源的高效利用提出了更高要求。因此，改變能源傳統利用技術，提高能源利用效率對我國經濟發展和環境保護具有重要意義。

能源利用效率低已成為我國能源供需緊張的重要原因之一。我國每噸標準煤的產出效率僅相當于日本的10.3%、美國的28.6%。在工業用能中，有近60～65%的能源轉化成為余熱資源，若對其合理利用可大幅提高能源利用效率。目前美國是余熱利用最多的國家，利用率達60%，歐洲的利用率是50%，我國只有30%。所以，我國在余熱余能利用領域仍有很大的發展空間。

我國余熱余能利用主要以余熱鍋爐匹配汽輪機所組成的汽輪機發電系統為主。雖然這種技術已在鋼鐵、冶金等含有中高溫廢熱蒸汽的行業得到了應用，但在中低溫余熱廢氣資源領域利用尚不廣泛。由往復式內燃機和螺桿膨脹機兩種關鍵設備為基礎的余熱廢氣利用系統，逐漸以適用范圍廣、靈活性強、性價比高等技術特點被市場所認可，成為低溫余熱廢氣利用的重要途徑。

1 往復式內燃機組廢氣利用技術

在工業廢氣中，受氣源質量、可利用規模、設備造價等多方面因素制約，煤層氣（地面鉆井開采的煤層氣、煤礦抽放瓦斯）、焦爐煤氣、冶煉尾氣（煉鐵高爐煤氣和煉鋼轉爐煤氣）、沼氣、秸稈氣、炭黑氣、煉化尾氣、油母頁巖氣以及無法外輸的石油伴生氣等可燃廢氣并不適合燃氣輪機和蒸汽輪機利用，而往復式內燃機組發電系統恰好可以充分加以利用，變廢為寶。

1.1 技術原理

往復式內燃機組發電系統主要是利用往復式內燃機拖動發電機發電，匹配余熱鍋爐構成燃氣電站，實現制熱、制冷的廢氣利用技術。總體上可分為燃氣電站制熱廢氣利用系統和燃氣電站制冷廢氣利用系統。

（1）燃氣電站制熱廢氣利用系統

將可燃廢氣通入往復式內燃機（燃氣發動機），燃燒做功帶動發電機發電，產生的煙氣（約600℃）進入余熱鍋爐，同時流過燃氣發動機本體的冷卻水（約90℃）通過熱交換器將熱量傳遞給余熱管路。水通過熱交換器換熱再進入余熱鍋爐加熱，產生高溫熱水或蒸汽。蒸汽可用作工業生產，熱水可用作供暖和生活用熱水。這種技術實現了熱電聯產，既可以發電，又可以供熱。（見圖1）

（2）燃氣電站制冷廢氣利用系統

將可燃廢氣通入燃氣發動機，燃燒做功帶動發電機發電，產生的煙氣（約600℃）進入余熱鍋爐。水通過發動機本體換熱器再進入余熱溴化鋰制冷機組，產生低溫水和較高溫水。低溫水可用作空調制冷，較高溫水可用作生活用熱水。這種技術實現了熱電冷聯產，既可以發電，又可以供熱和供冷。（見圖2）

1.2 技術特點

傳統的燃氣輪機單機的發電效率一般在35%左右，目前常用的提高效率的方法是通過余熱鍋爐再次回收熱能轉換為蒸汽，驅動蒸汽輪機再發一次電，形成燃氣輪機——蒸汽輪機聯合循環發電，從而提高效率。但這種聯合循環系統對水資源條件有較高要求，系統相對比較復雜，建設投資較大，搬遷也相對困難。

相比于投入大、工期長、占地面積大的傳統燃氣輪機發電系統，采用往復式內燃機機組作為燃氣電站的動力設備，機組的發電效率通常在30%～40%之間，比較常見的機型一般可以達到35%，其最突出的優點是發電效率比較高，其次是設備集成度高，安裝快捷，對于氣體中的粉塵要求不高，基本不需要水，設備的單位千瓦造價也比較低。建設燃氣電站所需要的配套余熱利用設備也相對靈活，小型的余熱設備均可很好的配套使用。總體上，以往復式內燃機組為基礎建設的燃氣電站在余熱利用技術領域具有燃氣輪機聯合循環電廠的全部熱電功能，且具有對燃氣供應品質要求低、投產快、投資少、使用范圍廣泛等優勢。

目前，國內企業生產的往復式內燃機機組應用于電站至少可實現30%以上的發電效率，配套余熱鍋爐或制冷機組，可實現約30%的熱吸收率，同時通過熱交換器可吸收約20%的熱量，從而實現電站綜合能源利用率達75%以上。雖然我國往復式內燃機技術相對較為成熟，但以其為基礎設備的燃氣電站建設仍面臨工程設計經驗不足、規模小、電站設備的兼容性不高、智能化與信息化管理不強等問題，導致其大規模發展與應用仍面臨挑戰。

隨著國家有關政策法規逐步落實，通過建立余熱發電燃氣電站示范項目、制定統一的發展規劃與標準體系、加強配套企業的技術合作與技術交流等措施，將有利于推動往復式內燃機等余熱利用輔助設備的資源整合與優化配置，有效緩解燃氣電站建設發展不協調、不同步的問題，并最終實現發電工程和余熱利用工程的同步發展。

2 螺桿膨脹機組余熱余能利用技術

2.1 技術原理

螺桿膨脹機組發電系統主要是通過螺桿膨脹機回收余熱蒸汽、熱水、熱液及煙氣余熱拖動發電機發電的余熱余能利用技術。按照低熱值熱源是否直接驅動螺桿膨脹機做功，可以將螺桿膨脹機組發電系統分為常規循環系統與有機朗肯循環系統。

（1）常規循環系統

常規循環系統又稱單循環系統，是將含熱流體直接引入螺桿膨脹機機組，由其推動主機膨脹作功，該類型系統較為簡單，適用于高溫高壓流體的能量回收。受膨脹能力限制，直接驅動螺桿膨脹動力機的熱源應用范圍為低于300℃的0.15～3.0MPa的蒸汽或壓力0.8MPa以上、高于170℃的熱水等。

圖1 典型燃氣電站制熱系統工作原理圖

圖2 典型燃氣電站制冷系統工作原理圖

（2） 有機朗肯循環系統

有機朗肯循環系統又稱雙循環系統，是將工質與含熱流體進行熱交換之后，將氣態的工質引入螺桿膨脹機主機，推動主機膨脹做功。對小于的0.1MPa的蒸汽或壓力0.8MPa以下、高于85℃的熱水可以采用二次循環有機工質螺桿膨脹機系統進行余熱回收。而對200℃以上的煙氣可采用配余熱鍋爐的螺桿膨脹機組進行余熱回收。

在工程應用中，有機朗肯循環螺桿膨脹發電站系統通過工質泵將低壓液態有機工質增壓，利用蒸發器吸收工質熱量轉變為高溫高壓蒸氣，高溫高壓蒸氣再推動螺桿膨脹機做功，產生能量輸出，膨脹機出口的低壓蒸氣進入冷凝器，向低溫熱源放熱并冷凝為液態，如此往復循環。

圖3 有機朗肯循環螺桿膨脹發電站系統原理圖

2.2 技術特點

螺桿膨脹機作為螺桿膨脹機組發電系統的主要設備，主要零部件較少，運行維護費用很低，運行時無需盤車、暖機，且不會飛車，可以直接沖轉啟動，操作簡單，可實現無人職守，很適合工礦企業使用。不僅如此，螺桿膨脹機還適用于高鹽份的強堿流體，機體本身能除垢自潔，因而對余熱流體品質要求不高，進一步擴大了應用范圍。

相比于汽輪機只能適用于蒸汽流量和參數相對穩定的過熱蒸汽、干凈蒸汽等熱源，螺桿膨脹機組發電系統適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液兩相混合物、煙氣、含污熱水、熱液體等不同種類的工業余熱，當余熱熱源參數（壓力、流量等）變化明顯時，機組效率仍能保持相對穩定。實際應用中，螺桿膨脹機組發電系統一般用于300℃以下的熱源，余熱規模較小的場合。當熱源溫度在200℃左右時，其熱功轉化效率(系統對外輸出機械能與低溫熱源所含熱能的比例)可達15%左右，如果品質更低一點，熱功轉化效率可達8%～13%。

目前，螺桿膨脹機發電系統憑借不挑食、不復雜、占地少、施工量小、性價比高等技術優勢，獲得了一定的市場空間，大量應用于石油、化工、冶金、鋼鐵、水泥、造紙、印染等領域。雖然利用螺桿膨脹機組回收余熱發電擁有廣闊的市場空間，但實際發展情況并不樂觀。究其原因主要是受膨脹能力限制，單機功率一般不高，用戶無法綜合衡量節能效果。此外，行業準入技術門檻不高，行業企業競爭激烈，沒有統一發展規劃和標準等因素也對其發展造成了一定影響。

為實現國家節能減排的長遠規劃，螺桿膨脹機余熱余能利用技術通過找準市場定位，建立規范的行業秩序，制定統一的標準等措施，能夠成為繼微型燃氣發電系統、往復式內燃機發電系統之后的又一種重要的余熱余能利用方式。

3 結束語

綜上，余熱余能的充分利用為我們解決能源危機提供了一個新的發展思路，然而余熱余能產業發展仍面臨市場機制不健全、設備可靠不高、行業標準缺失等諸多問題，如果不及時解決這些問題，余熱余能利用恐將停留在“紙上談兵”階段，甚至制約國家節能減排目標的順利實現。從長遠著想，采取由國家統籌規劃，相關職能機構嚴肅監管，企業認真開展技術攻關、創新與合作，制定統一的技術標準等措施，將有利于推動余熱余能利用領域的技術進步，保障行業又好又快發展，為我國節能減排事業做出更大的貢獻。

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