生物質氣機組排氣余熱發電的工程應用

摘要：為高效回收生物質氣機組高溫排氣余熱并用于發電，設計每臺機組配置一個鍋爐、多臺機組配置一個鍋爐（排氣先匯總再進鍋爐）、多臺機組配置一個鍋爐（排氣先進鍋爐再匯總）3種排氣余熱回收利用方案，通過對排氣回收方式、鍋爐結構、經濟效益的綜合分析與評價，確定主要系統的參數和關鍵設備選型，篩選出最優方案。結果表明：多臺機組配置一個鍋爐（排氣先進鍋爐再匯總）的方案總體造價較低，排氣排放互不干擾，且年利潤較高，是最優方案。該方案有效提高生物質氣電站的發電效率，降低了能耗。

關鍵詞：電力工程；排氣輸送；余熱轉化；余熱發電

中圖分類號：TK65文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2025）01-0063-06

引用格式：邵劍波.生物質氣機組排氣余熱發電的工程應用［J］.內燃機與動力裝置，2025，42（1）：63-68.

SHAO Jianbo. Engineering application of waste heat power generation from exhaust of biomass gas generator sets［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2025，42（1）：63-68.

0 生物質氣電站余熱利用工程概況

近年來，我國不斷加大環保力度，提出“雙碳”目標，提倡和鼓勵發展節能環保產業。隨著生物質氣發電技術的成熟、國家能源局的認可以及相關安全標準的出臺，生物質氣電站在全國各地煤礦企業得到廣泛應用。在自然界中，植物通過光合作用產生的有機物就是生物質，這些有機物主要來源于空氣、水和土壤。生物質的范疇極為廣泛，涵蓋了所有綠色生命體^[1]。生物質主要分為兩大類：一類是木質纖維性生物類，包括秸稈、木材等；另一類是農業加工剩余物、林業廢棄物以及家畜糞便等。生物質氣是生物質經過厭氧發酵后生成的氣體，主要用于能源利用。生物質氣是可再生能源，應用廣泛，常用于發電、供熱或作為車輛燃料，減少化石資源的使用。

利用生物質氣發電時需要大量的熱能，并借助氣缸、活塞及曲柄連桿機構將熱能轉成機械能，驅動發電機發電。在發電過程中大部分熱能轉變為二次能源被大量放散浪費^[2]。只有高效利用做功過程中產生的二次能源，才能有效提高生物質氣電站的發電效率，降低能耗。目前，生物質氣排氣余熱最常見的利用方式是通過余熱鍋爐生產熱水。由于生物質氣電站通常遠離市區，許多電站的高溫排氣直接排放到大氣中。隨著能源價格的持續上漲和國家對節能減排要求的不斷提高，生物質氣電站排氣余熱的回收利用受到更為廣泛關注和應用。

本文中以15臺額定功率為700 kW的高壓生物質氣發電機組為研究對象，設計生物質氣排氣余熱回收方案，分析低品質蒸汽發電的可行性與經濟性，為生物質氣排氣余熱高效回收和低壓飽和蒸汽發電提供參考。

1 生物質氣排氣余熱回收工藝路線

1.1 生物質氣電站余熱來源

生物質氣燃燒后的排氣從機組內部排出時溫度為500～600 ℃，生物質氣排氣攜帶大量的熱量，可利用余熱鍋爐進行回收，生成蒸汽或熱水^[3]。

1.2 低溫余熱發電機組

低溫余熱回收發電技術通過利用工業生產過程中產生的溫度高于100 ℃的余熱，驅動發電機做功，實現能源回收利用。在低溫余熱回收發電過程中，需要綜合考慮技術可行性、安全性以及經濟性等關鍵因素。當前低溫余熱回收技術主要利用余熱鍋爐生產蒸汽驅動汽輪發電機發電，這一技術經過數十年的發展和完善，已經具備了商業化應用的成熟條件^[4]。

螺桿膨脹動力機是一種將熱能轉化為機械能的設備，能夠適應多種不同品質的流體介質，是目前國內唯一能夠有效利用過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物、熱水以及高鹽熱流體進行能量回收的熱動力設備，且制造技術成熟^[5]。螺桿膨脹動力機在結構和工作原理上與常規的汽輪機存在顯著差異，兩者對比如表1所示。

由上述分析可知：螺桿膨脹動力機技術更適合低品質余熱發電。因此本文在生物質氣電站項目中采用壓力為0.8 MPa的飽和蒸汽推動螺桿膨脹動力機發電。

2 生物質氣發電設備排氣余熱回收方案

2.1 回收方案設計

生物質氣燃燒產生的排氣具有周期性和間歇性波動的特點，需要借助余熱鍋爐將其轉化為穩定連續的蒸汽流，再通過專門設計的低參數飽和蒸汽螺桿膨脹動力機做功，實現發電。

2.1.1 方案一

生物質氣發電設備與余熱鍋爐采用一一對應的方式連接，即在每臺生物質氣發電設備的排氣管道上均配備一臺余熱鍋爐，并在生物質氣發電設備與余熱鍋爐之間的排氣管道上設置三通閥^[6]。冷水流入各臺余熱鍋爐，經過熱交換產生飽和蒸汽，再將所有鍋爐產生的蒸汽匯總至一條主蒸汽管道，輸送至螺桿膨脹動力機發電。

該方案無需對現有操作工藝和操作參數進行任何調整，工藝成熟且系統結構簡單。但該方案的鍋爐數量較多，整體建設成本較高；為了確保輸出壓力穩定的飽和蒸汽，每臺鍋爐都需要配備獨立的控制系統，系統故障風險增加，控制難度也相應增大。

2.1.2 方案二

每5臺生物質氣發電設備的排氣管道在室外匯總至一根排氣總管，然后接入余熱鍋爐。在每臺生物質排氣支管上安裝高溫排氣止回閥、三通閥、壓力傳感器和排氣流量計等設備，防止機組之間串氣和增加背壓。與方案一相比，雖然方案二余熱鍋爐的容量有所增加，但兩者的結構完全相同，因而制造和安裝都較便捷。

余熱排氣壓力過高可能導致生物質氣發電設備功率下降，應及時打開三通閥，調節生物質氣發電設備之間的排氣壓力至穩定后，才能進入下一工藝流程^[7]。為了保證生物質氣發電設備的排氣不出現紊流現象，需要在每條排氣支管中設置高溫截止閥，閥門本體需要耐高溫、高壓，價格不菲^[8-9]，所以投資增大。

2.1.3 方案三

每5臺700 kW生物質氣機組共用一臺余熱鍋爐，與方案二的主要區別為：每臺生物質氣發電設備的排氣分別獨立輸送至余熱鍋爐，余熱鍋爐設置5個獨立的進氣口，在鍋爐內部通過隔斷板劃分出5個獨立的排氣流動區域，確保每臺機組的排氣流動互不干擾。排氣在鍋爐的腔體內與冷水進行熱交換后溫度降低，在余熱鍋爐排煙管線低點設置低溫止回閥，將排氣匯總并統一排放至室外。

該方案每個生物質氣發電設備的排氣排放互不影響，排氣系統更加穩定、高效，但是余熱鍋爐需要根據具體需求定制，體積較大。

2.2 方案選擇

方案三的總體造價相對較低，每個生物質氣發電設備獨立運行，所以最終決定采用方案三，即多臺機組共用一臺余熱鍋爐，排氣先進鍋爐再匯總。

2.3 節能計算

2.3.1 機組排氣參數

在機組運行過程中，排氣從發動機組內部排出時帶有大量熱量，回收后，排氣溫度降至約190 ℃。機組排氣參數如表2所示。

2.3.2 蒸汽量計算

計算條件為：環境溫度為0 ℃，大氣壓力為0.1 MPa，額定工況下沼氣中甲烷體積分數為60％，過量空氣系數為1.4。5臺生物質氣發電機組每小時回收的熱量

Q=cpm（tin-tout），（1）

式中：cp為排氣的平均定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；m為5臺生物質發電設備每小時產生的排氣質量，kg；tin 為排氣進入余熱鍋爐時的溫度，℃；tout 為排氣從鍋爐排出時的溫度，℃。

本文中，cp=1.145 kJ/（kg·℃），m=17 325 kg，tin=550 ℃，tout=190 ℃。考慮鍋爐換熱效率以及排氣輸送損失，總體效率按94%計算，由式（1）可得Q=6 712 000 kJ。

余熱鍋爐生產1 t壓力為0.8 MPa（即溫度為170 ℃）的蒸汽所需的熱量（蒸汽壓力要求來源客戶端需求）

Q′= m′cp1t1＋m′cp2＋m′cp3t2，（2）

式中：m′為鍋爐所需的排氣質量，kg；t1為標準狀態下水從15 ℃加熱到100 ℃的溫差，℃；t2為水從100 ℃變為170 ℃蒸汽的溫差，℃；cp1、cp2、cp3分別為標準狀態下水的比熱容、標準狀態下水的汽化潛熱、水蒸汽的比熱容， kJ/（kg·℃）。

本文中m′=1 000 kg，cp1、cp2、cp3分別為4.2、2 260、2.1 kJ/（kg·℃），由式（2）可得Q′=2 764 000 kJ/t。

5臺生物質氣發電機組每小時可產飽和蒸汽量

m1=Q/Q′。（3）

由式（3）可得：m1=2.43 t，即每5臺生物質氣發電機組每小時能產生2.43 t溫度為170 ℃的飽和蒸汽。

2.4 排氣余熱回收系統主要設備及費用

依據國家能源局發布的《20 kV及以下配電網工程定額和費用計算規定（2022年版）》（國能發電力〔2023〕20號文件）推薦的編制方法、費用構成及計算標準編制排氣余熱回收系統主要設備及費用表，結果如表3所示。對于未涵蓋的部分，參考類似的工程概算和預算指標進行補充；本投資估算的靜態價格基準年份為2023年。由表3可知：排氣余熱回收系統的投資為214.40萬元。

3 螺桿膨脹動力機發電系統設計與技術經濟分析

由第2.3節可知，15臺生物質氣發電機組每小時可產生壓力為0.8 MPa的飽和蒸汽7.29 t。對螺桿膨脹動力機實際運行效率進行調研，同時參考常用廠家凝氣式螺桿膨脹動力機參數，確定本項目螺桿膨脹動力機汽耗率為0.063 kg/（kW·h），15臺發電機組所產生的壓力為0.8 MPa的飽和蒸汽可發電460.7 kW。

3.1 熱力發電工藝流程

排氣余熱產生的蒸汽進入螺桿膨脹動力機，配套發電機發電。蒸汽在凝汽器中冷凝成水，通過凝結水泵輸送到系統給水箱^[10-11]。當發電系統因故障緊急停機或需要檢修時，自動放散閥將啟動，余熱鍋爐產生的蒸汽通過原管路進入冷凝回收系統^[12-14]。螺桿膨脹發電機熱力利用系統圖如圖1所示。

3.2 發電系統主要設備及費用

按2.4節的方法編制發電系統主要設備及費用表，結果如表4所示。由表4可知，發電系統的投資為361.00萬元。

3.3 技術經濟分析

螺桿膨脹動力機的持續輸出功率為460 kW，年運行時間為7 200 h，電價為0.73元/（kW·h），則年發電收益約為241.79萬元（電價數據來源于某生物質電廠）。包含自耗電成本、人員費用、年消耗水成本、折舊等在內的項目年經營成本約為87.96 萬元。因此，項目每年利潤總額為153.83萬元，稅后利潤103.07萬元（所得稅稅率為33%），盈利能力較好。

4 結束語

本文中設計的生物質氣機組排氣余熱發電系統由生物質排氣余熱利用系統、凝結水回收系統、軟化水系統、膨脹螺桿發電機組、電氣系統、自控系統等構成。研究結果表明：從工藝角度來看，該方案是可行的；從經濟角度來看，該方案是盈利的；在余熱鍋爐的排氣利用方式上，突破了傳統的生物質發電設備與余熱鍋爐一對一配套的模式，顯著降低了相關投資成本，可為生物質排氣余熱的回收利用提供了一種新的選擇，對其他形式的排氣余熱回收利用也具有一定的參考價值，有利于生物質氣電站的進一步推廣，提高生物質氣電站的綜合能源效率。

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Engineering application of waste heat power generation from

exhaust of biomass gas generator sets

SHAO Jianbo

Shengli Oilfield Shengli Power Machinery Group Co.， Ltd.， Dongying 257092， China

Abstract：In order to efficiently recover high-temperature exhaust heat from biomass gas generator sets and use it" for power generation， three exhaust heat recovery and utilization schemes are designed： one boiler for each unit， solo boiler for multiple units （exhaust is firstly mixed before entering the boiler）， and solo boiler for multiple units （exhaust enters the boiler before being mixed）. Through comprehensive analysis and evaluation of exhaust recovery methods， boiler structures， and economic benefits， the parameters of the main system and key equipment selection are determined， and the optimal scheme is selected. The results show that the overall cost of “solo boiler for multiple units （exhaust enters the boiler before being mixed）” is relatively low， the exhaust do not interfere with each other， and the annual profit is high， which effectively improves the power generation efficiency of biomass gas power plants and reduces the energy consumption of enterprises.

Keywords：power engineering; exhaust flow; waste heat conversion; waste heat power generation

（責任編輯：臧發業）