小型發(fā)電設(shè)備開展余熱廢氣利用的技術(shù)研究

　　隨著化石能源消耗殆盡，支撐世界經(jīng)濟高速發(fā)展的能源供應日益緊張，能源不合理利用引發(fā)的環(huán)境問題也愈加嚴重，能源危機和環(huán)境污染已成為制約全球經(jīng)濟發(fā)展和困擾人類生活的導火索。我國是能源生產(chǎn)和能源消費大國，經(jīng)濟發(fā)展依賴于能源。在能源問題日益嚴峻的新形勢下，節(jié)約資源與環(huán)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(tǒng)利用技術(shù)，提高能源利用效率對我國經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)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(chǎn)出效率僅相當于日本的10.3%、美國的28.6%。在工業(yè)用能中，有近60~65%的能源轉(zhuǎn)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(lǐng)域仍有很大的發(fā)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(fā)電系統(tǒng)為主。雖然這種技術(shù)已在鋼鐵、冶金等含有中高溫廢熱蒸汽的行業(yè)得到了應用，但在中低溫余熱廢氣資源領(lǐng)域利用尚不廣泛。由往復式內(nèi)燃機和螺桿膨脹機兩種關(guān)鍵設(shè)備為基礎(chǔ)的余熱廢氣利用系統(tǒng)，逐漸以適用范圍廣、靈活性強、性價比高等技術(shù)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(nèi)燃機組廢氣利用技術(shù)

　　在工業(yè)廢氣中，受氣源質(zhì)量、可利用規(guī)模、設(shè)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(zhuǎn)爐煤氣)、低濃度瓦斯、油田伴生氣的回收利用、高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣回收發(fā)電、低溫余熱發(fā)電等余熱余能發(fā)電技術(shù)?？梢?，十二五時期大力發(fā)展余熱余能發(fā)電技術(shù)將對解決日益嚴峻的節(jié)能減排目標大有裨益。因此，有必要開展低溫余熱廢氣利用技術(shù)研究，廣泛調(diào)研應用案例，積累豐富實踐經(jīng)驗，為進一步提高設(shè)備可靠性、技術(shù)穩(wěn)定性及推廣應用奠定基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：小型發(fā)電設(shè)備 余熱廢氣利用 技術(shù)分析沼氣、秸稈氣、炭黑氣、煉化尾氣、油母頁巖氣以及無法外輸?shù)氖桶樯鷼獾瓤扇紡U氣并不適合燃氣輪機和蒸汽輪機利用，而往復式內(nèi)燃機組發(fā)電系統(tǒng)恰好可以充分加以利用，變廢為寶。

　　1.1 技術(shù)原理

　　往復式內(nèi)燃機組發(fā)電系統(tǒng)主要是利用往復式內(nèi)燃機拖動發(fā)電機發(fā)電，匹配余熱鍋爐構(gòu)成燃氣電站，實現(xiàn)制熱、制冷的廢氣利用技術(shù)?？傮w上可分為燃氣電站制熱廢氣利用系統(tǒng)和燃氣電站制冷廢氣利用系統(tǒng)。

　　(1)燃氣電站制熱廢氣利用系統(tǒng)

　　將可燃廢氣通入往復式內(nèi)燃機(燃氣發(fā)動機)，燃燒做功帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的煙氣(約600℃)進入余熱鍋爐，同時流過燃氣發(fā)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(chǎn)生高溫熱水或蒸汽。蒸汽可用作工業(yè)生產(chǎn)，熱水可用作供暖和生活用熱水。這種技術(shù)實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)，既可以發(fā)電，又可以供熱。(見圖1)

　　圖1 典型燃氣電站制熱系統(tǒng)工作原理圖

　　(2)燃氣電站制冷廢氣利用系統(tǒng)

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

　　圖2 典型燃氣電站制冷系統(tǒng)工作原理圖

　　1.2 技術(shù)特點

　　傳統(tǒng)的燃氣輪機單機的發(fā)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(zhuǎn)換為蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機再發(fā)一次電，形成燃氣輪機蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，從而提高效率。但這種聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)對水資源條件有較高要求，系統(tǒng)相對比較復雜，建設(shè)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(tǒng)燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，采用往復式內(nèi)燃機機組作為燃氣電站的動力設(shè)備，機組的發(fā)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(yōu)點是發(fā)電效率比較高，其次是設(shè)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(shè)備的單位千瓦造價也比較低。建設(shè)燃氣電站所需要的配套余熱利用設(shè)備也相對靈活，小型的余熱設(shè)備均可很好的配套使用?？傮w上，以往復式內(nèi)燃機組為基礎(chǔ)建設(shè)的燃氣電站在余熱利用技術(shù)領(lǐng)域具有燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電廠的全部熱電功能，且具有對燃氣供應品質(zhì)要求低、投產(chǎn)快、投資少、使用范圍廣泛等優(yōu)勢。目前，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的往復式內(nèi)燃機機組應用于電站至少可實現(xiàn)30%以上的發(fā)電效率，配套余熱鍋爐或制冷機組，可實現(xiàn)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(xiàn)電站綜合能源利用率達75%以上。雖然我國往復式內(nèi)燃機技術(shù)相對較為成熟，但以其為基礎(chǔ)設(shè)備的燃氣電站建設(shè)仍面臨工程設(shè)計經(jīng)驗不足、規(guī)模小、電站設(shè)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(guī)模發(fā)展與應用仍面臨挑戰(zhàn)。

　　隨著國家有關(guān)政策法規(guī)逐步落實，通過建立余熱發(fā)電燃氣電站示范項目、制定統(tǒng)一的發(fā)展規(guī)劃與標準體系、加強配套企業(yè)的技術(shù)合作與技術(shù)交流等措施，將有利于推動往復式內(nèi)燃機等余熱利用輔助設(shè)備的資源整合與優(yōu)化配置，有效緩解燃氣電站建設(shè)發(fā)展不協(xié)調(diào)、不同步的問題，并最終實現(xiàn)發(fā)電工程和余熱利用工程的同步發(fā)展。

　　2、螺桿膨脹機組余熱余能利用技術(shù)

　　2.1 技術(shù)原理

　　螺桿膨脹機組發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電機發(fā)電的余熱余能利用技術(shù)。按照低熱值熱源是否直接驅(qū)動螺桿膨脹機做功，可以將螺桿膨脹機組發(fā)電系統(tǒng)分為常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)。

　　(1)常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)

　　常規(guī)循環(huán)系統(tǒng)又稱單循環(huán)系統(tǒng)，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(tǒng)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(qū)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。

　　(2) 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)

　　有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)又稱雙循環(huán)系統(tǒng)，是將工質(zhì)與含熱流體進行熱交換之后，將氣態(tài)的工質(zhì)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(huán)有機工質(zhì)螺桿膨脹機系統(tǒng)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(huán)螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)通過工質(zhì)泵將低壓液態(tài)有機工質(zhì)增壓，利用蒸發(fā)器吸收工質(zhì)熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏赫魵?，高溫高壓蒸氣再推動螺桿膨脹機做功，產(chǎn)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(tài)，如此往復循環(huán)。

　　圖3 有機朗肯循環(huán)螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)原理圖

　　2.2 技術(shù)特點

　　螺桿膨脹機作為螺桿膨脹機組發(fā)電系統(tǒng)的主要設(shè)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(zhuǎn)啟動，操作簡單，可實現(xiàn)無人職守，很適合工礦企業(yè)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(zhì)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(shù)相對穩(wěn)定的過熱蒸汽、干凈蒸汽等熱源，螺桿膨脹機組發(fā)電系統(tǒng)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(yè)余熱，當余熱熱源參數(shù)(壓力、流量等)變化明顯時，機組效率仍能保持相對穩(wěn)定。實際應用中，螺桿膨脹機組發(fā)電系統(tǒng)一般用于300℃以下的熱源，余熱規(guī)模較小的場合。當熱源溫度在200℃左右時，其熱功轉(zhuǎn)化效率(系統(tǒng)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(zhì)更低一點，熱功轉(zhuǎn)化效率可達8%~13%.

　　目前，螺桿膨脹機發(fā)電系統(tǒng)憑借不挑食、不復雜、占地少、施工量小、性價比高等技術(shù)優(yōu)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(lǐng)域。雖然利用螺桿膨脹機組回收余熱發(fā)電擁有廣闊的市場空間，但實際發(fā)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(jié)能效果。此外，行業(yè)準入技術(shù)門檻不高，行業(yè)企業(yè)競爭激烈，沒有統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃和標準等因素也對其發(fā)展造成了一定影響。

　　為實現(xiàn)國家節(jié)能減排的長遠規(guī)劃，螺桿膨脹機余熱余能利用技術(shù)通過找準市場定位，建立規(guī)范的行業(yè)秩序，制定統(tǒng)一的標準等措施，能夠成為繼微型燃氣發(fā)電系統(tǒng)、往復式內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)之后的又一種重要的余熱余能利用方式。

　　3、結(jié)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(fā)展思路，然而余熱余能產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨市場機制不健全、設(shè)備可靠不高、行業(yè)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(jié)能減排目標的順利實現(xiàn)。從長遠著想，采取由國家統(tǒng)籌規(guī)劃，相關(guān)職能機構(gòu)嚴肅監(jiān)管，企業(yè)認真開展技術(shù)攻關(guān)、創(chuàng)新與合作，制定統(tǒng)一的技術(shù)標準等措施，將有利于推動余熱余能利用領(lǐng)域的技術(shù)進步，保障行業(yè)又好又快發(fā)展，為我國節(jié)能減排事業(yè)做出更大的貢獻。