小型发电设备开展余热废气利用的技术研究

　　随着化石能源消耗殆尽，支撑世界经济高速发展的能源供应日益紧张，能源不合理利用引发的环境问题也愈加严重，能源危机和环境污染已成为制约全球经济发展和困扰人类生活的导火索。我国是能源生产和能源消费大国，经济发展依赖于能源。在能源问题日益严峻的新形势下，节约资源与环境保护对能源的高效利用提出了更高要求。因此，改变能源传统利用技术，提高能源利用效率对我国经济发展和环境保护具有重要意义。

　　能源利用效率低已成为我国能源供需紧张的重要原因之一。我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的10.3%、美国的28.6%。在工业用能中，有近60~65%的能源转化成为余热资源，若对其合理利用可大幅提高能源利用效率。目前美国是余热利用最多的国家，利用率达60%，欧洲的利用率是50%，我国只有30%.所以，我国在余热余能利用领域仍有很大的发展空间。我国余热余能利用主要以余热锅炉匹配汽轮机所组成的汽轮机发电系统为主。虽然这种技术已在钢铁、冶金等含有中高温废热蒸汽的行业得到了应用，但在中低温余热废气资源领域利用尚不广泛。由往复式内燃机和螺杆膨胀机两种关键设备为基础的余热废气利用系统，逐渐以适用范围广、灵活性强、性价比高等技术特点被市场所认可，成为低温余热废气利用的重要途径。

　　1、往复式内燃机组废气利用技术

　　在工业废气中，受气源质量、可利用规模、设备造价等多方面因素制约，煤层气(地面钻井开采的煤层气、煤矿抽放瓦斯)、焦炉煤气、冶炼尾气(炼铁高炉煤气和炼钢转炉煤气)、低浓度瓦斯、油田伴生气的回收利用、高炉和转炉煤气回收发电、低温余热发电等余热余能发电技术。可见，十二五时期大力发展余热余能发电技术将对解决日益严峻的节能减排目标大有裨益。因此，有必要开展低温余热废气利用技术研究，广泛调研应用案例，积累丰富实践经验，为进一步提高设备可靠性、技术稳定性及推广应用奠定基础。

　　关键词：小型发电设备 余热废气利用 技术分析沼气、秸秆气、炭黑气、炼化尾气、油母页岩气以及无法外输的石油伴生气等可燃废气并不适合燃气轮机和蒸汽轮机利用，而往复式内燃机组发电系统恰好可以充分加以利用，变废为宝。

　　1.1 技术原理

　　往复式内燃机组发电系统主要是利用往复式内燃机拖动发电机发电，匹配余热锅炉构成燃气电站，实现制热、制冷的废气利用技术。总体上可分为燃气电站制热废气利用系统和燃气电站制冷废气利用系统。

　　(1)燃气电站制热废气利用系统

　　将可燃废气通入往复式内燃机(燃气发动机)，燃烧做功带动发电机发电，产生的烟气(约600℃)进入余热锅炉，同时流过燃气发动机本体的冷却水(约90℃)通过热交换器将热量传递给余热管路。水通过热交换器换热再进入余热锅炉加热，产生高温热水或蒸汽。蒸汽可用作工业生产，热水可用作供暖和生活用热水。这种技术实现了热电联产，既可以发电，又可以供热。(见图1)

　　图1 典型燃气电站制热系统工作原理图

　　(2)燃气电站制冷废气利用系统

　　将可燃废气通入燃气发动机，燃烧做功带动发电机发电，产生的烟气(约600℃)进入余热锅炉。水通过发动机本体换热器再进入余热溴化锂制冷机组，产生低温水和较高温水。低温水可用作空调制冷，较高温水可用作生活用热水。这种技术实现了热电冷联产，既可以发电，又可以供热和供冷。(见图2)

　　图2 典型燃气电站制冷系统工作原理图

　　1.2 技术特点

　　传统的燃气轮机单机的发电效率一般在35%左右，目前常用的提高效率的方法是通过余热锅炉再次回收热能转换为蒸汽，驱动蒸汽轮机再发一次电，形成燃气轮机蒸汽轮机联合循环发电，从而提高效率。但这种联合循环系统对水资源条件有较高要求，系统相对比较复杂，建设投资较大，搬迁也相对困难。

相比于投入大、工期长、占地面积大的传统燃气轮机发电系统，采用往复式内燃机机组作为燃气电站的动力设备，机组的发电效率通常在30%~40%之间，比较常见的机型一般可以达到35%，其最突出的优点是发电效率比较高，其次是设备集成度高，安装快捷，对于气体中的粉尘要求不高，基本不需要水，设备的单位千瓦造价也比较低。建设燃气电站所需要的配套余热利用设备也相对灵活，小型的余热设备均可很好的配套使用。总体上，以往复式内燃机组为基础建设的燃气电站在余热利用技术领域具有燃气轮机联合循环电厂的全部热电功能，且具有对燃气供应品质要求低、投产快、投资少、使用范围广泛等优势。目前，国内企业生产的往复式内燃机机组应用于电站至少可实现30%以上的发电效率，配套余热锅炉或制冷机组，可实现约30%的热吸收率，同时通过热交换器可吸收约2