燃油、燃气发电机组的尾气余热利用

一、柴油发电机组尾气的余热利用：

在发电机组工作时，柴油机会产生大量热能，这些热能主要是指柴油机的冷却液余热和排气余热两部分。一般情况下，用户并没有利用这两部分热能而白白浪费掉。炫风节能根据柴油发电机组的各种运行参数，研究、开发、生产出各种不同型号的余热利用设备，能充分利用柴油的这两部分热能，同时又不会影响发电机组的正常运行。

柴油机余热回收装置系统主要包括：热管换热器、水箱泵橇、电器控制系统及温度计、压力表、管阀配件，另外还包括热交换器和水箱之间的连接软管、水箱泵橇和柴油罐之间的连接软管。

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柴油机余热回收供热系统示意图

热管余热回收装置具有以下特点：

1）导热性能好，热管换热器热效率高，能有效回收柴油机废气余热。

2）技术上不影响柴油机功率，以最大功率回收余热，柴油机负荷变化与补充能源相匹配。

3）体积小、质量轻，可现场安装、拆卸、维护、维修，使用简单方便，结构紧凑合理，便于运输。

4）运行及维护费用低。由于无任何转动部件，属静设备，没有附加动力消耗，运行费用低；另外，操作和维护简单，不需备品、备件，即使有部分元件损坏，也不影响正常生产。

5）柴油机功率大于80%，排烟温度大于300℃时，余热回收设备每台产热水量不小于0.3 m3/h。

6）具有很好的消音灭火功能。烟气经过热管换热器时，压力始终是均衡的，烟气中的火星与热管多次碰撞后很快熄灭，具有消音灭火罩的功用。

7）热管余热回收器整体使用年限在10年以上。

二、燃气发电机组的尾气余热利用

目前燃料的能量只有约35%被发电机组转化为电能，约有30%随废气排出，25%被发动机冷却水带走，通过机身散发等其它损失约占10%左右，废气和换热器损失的功率比有用功还多。

在我国，目前占燃气发动机燃料近55%热值的废气和冷却水余热资源基本上被白白浪费掉，发动机余热利用技术的就是来实现将原本白白浪费掉的热资源充分利用的系统。

随着人民生活质量的提高，制冷和采暖越来越普及，能源消耗越来越大，同时发动机余热资源目前没有得到综合利用，燃油、燃气及电热锅炉和中央空调在广泛使用，消耗了大量能源。根据发动机余热利用现状，我公司发挥信息和技术优势，研制开发了国内第一套燃气机余热利用中央空调，用于我公司办公大楼和会议室的热电联供。

在燃气机组发电的同时，以机组废气的热量为能源，烟气通过特制的热交换系统加热介质水，使水温达到规定温度，通过溴化锂冷水机组制冷或制热，通过风机盘管空调器给房间制冷或供热。系统原理如下图所示：

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应用范围

1、办公大楼、宾馆、商场的热电联供制冷、供热系统。

2、利用燃气发电站余热资源为联合站加热原油。

概括的来说，凡是需要热能并且已有机组或燃气资源丰富的地方都可以推广应用。

发动机的废气余热利用在我国还是一个新兴的科技领域，是发展的必然趋势，我们还要不断学习国外在这方面的先进技术，提高水平，多与广大用户交流和学习，提高余热利用效率，扩大应用范围，以使其扩展到更宽的领域，更好的为用户服务，使用户达到收益最大化。

三、瓦斯发电机组尾气的余热利用

煤矿瓦斯发电，既可以有效地解决煤矿瓦斯事故、改善煤矿安全生产条件，又有利于增加洁净能源供应、减少温室气体排放，达到保护生命、保护资源、保护环境的多重目标。

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安徽煤矿案例

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山西案例

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孟加拉案例

对于瓦斯发电机组，燃气燃料的能量只有约35%被发电机组转化为电能，30%—35%随高温烟气排出（排烟温度达550℃），20%—25%被发电机冷却水带走，通过机身散热等其他损失占10%，排气余热和冷却水损失的能量比有用能量还多。占燃气发电机燃料近35%热能的烟气余热资源基本上被白白浪费掉。我公司针对这一工况，充分利用瓦斯发电机组烟气余热，安装炫风节能RGZFQ-X-X瓦斯发电机组配套的余热锅炉，产生的蒸汽带动汽轮机组二次发电。使矿井资源得到了充分利用，矿山环境得到有效保护，实现了企业的节约发展、清洁发展和可持续发展，创造了良好的经济、环保和社会综合效益。

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RGZFQ-X-X型热管蒸发器（热管式余热锅炉）

四、燃气发电站及其余热利用

1、前言

随着我国工业现代化进程的加快及生活水平的提高，能源消耗日益增加，同时造成的负面影响是环境污染的加剧与能源危机的出现，燃烧柴油和汽油造成了石油资源的严重短缺，同时每年向大气中排放一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物约1.5亿吨，占大气中同类污染物的55％以上。在石油资源日益短缺的情况下，寻找代用能源成为当前的主要任务，目前得到普遍认可的代用燃料是以天然气为主的可燃性气体燃料。

天然气是地球上最丰富的燃料之一，国外权威机构预言，天然气将在21世纪取代石油，成为第二大能源。同时，天然气也是发动机的优质燃料，它对发动机润滑油品质破坏性小，燃烧更充分，燃烧室内没有积炭和胶质，因而可延长发动机的使用寿命，降低发动机的维修费用。气体燃料发动机的排放指标优于汽油机和柴油机，同时燃气发动机排出废气中颗粒排放物极少，对大气污染程度小，能满足国内的发动机排放要求，有较好的环保效果。

二十年来，天然气发动机等产品在国外得到了广泛的应用，美国的瓦克夏、库柏、英国的帕金斯、德国的道依茨、MTU、芬兰的纽锡兰等大型发动机制造厂纷纷将燃气机的研制作为主要策略，并有部分产品打入了中国市场。

目前，我公司的燃气发电机组已在国内组建了三十余个电站，通过用户使用表明，天然气发动机及其配套发电机组可有效地利用天然气、石油伴生气等资源，并且排放指标优于柴油机和汽油机，因此，天然气发动机系列产品在21世纪将成为内燃机行业的生产主流。

2、燃气发动机简介

燃气发动机以天然气、井口伴生气、煤层气、水煤气、炼化尾气、沼气等可燃性气体为燃料，主要用于天然气、煤气、沼气资源丰富的地区，如油田、煤矿、焦化厂等部门作为生产动力用电或并网发电。燃气发电机组具有启动迅速、操作简便等特点，并设有自动保护系统、可实现无人值守，是节能、环保型动力设备。1立方米天然气可发电力3千瓦时，1立方米煤层气或炼化尾气可发电力2.7千瓦时，经济效益非常显著，是石油开采、煤矿、各种泵站、电站、工程机械等设备理想的动力装置。

目前国内外开发的燃气发动机多是在汽油机或柴油机基础上研制开发的，较大的燃气发动机基本上都是从柴油机改制过来的，转速为1000～1500r/min，采用电火花点火方式，压缩比通常比柴油机降低25～40%，根据进气方式的不同，功率降低的程度也有差别，预混合进气方式通常比原机功率下降10～25%。与中速柴油机相比，燃气发动机的热平衡如表1所示：

发动机热平衡分配表

热平衡分配项点

中速柴油机

中速燃气发动机

转为有效功的热量（%）

35～45

30～40

冷却介质带走的热量（%）

10～20

15～25

废气带走的热量（%）

30～40

35～45

其他热损失（%）

10～15

1～15

目前除少数高性能的燃气发动机外，大部分的燃气发动机的有效热效率都比柴油机小，而冷却水及排出废气带走的热量所占的比重却相对较大，综合利用这一能量可使发动机的有效热效率达到70%以上，起到较好节能效果。

3、余热利用方式

综合利用燃气发动机热能主要从三个方面着手：即电力供应、采暖洗浴等供热以及夏季空调制冷。在综合利用的设计过程中应充分考虑以下几方面的因素：

a、利用应避免对发动机的性能产生大的影响，即不影响燃气发电机组的正常运行及功率输出；

b、排气总管到热交换器之间的距离应尽可能短，同时应充分考虑排气管的隔热保温，减少从发动机排气出口至热交换器文章的热量损失；

c、需要考虑燃气发电机组负荷变化时给制冷、制热造成的影响，避免因负荷变化使制冷（或制热）过量或能力不足；

d、考虑到整个流程控制范围大、项点多、操作难度大等因素，整个系统应尽可能实行电气自动化控制和监测；

e、整套系统应充分考虑维护操作以及使用的安全性。

3.1 热电联供

在燃气发电站中采用热电联供装置，可在机组发出电力的同时，将燃气发动机排出的热量充分利用起来，用于冬季取暖以及日常洗浴等生活之用。设计时应考虑的因素包括热水量的调节、热水系统的压力、热水系统与热源设备的配套连接、多余热水部分的旁通及紧急情况下热水的切断等。

采用这种方式时，生活用洗浴热水取自发动机冷却水热交换器，这部分水的温度一般在40～50℃，完全能够满足使用要求；生活区取暖用热水取自排气部分，燃气发动机的排气温度一般在450～550℃，加热后的热水温度可达到80～110℃（压力在0.2MPa左右），这样可以保证取暖所需的热量（工艺流程见图1）。

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图1 热电联供工艺流程图

3.2 发电与制冷、制热三联供

另外一种余热利用的方式是在满足机组发电的同时，利用冷却水及排气的热量进行制冷和制热，即冷、热、电三联供。供热我们仍然采用3.1所述方案，而制冷部分我们可使用较成熟的吸收式溴化锂制冷机，其结构由高发部分和主体部分组成（工艺流程见图2）。

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图2 冷、热、电三联供工艺流程示意图

这个综合利用方案，考虑到四季变化的因素，在春秋二季很可能不用制冷取暖的功能，因此排气余热须直接排入大气，因此在机组排气出口处加装一自动温度控制阀，以决定机组排气的走向。同时保留生活洗浴，并在夏季利用冷却塔的水调配。在该方案中，生活区洗浴等生活热水仍然由发动机冷却循环水加热；在生活区制冷、取暖方面，将发动机排气余热夏季通过热水型溴化锂制冷机提供制冷，冬季通过烟气热交换器制热，制冷高发器与烟气热交换器可并联设置。采用此方案，燃气发电站提高了自我供应能力、设备利用系数和燃料热效率。

4、应用技术

目前燃气发动机的综合利用主要是热电、冷电两联供方面。其主要特点是采用了高效实用的热管余热换热器充分利用排气余热，用于制冷或供热，并能对发动机、制冷机、冷热水管线，燃气管线等的运行参数进行跟踪和远程监控，做到实时调节系统运行参数，降低了操作者的劳动强度，提高了系统运行的稳定性。

5、结束语

对于石油行业来说，采油作业中最大的一部分成本就是耗电费用。利用天然气发电大幅度降低了工矿企业的用电费用，充分利用了排空的天然气或其他可燃性气体，变废为宝，节约了能源，消灭了天然气排空时的燃烧火炬，同时节约了排空天然气的燃烧费用。因此，利用天然气发电取代网电和供电线路的建设，可直接降低油田的采油、采气和集输成本。因此，利用天然气发电机组建成发电站进行发电，是各单位创造高额经济效益的最佳选择。

同时，将燃气发电机组的余热加以利用，可显著提高机组运行的经济效益，在发电上网的同时，减少了生活用热水的能源消耗，减少了锅炉加热及空调制冷设备的配置及维护保养，方便了电站的管理，也提高了燃气发电站的自我供应能力、设备利用系数和燃料热效率。

五、沼气发电利国利民

某公司在生产过程中可产生8000--9000Nm3/ 天的沼气，沼气中CH4含量为61.2%，沼气的热值约为21.MJ/Nm3(5040.07Kcal/Nm3)，利用沼气进行发电，既节能环保，又能创造很好的经济效益。

沼气经过燃烧发电过程以后，对环境的危害减少，其次是缓解电力资源短缺。目前我国存在较大范围的电力短缺，沼气发电可以在一定程度上弥补当地电力不足，缓解电力短缺的局面。

沼气的主要成分有甲烷，甲烷是一种仅次于二氧化碳，占第二位的重要产生温室效应的气体，其温室效应作用比二氧化碳大几十倍。沼气中的甲烷还能破坏臭氧层，具有与氟利昂类似的危害。而温室效应、臭氧层减薄、酸雨是当今世界上影响大气质量的三大问题，沼气排放的危害就占两项。可见对沼气的综合利用也是环境保护的需要。如果不加以利用，沼气排放将对环境造成污染。

符合国家能源政策

国家经贸委、财政部、国家税务总局1996年8月9日下发的《关于进一步开展资源综合利用的意见》、国务院国发〈（1996）36号〉《国务院批转国家经贸委等部门关于进一步开展资源综合利用意见的通知》、国家经贸委资源节约综合利用司1996年12月《关于“关于进一步开展资源综合利用的意见”若干主要问题的说明》、国务院1996年8月3日《国务院关于环境保护若干问题的决定》等文件中均明确指出，对生产过程中产生的废渣、废水（液）、废气、余热、余压等进行回收和合理利用，支持资源综合利用电厂生产电力。单机容量0.5～12MW范围内的发电机组符合并网条件，电力部门都应允许并网，签定并网协议，免交上网配套费，并在核定的上网电量内优先购买，不参加电网调峰。

国家经贸委1999年4月26日下发的《关于关停小火电机组有关问题的意见》中也明确指出，对于综合利用的小火电机组，不在关停范围内。国家有关部门和电网企业要按照国家对综合利用的有关政策继续给予支持。

2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过《中华人民共和国可再生能源法》更是对可再生能源的利用明确给予各种支持。

以上可以得出结论：

1、发电是节约能源、资源、降低企业成本、解决沼气排放对环境污染的一种行之有效的节能方式，利国利民。

2、增加企业效益由于沼气是副产品，所以成本较低，电力上网出售可以为企业带来新的经济效益。

建站方案参考

某公司生产的内燃式燃气发电机组，热效率为32%~40%。以CH4含量为60%沼气为例，1Nm3该沼气可以发电1.7kW.h，利用8000--9000Nm3/天的沼气发电可以建立500kW容量的电站,推荐选用1台500GF-RZ型燃气发电机组建立沼气发电站，电站发出的电力400V,可并入公司内部低压电网并网运行。

建站投资效益分析

建站投资预算合计：128.00万元

1、发电设备：1台500GF-RZ型燃气发电机组 108万元/台×1台= 108.00万元（含高低温热交换器、发动机、发电机、底盘、控制屏、控制线、随机配件备件等）

2、电站配套部分：循环冷却系统（循环水泵、冷却水塔、冷却水管线、阀门等）、输配电系统（电缆、低压隔离柜等）、土木建筑部分（简易机房、控制室、休息室、冷却水池、机组基础等）等，以上部分约占发电设备总值的15%。15.00万元

3．余热回收系统： 5.00万元

（1）电站年发电量（机组年运行时间320天，

（2）机组持续功率450kW

      450 kW /台×1台×24小时/天×320天=345.60万kW.h

（3）电站年运行成本（不包括燃气成本）合计： 16.70万元

a、 人员工资：电站安排3人，

b、 每人每年工资2万

c、 年共计6万

d、 机油费用：机油消耗率按0.0015kg/kW.h，

e、 机油单价按8元/kg

   307.2万kW.h×0.0015kg/kW.h×8元/kg=3.70万元

f、 配件维修费用：每台机组每年配件消耗及维修费用5万

g、1台×5万

h、 管理费用：2万

（1）年发电收入（电价0.45元/kW.h）

345.6万kW.h×0.45元/kW.h=155.52万

（2）年净收益=年发电收入-年运行成本=155.52万元-16.70万元=138.82万元

电站总投资约1年时间就能全部收回，经济效益非常显著。

机组及建站特点

1、 发电效率高，

2、 通常在32-40%。

3、 使用场合灵活，

4、 可方便的并机或并网，

5、 机组群还可根据实际负载的需要，

6、 灵活方便地调节发电输出。

7、 调峰性能好，

8、 启停方便快捷。

9、 机组自成体系，

10、 辅助设备少，

11、 自耗电少。

12、 建站周期短，

13、 见效快。

14、 机组主重要控制部分部件如调速器、火花塞等，

15、 均采用世界最先进的进口部件，

16、 保证了机组的先进性和可靠性。

17、 机组的燃气进气管路，

18、 汽缸及活塞均采用渗瓷防腐蚀技术。

19、 机组的各种保护系统齐全。

500GF-RZ沼气发电机组废气余热利用

若将机组排出的尾气余热进行回收利用，那样综合效益会更加显著。机组尾气温度为500-550℃。

1、设计目的

目前燃料的能量只有约35%被发电机组转化为电能，约有30%随废气排出，25%被发动机冷却水带走，通过机身散发等其它损失约占10%左右，废气和换热器损失的功率比有用功还多。

为利用500GF-RZ沼气燃气发电机组废气余热，用于烘干物料等场合，达到节约能源，变废为热目的。

2、设计中的有关数据计算：

沼气在空气中完全燃烧公式：

CH4+2O2+8N22H2O+CO2+8N2

沼气在空气中不完全燃烧公式：

2CH4+3O2+12N24H2O+2CO+12N2

500GF-RZ燃气发电机组利用沼气（甲烷含量为60%）发电，运行功率为450kW，排烟温度为525℃左右，通过余热回收装置后排出烟气温度控制在160℃左右，沼气完全燃烧时沼气和空气的体积比为1：7，（按1Nm3沼气发1.5kW.h计算）

1台500GF-RZ机组的1小时耗气总量为：400／1.5×（l＋7）=2130Nm3/h。

平均重量按1.25kg/m3计算，总重为：2130 m3×1.25 kg/m3=2663kg

排烟的比热容按烟道气体计算（烟道气体的成分 CO2：13% H2O：11% N2：76%，在100℃～600℃的平均定压比热容为0.27kcal／kg·℃）

可利用排烟余热为：

（525－160）℃×0.27kcal／kg·℃×2663kg＝26.2万kcal／h（304kW）

注：沼气实际在缸内燃烧不完全，产生一定量的一氧化碳，并在排气管中继续燃烧；实际烟气排出的热能比计算值要多。

冷却循环水

1台500GF-RZ沼气发电机组：

高温循环水量40 m3/h；进水温度55-70℃； 出水温度65-75℃

低温循环水量30m3 /h；进水温度30-40 ℃；出水温度35-45℃

总结：利用专业的沼气内燃机组发电技术成熟使用灵活，能量电转化率高。较之燃气轮机组发电，投资小，用人少，建站周期短，经济效益高，具有明显的优势。