燃氣發動機廢氣余熱的回收利用

陳 鍵 材 謝 作 旺 郭 景芳蔣晶晶 張麗 萍

（1.冀東油田油氣集輸公司；2.冀東油田質量安全環保處）

燃氣發動機廢氣余熱的回收利用

陳 鍵 材1謝 作 旺1郭 景芳2蔣晶晶1張麗 萍1

（1.冀東油田油氣集輸公司；2.冀東油田質量安全環保處）

針對目前的燃氣發動機廢氣余熱回收再利用問題，冀東油田油氣處理廠對燃氣發動機余熱回收利用技術進行了研究，分析比較了幾種主要的余熱回收應用方式，根據實際情況選出比較經濟實用的回收方式，對燃氣發動機廢氣余熱回收利用的經濟性和實用性進行探討。通過實踐應用，對燃氣發動機廢氣余熱進行回收利用可收到顯著的經濟效益，達到了節能減排的目的。

燃氣發動機 廢氣余熱回收 節能

近年來，隨著對經濟效益、能源利用和環境保護認識的進一步加深，天然氣作為清潔能源被普遍利用，燃氣發動機在各行業的使用量也大幅增加；然而，燃氣發動機排放的廢氣余熱幾乎和有用功率相當，這是一個巨大的能源浪費。據資料顯示，占燃氣發動機燃料近55%熱值的廢氣余熱和冷卻水余熱資源基本上被白白浪費掉。目前，隨著國內能源供應日益緊張，節能降耗、提高能源利用率越來越被重視，廢氣余熱回收利用是一種必然趨勢。

1 發動機廢氣余熱回收利用技術及應用

燃氣發動機廢氣余熱回收利用技術是通過余熱回收設備將發動機尾氣所含的熱量進行回收，將其變為可用能源，實現變廢為寶的一種手段，是提高能源利用率、降低生產成本、保護環境最直接、經濟的渠道之一。雖然我國對廢氣余熱回收技術的研究起步相對較晚，但國內也已經有相當多的企業機構進行了廢氣余熱回收設備的研發，很多已在能源、化工等領域進行了實踐應用。

目前，發動機廢氣余熱回收利用技術主要有以下幾種應用：

1）通過廢氣渦輪將能量輸出，從而提供動力。主要是通過渦輪來帶動其他設備，從而實現能量的轉移。應用較多的是通過增壓渦輪對發動機的進氣進行增壓，借助廢氣中的一部分能量來提高發動機的進氣壓力，以改善發動機的動力性和經濟性，同時減少廢氣熱量的排放。目前，該技術在工業用活塞發動機以及在汽車上都已經得到了應用。

2）利用發動機廢氣余熱進行發電。一種方法是利用廢氣余熱將水加熱成為高溫高壓蒸汽推動汽輪機做功，帶動發電機發電；另一種方法是利用溫差發電技術進行發電。溫差發電是利用兩種連接起來 的 導 電 體 或 半 導 體 的 塞 貝 克 效 應 （Seebeck Effect）， 將 熱 能 轉 換 成 電 能 的 一 種 技 術 。 溫 差 發 電技術利用率較低，其能量轉換效率低，所用熱電轉換材料昂貴，成本極高。對內燃機電站廢氣進行溫差發電的研究表明，對于一個10MW的機組，排氣溫度為 370 ℃，煙氣流量 60000m3/h，采用 溫差 發電扣除掉維持系統自身運行的冷卻水泵消耗功率后可 以 得 到 160kW 的 功 率 ， 轉 換 效 率 為 3.88%[1]。 溫差發電技術在國外有廣泛的研究，國內研究不多，技術應用不夠成熟，主要應用于航天、軍事和遠洋探索等領域。

3）利用發動機廢氣余熱制冷。主要有吸收式制冷和吸附式制冷兩種：吸收式制冷是利用廢氣余熱作為完成制冷循環的動力；吸附式制冷是利用某些物質在一定溫度、壓力下能吸附某種氣體或水蒸氣，在另一種溫度及壓力下又能把它釋放出來的特性來實現制冷。相比之下，吸收式制冷的熱利用率相對較高，但結構復雜，造價高；吸附式制冷結構簡單，造價低，但熱利用率相對較低。

4）對發動機廢氣余熱進行回收，為其他介質獲取所需熱源，主要是通過換熱設備將廢氣的余熱轉換成其他介質所需要的熱量，如目前利用率較高的獲取蒸汽、熱水等，以供生活用熱水、采暖等，在石油行業還可以對原油等工藝介質進行加熱。

2 燃氣發動機廢氣余熱的回收利用

冀東油田油氣集輸公司高尚堡油氣處理廠有4臺由燃氣發動機驅動的天然氣壓縮機，發動機額定功率為 858kW，額定排量約為95L，燃料氣為天然氣，采用廢氣渦輪增壓的進氣方式，運行方式為兩用兩備。正常運行時單臺發動機的排氣量約為2400m3/h，渦輪后排氣溫度在 600 ℃左右。

為了充分利用燃氣發動機的廢氣余熱，在發動機排氣管上設計并安裝一套余熱回收裝置，為工作區域提供熱水。安裝余熱回收系統后，發動機的排氣溫度明顯降低，在合理利用廢氣余熱的同時，實現了節能減排的目的。

2.1廢氣余熱回收前的熱量

根據熱量計算公式可計算出發動機廢氣所含的總熱量

式中：

Qy——廢氣中的總熱量，kJ/h；

Vy——尾氣量，m3/h；

Cy——尾氣平均定壓比熱容，kJ/（m3·℃）；

Ty——尾氣溫度，℃。

1臺引擎所排放廢氣中的總熱量

如果用工業鍋爐來提供這些熱量，則需要1臺熱效率為 80%、熱負荷約為 62×104kcal/h 的工業鍋爐才能實現。

2.2回收廢氣余熱提供熱水

余熱回收系統利用換熱器對水加熱，產生的熱水供生產及生活使用。余熱回收系統主要由換熱器、調節閥門、儀表、輸水管線等組成，其主要流程如圖1所示。

圖1 燃氣發動機廢氣余熱回收系統簡圖

換熱器裝在廢氣渦輪后消聲器前的排氣管上，并設置換熱器旁通，旁通上安裝了一個調節閥，換熱器的出水溫度可以通過旁通閥來靈活調節，經旁通閥調節后可實現以下3種工況：

1）調節閥全關，廢氣全部進入換熱器，然后進入消聲器排空。

2）調節閥部分開啟，部分廢氣進入換熱器，另一部分走旁通，最后全部經過消聲器排空。

3）調節閥全開，廢氣不經換熱器直接進入消聲器排空，換熱器不工作。

2.3實際可回收的熱量

當旁通調節閥全關，廢氣全部通過換熱器時，進水溫度為 20 ℃，出水溫度達到 90 ℃，經換熱器換熱后的廢氣溫度約為200 ℃。

1臺發動機可回收的最大廢氣熱量

因此，廢氣總熱量的 70%左右得到了回收利用，利用率較高。

2.4可供熱水量

回收1臺發動機的廢氣熱量，每小時可提供的熱水量

目前，在2臺燃氣發動機同時運行狀態下，余熱回 收系統可以提供 90 ℃ 熱水 量為 9.6m3/h，這些熱水全部 作 為 工 業生活用 水 。 如 果按每人 0.5m3/d的耗水量估算，可供近500人的日常使用。

3 效益分析

將2臺燃氣發動機的可回收利用廢氣熱量折算成天然氣鍋爐產生的熱量，燃氣鍋爐的熱效率按80% ，天然氣的 熱 值 按 8500kcal/m3計 算，則回收的熱量相當于每月節省天然氣：

天然氣的價格按 2 元/m3計算，若不計成本，相當于每月節約費用 14.2 萬元。可見，對燃氣發動機的廢氣余熱進行回收能帶來顯著的經濟效益。

通過對燃氣發動機廢氣余熱進行回收，一方面可以減少廢氣熱量的排放，達到節能減排的目的，對環境起到保護作用；另一方面，還能為生產生活提供熱源，創造顯著的經濟效益。

4 推廣應用

燃氣發動機廢氣余熱除了可回收用為生產生活提供熱水外，還可為生產工藝的用熱環節供熱，如對導熱油、原油等介質進行加熱，從而減輕加熱爐的運行負荷，節約燃料。

以加熱合成導熱油為例，用1臺燃氣發動機的廢氣余熱將流量為 20m3/h、溫度為 160 ℃的導熱油進 行 加 熱 ， 合 成 導 熱 油 的 密 度 1005kg/m3， 比 熱2.55kJ/（kg·℃）， 則 根據公式 （3）可 算出升高的溫度為 27℃，可以代替1臺小型鍋爐。

另外，在使用發動機作為動力源的地方，如CNG加氣站、海上人工島、海上作業平臺等都可以將廢氣余熱進行回收，用作生活熱源或工業熱源。

5 結論

1）利用余熱回收系統對燃氣發動機廢氣余熱進行合理的回收利用從而為生產、生活所用，在技術上是可行的，并可根據實際需要進行合理利用。

2）對燃氣發動機廢氣余熱進行回收利用，能創造較大的經濟效益，同時能達到節能減排的目的，起到保護環境的作用。

3）發動機廢氣余熱回收利用技術的推廣應用范圍廣闊。

[1]張騰,張征.溫差發電技術及其一些應用[J].能源技術, 2009,30(1):35-39.

[2]蔡慶安.利用發動機尾氣余熱蒸餾淡化海水[J].節能技術,2007(3):250-252.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.017

2012-09-05）

陳鍵材，2007年畢業于西安石油大學，從事設備管理 工 作 ， E-mail： cjc_09@126.com， 地 址： 河 北 省 唐山 市 唐 海縣 冀東油田油氣集輸公司，063200。