瓦斯發電機組余熱綜合利用技術研究

劉 樂，趙 武，張治倉，盧陽鑫，巫志華，王蒲偉

(1.航天推進技術研究院，陜西 西安 710100；2.陜西新泰能源有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤層氣(煤礦瓦斯)是賦存于煤層及煤系地層的烴類氣體，屬于非常規天然氣，主要成分是優質清潔能源甲烷，其熱值是通用煤的2～5倍，1 m3純煤層氣熱值相當于1.13 kg汽油、1.21 kg標準煤。煤層氣(煤礦瓦斯)易燃易爆，極易造成較大規模的煤礦事故，同時也是主要的溫室氣體，其溫室效應約為二氧化碳的21倍。因此，國家高度重視煤層氣(煤礦瓦斯)的開發利用以及事故防治工作。加快煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用，對保障煤礦安全生產、增加清潔能源供應、減少溫室氣體排放具有重要意義。

近年來，煤層氣的開發利用受到了不同產煤大國的重視，各國均進行了積極的勘探實驗[1]。隨著我國能源結構調整步伐加快，煤層氣(煤礦瓦斯)產業發展機遇與挑戰并存，國家及地方陸續出臺了關于煤層氣(煤礦瓦斯)開采利用相關政策，支持和鼓勵企業加快煤層產業持續、健康、快速發展。國家能源局出臺的《煤層氣(煤礦瓦斯)開發利用“十三五”規劃》明確指出，煤層氣的開發需堅持創新、協調、綠色、開放、共享發展5個原則，實現到2020年，煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量達到240億m3，煤礦瓦斯發電容量280萬kW，事故死亡人數比2015年下降15%以上，為構建低碳清潔、安全高效的現代能源體系做出貢獻。

1 存在的問題

據統計，我國煤層氣(煤礦瓦斯)開發潛力巨大，但存在開采難度大，產業區域發展不均衡的問題。而且煤層氣(煤礦瓦斯)產業處于初級階段，規模小，市場競爭力弱，煤層氣(煤礦瓦斯)的利用方式單一，利用熱效率低，造成熱島型環境污染，缺少高附加值產品輸出[1]。目前煤層氣(煤礦瓦斯)利用方式以發電、供熱或產生熱水為主，生產液化天然氣等化工產品及民用產品較少[2]。近年來，很多學者對煤層氣(煤礦瓦斯)發電進行了研究，趙玉龍等[3]從我國煤層氣資源的特點及分布出發，對煤層氣發電的工藝流程、節能成果及經濟效益等進行分析，提出煤層氣發電是其綜合利用最有經濟、社會和環保效益的途徑。謝曉東等[4]指出，現有煤層氣(煤礦瓦斯)發電主要采用燃氣機組，在發電過程中，只有約35%的燃料能量通過發電機組轉化為電能，剩余65%的能量浪費，其中隨廢氣排出熱量約為30%，被冷卻水帶走熱量約為25%，通過機身散發等其它損失占10%左右。整個系統綜合熱效率較低，大部分熱源以煙氣、冷卻水的形式排放到環境中。不僅造成能源浪費，同時給環境帶來了污染。在能源日漸匱乏、環境要求越來越高的前提下，如何提高煤層氣的煙氣余熱利用率具有非常重要的意義[5-6]。

很多學者對瓦斯余熱利用進行了研究，楊永強等[7]以鶴壁六礦瓦斯余熱利用為例，以余熱供暖為例，分析了余熱利用的經濟性，并探討了瓦斯發電機組煙氣余熱利用的發展方向。楊飛[8]將余熱鍋爐熱量與缸套冷卻水熱量引入工業現場，解決進風井筒冬季防凍問題以及職工洗浴問題，實現資源的綜合利用。楊衛華等人[9]對瓦斯發電機組余熱進行了計算，并對余熱利用蒸汽輸送管道選型做出了指導，對工程應用具有一定的意義。聞其有[10]提出了煙氣余熱供暖、供熱、制冷的方案。劉海林等人[11]通過在冷卻系統安裝板式換熱器，回收大量熱量，實現礦區洗浴與供暖。文中在前人研究的基礎上，以應用實例為基礎，從煙氣余熱供熱供暖、制冷、梯級發電等幾個方面，進一步探討余熱綜合利用方式。

2 綜合利用設計方案

在瓦斯發電過程中，有2部分能量嚴重浪費，一是高溫煙氣直接排空的熱量，二是缸套水耗散的熱量[12]。以陜西某煤層氣公司實際運行參數為例，目前共24臺瓦斯燃氣發電機組對井下抽采的煤礦瓦斯進行利用，單機功率為500 kW。瓦斯燃氣機組的煙氣排煙溫度高達550 ℃，目前煙氣直接排入大氣，造成極大的浪費。初步計算，1臺500 kW的發電機組，煙氣流量約為2 250 m3/h，假設煙氣溫度從550 ℃降到170 ℃，煙氣余熱參數見表1，則24臺發電機組煙氣余熱可利用的熱量Q1為

表1 煙氣余熱參數

Q1=nC1M1ρ1(T11-T12)=28 984 mJ/h

燃氣發電機組運行過程中，根據實測數據，冷卻水進水溫度約60～65 ℃，回水溫度約65～75 ℃，每臺循環水泵流量約30～50 m3/h，取進水溫度62 ℃，回水溫度70 ℃，每臺循環水泵流量40 m3/h，缸套水參數見表2，則24臺發電機組缸套水余熱可利用的熱量Q2為

表2 缸套水余熱參數

Q2=nC2M2ρ2(T21-T22)=32 256 mJ/h

由此可見，在瓦斯發電機組發電的過程中，煙氣余熱以及缸套水的熱量比較可觀。為了實現煙氣和缸套水余熱回收，提高資源利用率，文中提供了如下幾種解決方案。

2.1 缸套水供應生活熱水

一般情況下，礦區處于偏遠地區，礦區生活熱水通過蒸汽鍋爐提供，成本較高?？赏ㄟ^水-水板式換熱器對缸套水熱量進行回收，為礦區提供生活熱水，工藝流程如圖1所示。其中，溫度為20 ℃的冷水，經過板式換熱器吸收熱量，產生溫度為50 ℃的熱水，直接作為洗浴熱水供給礦區使用。經計算，通過換熱器可提供50 ℃的熱水量M3為

圖1 缸套水供應生活熱水工藝流程

式中，T31，T32分別為冷熱水溫度，℃。每天可提供50 ℃的熱水量為6 144 m3。

2.2 煙氣余熱供暖

由于環境空氣質量的要求，燃煤取暖受到限制，用電取暖成本又過高，對于沒有集中供暖系統的礦區，可采用煙氣換熱器對余熱進行回收，實現礦區供暖?？赏ㄟ^在瓦斯發電機組煙氣出口增加一套煙氣換熱器，將75 ℃的冷水經過煙氣換熱器吸收熱量，產生85 ℃左右的熱水，進入供暖系統，從而解決礦區供暖難的問題。工藝流程圖如圖2所示。

圖2 煙氣余熱供暖工藝流程

假設煙氣換熱器換熱效率η1為90%，可提供的煙氣熱量為

Q4=η1Q1=0.9×28 984=26 086 mJ/h

每平方米取暖所需熱量A為250 kJ/(m2·h)，供暖管網效率η2為90%，則余熱回收的熱量可供暖的面積為

η2Q4/A=0.9×26 086/250=93 909 m2

2.3 煙氣余熱制冷

煙氣余熱可用于溴化鋰吸收式制冷，煙氣通過余熱鍋爐，產生過熱或飽和蒸汽，加熱發生器里的溴化鋰溶液，溶液中水不斷汽化，溴化鋰溶液濃度增加，進入吸收器，水蒸汽進入冷凝器，成為高壓低溫的液態水，進入蒸發器吸收熱量汽化，達到連續降溫制冷的目的，工藝流程如圖3所示。

圖3 煙氣余熱制冷工藝流程

煙氣通過余熱鍋爐，產生溫度為150 ℃的飽和蒸汽，飽和蒸汽加熱溴化鋰溶液，煙氣余熱鍋爐熱效率為90%，以市場占有率較高的江蘇雙良溴化鋰機組為例，機組能效比一般為1.1～1.3，取為1.2。制取的冷量為28 984×0.9×1.2=31 303 mJ/h。

2.4 余熱梯級利用

若礦區對供熱或者制冷的需求不大且瓦斯開采量較大時，可通過小型汽輪機結合有機朗肯循環(ORC)發電機組進行余熱梯級發電。煙氣通過余熱鍋爐產生過熱蒸汽，過熱蒸汽驅動背壓式汽輪機做功，帶動同步或異步發電機發電，回收一部分能量。同時，由于背壓式汽輪機排汽溫度較高，一般大于150 ℃，該部分熱量可以通過有機朗肯循環(ORC)發電機組進行熱量的二次利用。可為礦區提供日常用電，也可發電上網，有效避免余熱浪費，創造了經濟效益。該技術方案的主要設備為余熱鍋爐、汽輪發電機組、ORC發電機組，工藝流程圖如圖4所示。

圖4 煙氣余熱梯級利用發電工藝流程

以航天推進技術研究院某梯級利用示范項目為例，煙氣通過余熱鍋爐，產生2.5 MPa、400 ℃的過熱蒸汽，經過汽輪機與有機朗肯循環(ORC)發電機組進行二次發電，機組實際運行熱效率為11%，余熱鍋爐熱效率取90%，一年按照7 200 h計，則年發電量為28 984×0.9×0.1×7 200×0.277 8=5.22×106kW·h，年節約標煤約2 109 t，減少CO2排放約5 525 t。

3 結論

(1)瓦斯發電機組發電，煙氣余熱以及缸套水的熱量比較可觀，采用煙氣換熱器對余熱進行回收，通過在瓦斯發電機組煙氣出口增加一套煙氣換熱器，從而解決礦區供暖難的問題，提高資源利用率。

(2)瓦斯發電除了為礦區提供日常用電，多余的電可用來上網，有效避免余熱浪費，減少CO2排放，創造可觀的經濟效益和社會效益。