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(zhì)量安全環(huán)保處）

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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(zhì)量安全環(huán)保處）

針對(duì)目前的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱回收再利用問題，冀東油田油氣處理廠對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收利用技術(shù)進(jìn)行了研究，分析比較了幾種主要的余熱回收應(yīng)用方式，根據(jù)實(shí)際情況選出比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的回收方式，對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱回收利用的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性進(jìn)行探討。通過實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱進(jìn)行回收利用可收到顯著的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī) 廢氣余熱回收 節(jié)能

近年來，隨著對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、能源利用和環(huán)境保護(hù)認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深，天然氣作為清潔能源被普遍利用，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)在各行業(yè)的使用量也大幅增加；然而，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣余熱幾乎和有用功率相當(dāng)，這是一個(gè)巨大的能源浪費(fèi)。據(jù)資料顯示，占燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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(fèi)掉。目前，隨著國內(nèi)能源供應(yīng)日益緊張，節(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱回收利用技術(shù)及應(yīng)用

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱回收利用技術(shù)是通過余熱回收設(shè)備將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣所含的熱量進(jìn)行回收，將其變?yōu)榭捎媚茉矗瑢?shí)現(xiàn)變廢為寶的一種手段，是提高能源利用率、降低生產(chǎn)成本、保護(hù)環(huán)境最直接、經(jīng)濟(jì)的渠道之一。雖然我國對(duì)廢氣余熱回收技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，但國內(nèi)也已經(jīng)有相當(dāng)多的企業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了廢氣余熱回收設(shè)備的研發(fā)，很多已在能源、化工等領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱回收利用技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用：

1）通過廢氣渦輪將能量輸出，從而提供動(dòng)力。主要是通過渦輪來帶動(dòng)其他設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。應(yīng)用較多的是通過增壓渦輪對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣進(jìn)行增壓，借助廢氣中的一部分能量來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力，以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少廢氣熱量的排放。目前，該技術(shù)在工業(yè)用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)以及在汽車上都已經(jīng)得到了應(yīng)用。

2）利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱進(jìn)行發(fā)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(dòng)汽輪機(jī)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；另一種方法是利用溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行發(fā)電。溫差發(fā)電是利用兩種連接起來 的 導(dǎo) 電 體 或 半 導(dǎo) 體 的 塞 貝 克 效 應(yīng) （Seebeck Effect）， 將 熱 能 轉(zhuǎn) 換 成 電 能 的 一 種 技 術(shù) 。 溫 差 發(fā) 電技術(shù)利用率較低，其能量轉(zhuǎn)換效率低，所用熱電轉(zhuǎn)換材料昂貴，成本極高。對(duì)內(nèi)燃機(jī)電站廢氣進(jìn)行溫差發(fā)電的研究表明，對(duì)于一個(gè)10MW的機(jī)組，排氣溫度為 370 ℃，煙氣流量 60000m3/h，采用 溫差 發(fā)電扣除掉維持系統(tǒng)自身運(yùn)行的冷卻水泵消耗功率后可 以 得 到 160kW 的 功 率 ， 轉(zhuǎn) 換 效 率 為 3.88%[1]。 溫差發(fā)電技術(shù)在國外有廣泛的研究，國內(nèi)研究不多，技術(shù)應(yīng)用不夠成熟，主要應(yīng)用于航天、軍事和遠(yuǎn)洋探索等領(lǐng)域。

3）利用發(fā)動(dòng)機(jī)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(huán)的動(dòng)力；吸附式制冷是利用某些物質(zhì)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(shí)現(xiàn)制冷。相比之下，吸收式制冷的熱利用率相對(duì)較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高；吸附式制冷結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，但熱利用率相對(duì)較低。

4）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱進(jìn)行回收，為其他介質(zhì)獲取所需熱源，主要是通過換熱設(shè)備將廢氣的余熱轉(zhuǎn)換成其他介質(zhì)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(yè)還可以對(duì)原油等工藝介質(zhì)進(jìn)行加熱。

2 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)由燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的天然氣壓縮機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣方式，運(yùn)行方式為兩用兩備。正常運(yùn)行時(shí)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣余熱，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上設(shè)計(jì)并安裝一套余熱回收裝置，為工作區(qū)域提供熱水。安裝余熱回收系統(tǒng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度明顯降低，在合理利用廢氣余熱的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

2.1廢氣余熱回收前的熱量

根據(jù)熱量計(jì)算公式可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)引擎所排放廢氣中的總熱量

如果用工業(yè)鍋爐來提供這些熱量，則需要1臺(tái)熱效率為 80%、熱負(fù)荷約為 62×104kcal/h 的工業(yè)鍋爐才能實(shí)現(xiàn)。

2.2回收廢氣余熱提供熱水

余熱回收系統(tǒng)利用換熱器對(duì)水加熱，產(chǎn)生的熱水供生產(chǎn)及生活使用。余熱回收系統(tǒng)主要由換熱器、調(diào)節(jié)閥門、儀表、輸水管線等組成，其主要流程如圖1所示。

圖1 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱回收系統(tǒng)簡圖

換熱器裝在廢氣渦輪后消聲器前的排氣管上，并設(shè)置換熱器旁通，旁通上安裝了一個(gè)調(diào)節(jié)閥，換熱器的出水溫度可以通過旁通閥來靈活調(diào)節(jié)，經(jīng)旁通閥調(diào)節(jié)后可實(shí)現(xiàn)以下3種工況：

1）調(diào)節(jié)閥全關(guān)，廢氣全部進(jìn)入換熱器，然后進(jìn)入消聲器排空。

2）調(diào)節(jié)閥部分開啟，部分廢氣進(jìn)入換熱器，另一部分走旁通，最后全部經(jīng)過消聲器排空。

3）調(diào)節(jié)閥全開，廢氣不經(jīng)換熱器直接進(jìn)入消聲器排空，換熱器不工作。

2.3實(shí)際可回收的熱量

當(dāng)旁通調(diào)節(jié)閥全關(guān)，廢氣全部通過換熱器時(shí)，進(jìn)水溫度為 20 ℃，出水溫度達(dá)到 90 ℃，經(jīng)換熱器換熱后的廢氣溫度約為200 ℃。

1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣熱量，每小時(shí)可提供的熱水量

目前，在2臺(tái)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下，余熱回 收系統(tǒng)可以提供 90 ℃ 熱水 量為 9.6m3/h，這些熱水全部 作 為 工 業(yè)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(tái)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的可回收利用廢氣熱量折算成天然氣鍋爐產(chǎn)生的熱量，燃?xì)忮仩t的熱效率按80% ，天然氣的 熱 值 按 8500kcal/m3計(jì) 算，則回收的熱量相當(dāng)于每月節(jié)省天然氣：

天然氣的價(jià)格按 2 元/m3計(jì)算，若不計(jì)成本，相當(dāng)于每月節(jié)約費(fèi)用 14.2 萬元?？梢?，對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣余熱進(jìn)行回收能帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

通過對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱進(jìn)行回收，一方面可以減少廢氣熱量的排放，達(dá)到節(jié)能減排的目的，對(duì)環(huán)境起到保護(hù)作用；另一方面，還能為生產(chǎn)生活提供熱源，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 推廣應(yīng)用

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱除了可回收用為生產(chǎn)生活提供熱水外，還可為生產(chǎn)工藝的用熱環(huán)節(jié)供熱，如對(duì)導(dǎo)熱油、原油等介質(zhì)進(jìn)行加熱，從而減輕加熱爐的運(yùn)行負(fù)荷，節(jié)約燃料。

以加熱合成導(dǎo)熱油為例，用1臺(tái)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣余熱將流量為 20m3/h、溫度為 160 ℃的導(dǎo)熱油進(jìn) 行 加 熱 ， 合 成 導(dǎo) 熱 油 的 密 度 1005kg/m3， 比 熱2.55kJ/（kg·℃）， 則 根據(jù)公式 （3）可 算出升高的溫度為 27℃，可以代替1臺(tái)小型鍋爐。

另外，在使用發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的地方，如CNG加氣站、海上人工島、海上作業(yè)平臺(tái)等都可以將廢氣余熱進(jìn)行回收，用作生活熱源或工業(yè)熱源。

5 結(jié)論

1）利用余熱回收系統(tǒng)對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱進(jìn)行合理的回收利用從而為生產(chǎn)、生活所用，在技術(shù)上是可行的，并可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行合理利用。

2）對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱進(jìn)行回收利用，能創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能達(dá)到節(jié)能減排的目的，起到保護(hù)環(huán)境的作用。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣余熱回收利用技術(shù)的推廣應(yīng)用范圍廣闊。

[1]張騰,張征.溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用[J].能源技術(shù), 2009,30(1):35-39.

[2]蔡慶安.利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱蒸餾淡化海水[J].節(jié)能技術(shù),2007(3):250-252.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.017

2012-09-05）

陳鍵材，2007年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，從事設(shè)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。