低浓度瓦斯发电机组尾气的余热回收再利用

1、低浓度瓦斯发电机组尾气的余热回收再利用介绍

对于低浓度瓦斯发电机组，瓦斯产生的能量只有30%—35%被转化为电能，约有30%—35%随高温尾气排出，约20%—25%被发动机自身冷却系统带走，约10%以机身散热和阻力等想事损耗。瓦斯发电机组余热利用就是通过专用设备将机组排出的高温尾气和冷却系统带走的热量回收，再输送到需要热源的车间或居民小区。例如，国内广泛使用的500KW低浓度瓦斯发电机组，其产生的高温尾气热量经热管空预器回收后，可向企业车间供热风，或在冬季向煤矿风井巷道供热风防止冻井；如果向办公室、居民小区或浴室供热，可加装热管换热器（热管省煤器），每台换热器可产生90℃以上的热水近4吨/小时，解决4000m2以上建筑面积采暖或中型浴池洗浴。

低浓度瓦斯发电机组产生的尾气只要成分是CO2，温度在550℃左右，通常情况下，每台机组（500KW）产生的烟气流量在2130Nm3/h以上。随着瓦斯资源的深度开发，充分利用能源，合理利用瓦斯发电机组尾气余热是大势所趋。

1.1、低浓度瓦斯发电机组余热回收的工作原理

在低浓度瓦斯发电机组排气系统安装热管余热回收装置，即热管空预器（热风利用）或热管换热器（热水利用）或热管蒸发器（低压饱和蒸汽利用），通过热动力循环设备（即大功率风机或热水利用管道循环泵或蒸汽管道）将低温交换介质（空气或者软化水）送到余热回收装置，经加热的低温交换介质变成热源直接或者再次交换后输送给终端客户使用。低浓度瓦斯发电机组余热回收利用流程如下图所示。

流程图如下：

1.2、低浓度瓦斯发电机组余热回收的主要用途

余热回收的方式根据各个企业所需要的热源不同有空气置换余热、软化水置换余热产生热水以及软化水置换余热产生蒸汽三种。余热回收后的主要用途有以下几种：

（1）煤矿巷道暖井（风井供热风）：在北方的冬季，煤矿风井巷道都需要热风炉暖井。把低浓度瓦斯发电机组产生的高温尾气经过热管空预器，将冷空气加热，可以得到高温热风通过烟道与风井处得热管空预器再次换热后的热空气送入风井，从而降低井下热风炉的热量输出，节约电能。风井处流程如下图所示：

冬季工况下：阀门12、21开启，11、22关闭;同时，42、51开启，41、52关闭。矿井回风顺着回风风道1引至第三主风道03，并以一定的风速横向掠过换热器的蒸发段。液池中的工作液体受热蒸发，蒸汽在压力差作用下向上流入热管较冷的冷凝段，放出汽化潜热;回风放出汽化潜热后温度降低，沿着第四主风道04进入排风风道4，最终排至大气或作为其它方式的热源继续使用;室外的冷空气顺着新风管道5到达第二主风道02，吸收汽化潜热，达到预热目的;加热后的空气温度升高到规定温度以上，沿着第一主风道01进入进风风道2，最终送入井筒内;冷凝后的工作液体在重力的作用下，回流到蒸发段的液池当中。

夏季工况下：阀门11、22开启， 12、21关闭;同时，41、52开启， 42、51关闭。新风温度较高，蕴含大量低温热能;相反，回风侧温度较低，可吸收新风的热量以达到冷却新风的目的。工作原理与冬季相似，在此不再赘述。

（2）烘干、采暖和洗浴用热源：

企业生产工艺中的烘干、采暖和洗浴常年需要热源。在发电机组烟道出口加装一台热管换热器（热管省煤器），通过热水循环泵几个低温水送到热管换热器，经过热交换的软化水为热源（90℃以上）供给企业生产使用，冷却后的软化水在返回热管换热器，如此往复循环。

（3）余热制冷：目前广泛采用溴化锂吸收式制冷。用热管蒸发器吸收低浓度瓦斯发电机组余热回收的热量。

（4）余热发电：通过多台瓦斯发电机组尾气的余热回收，安装热管蒸发器，产生的饱和蒸汽并往后拖动汽轮机组进行二次发电，发电后的冷凝水亦可制冷或者供暖，给企业带来可观的经济效益。

2、低浓度瓦斯发电机组余热回收的应用

2.1、生产车间利用发电机组余热烘干、采暖和洗浴

某发电公司30台500kw低浓度瓦斯发电机组，烟道出口各加装热管换热器及热管空预器，为企业的烘干室、办公楼和职工洗浴提供热源，为职工营造了舒适的工作和休息环境。同时，每年节约各种支出400多万元，节支降耗显著。

2.2、煤矿利用发电机组尾气余热向风井送热风暖井

（1）该公司在12台500KW瓦斯发电机组烟道出口各安装一套热管空预器，每台瓦斯发电机组的烟气流量为2130Nm3/h，可加热的冷空气流量为30000Nm3/h，空气流通阻力小于500Pa，采用两台大功率（45kw）风机，将空气集中加压送入热管换热器中，热交换后的空气通过保温管道和涵洞输送到煤矿进风井进入井下暖井。

（2）为了防止瓦斯发电机组尾气泄漏进入井下和井下有害气体反送，在热管空预器热风出口处设计了单向止逆电动风门，并安装了温度、流量、有害气体传感器等输送监控联动系统，发生瓦斯发电机组尾气泄漏和井下有害气体反送时，单向止逆电动风门将自动关闭，热风机断电跳闸关闭。

（3）安装后的效果：在冬季零下22℃时，进入风井的热风流量为24000Nm3/h，入井初始热风温度62℃，完全达到热风设计要求。

2.3、利用瓦斯发电机组尾气余热产生饱和蒸汽供生产工艺使用或者进行余热发电

以2台500kW瓦斯发电机组余热为例，安装热管蒸发器，可以得到压力为0.5MPa压力的饱和蒸汽0.75吨/小时。

3、低浓度瓦斯发电机组余热回收的经济分析

3.1、余热回收热量可供采暖的面积

500KW低浓度瓦斯发电机组烟道出口尾气温度一般在550℃，尾气流量2130Nm3/h，尾气密度ρ=1.293kg/Nm3，尾气比热C=0.257kcal/kg.℃，经热管换热器换热后尾气温度降至150℃；

瓦斯发电机组尾气由550℃降至150℃时，释放的热量Q为：

Q=CM（T2-T1）=0.257×1.293×2130（550-150）=2.83×105kcal/h

热管换热器换热效率按照η=95%计算，则每台瓦斯发电机组可回收热量为：

Q1=2.83×105×95%=268850kcal/h

余热回收利用后，单台机组可供热的建筑面积为（单位面积所需热量按60kcal/m2）：

268850÷60=4480m2

500KW瓦斯发电机组的热回收利用后，每年可节约燃煤数量为：

12×30×24×268850×0.6/（5000×40%）=696859kg=697吨

每年每台机组可节约的燃煤收益：

697×400=278800元=27.88万元

3.2、余热回收热量可供洗浴的水量

二次处理后的煤矿矿井水质量完全可以满足职工浴池的洗浴需要，矿井水平均温度在20℃左右，通过热管换热器（热管省煤器）加热后的水温最低可以达到50℃以上，通过管道泵向浴池输送，即洗浴水温提30℃。

则单台发电机组每小时可供50℃以上的矿井水量为：Q1/A2=9m3

则单台机组每天可供50℃以上矿井水量为：24×9=216m3

3.3、经济效益分析

3.3.1单台机组余热回收利用同燃煤锅炉相比较

单台机组余热回收热量折算成煤炭，每年可节约煤炭量697吨，以原煤平均价格400元/吨计算，可节约资金约27.88万元。

3.3.2投资计算（以常见的4台机组为基础计算）

4台500KW机组各配套一台热管换热器，交钥匙工程约100万元左右。则投资回收期为：

100÷（27.88×4）=0.9年，即9个月即可收回全部投资。

4、结论

通过对某企业低浓度瓦斯发电机组尾气采用热管余热回收器的形式的应用，说明尾气余热回收项目投资少、见效快，经济效益、环保和社会综合效益显著。