燃气发动机废气余热的回收利用

陈 键 材 谢 作 旺 郭 景芳蒋晶晶 张丽 萍

（1.冀东油田油气集输公司；2.冀东油田质量安全环保处）

燃气发动机废气余热的回收利用

陈 键 材1谢 作 旺1郭 景芳2蒋晶晶1张丽 萍1

（1.冀东油田油气集输公司；2.冀东油田质量安全环保处）

针对目前的燃气发动机废气余热回收再利用问题，冀东油田油气处理厂对燃气发动机余热回收利用技术进行了研究，分析比较了几种主要的余热回收应用方式，根据实际情况选出比较经济实用的回收方式，对燃气发动机废气余热回收利用的经济性和实用性进行探讨。通过实践应用，对燃气发动机废气余热进行回收利用可收到显著的经济效益，达到了节能减排的目的。

燃气发动机 废气余热回收 节能

近年来，随着对经济效益、能源利用和环境保护认识的进一步加深，天然气作为清洁能源被普遍利用，燃气发动机在各行业的使用量也大幅增加；然而，燃气发动机排放的废气余热几乎和有用功率相当，这是一个巨大的能源浪费。据资料显示，占燃气发动机燃料近55%热值的废气余热和冷却水余热资源基本上被白白浪费掉。目前，随着国内能源供应日益紧张，节能降耗、提高能源利用率越来越被重视，废气余热回收利用是一种必然趋势。

1 发动机废气余热回收利用技术及应用

燃气发动机废气余热回收利用技术是通过余热回收设备将发动机尾气所含的热量进行回收，将其变为可用能源，实现变废为宝的一种手段，是提高能源利用率、降低生产成本、保护环境最直接、经济的渠道之一。虽然我国对废气余热回收技术的研究起步相对较晚，但国内也已经有相当多的企业机构进行了废气余热回收设备的研发，很多已在能源、化工等领域进行了实践应用。

目前，发动机废气余热回收利用技术主要有以下几种应用：

1）通过废气涡轮将能量输出，从而提供动力。主要是通过涡轮来带动其他设备，从而实现能量的转移。应用较多的是通过增压涡轮对发动机的进气进行增压，借助废气中的一部分能量来提高发动机的进气压力，以改善发动机的动力性和经济性，同时减少废气热量的排放。目前，该技术在工业用活塞发动机以及在汽车上都已经得到了应用。

2）利用发动机废气余热进行发电。一种方法是利用废气余热将水加热成为高温高压蒸汽推动汽轮机做功，带动发电机发电；另一种方法是利用温差发电技术进行发电。温差发电是利用两种连接起来 的 导 电 体 或 半 导 体 的 塞 贝 克 效 应 （Seebeck Effect）， 将 热 能 转 换 成 电 能 的 一 种 技 术 。 温 差 发 电技术利用率较低，其能量转换效率低，所用热电转换材料昂贵，成本极高。对内燃机电站废气进行温差发电的研究表明，对于一个10MW的机组，排气温度为 370 ℃，烟气流量 60000m3/h，采用 温差 发电扣除掉维持系统自身运行的冷却水泵消耗功率后可 以 得 到 160kW 的 功 率 ， 转 换 效 率 为 3.88%[1]。 温差发电技术在国外有广泛的研究，国内研究不多，技术应用不够成熟，主要应用于航天、军事和远洋探索等领域。

3）利用发动机废气余热制冷。主要有吸收式制冷和吸附式制冷两种：吸收式制冷是利用废气余热作为完成制冷循环的动力；吸附式制冷是利用某些物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸气，在另一种温度及压力下又能把它释放出来的特性来实现制冷。相比之下，吸收式制冷的热利用率相对较高，但结构复杂，造价高；吸附式制冷结构简单，造价低，但热利用率相对较低。

4）对发动机废气余热进行回收，为其他介质获取所需热源，主要是通过换热设备将废气的余热转换成其他介质所需要的热量，如目前利用率较高的获取蒸汽、热水等，以供生活用热水、采暖等，在石油行业还可以对原油等工艺介质进行加热。

2 燃气发动机废气余热的回收利用

冀东油田油气集输公司高尚堡油气处理厂有4台由燃气发动机驱动的天然气压缩机，发动机额定功率为 858kW，额定排量约为95L，燃料气为天然气，采用废气涡轮增压的进气方式，运行方式为两用两备。正常运行时单台发动机的排气量约为2400m3/h，涡轮后排气温度在 600 ℃左右。

为了充分利用燃气发动机的废气余热，在发动机排气管上设计并安装一套余热回收装置，为工作区域提供热水。安装余热回收系统后，发动机的排气温度明显降低，在合理利用废气余热的同时，实现了节能减排的目的。

2.1废气余热回收前的热量

根据热量计算公式可计算出发动机废气所含的总热量

式中：

Qy——废气中的总热量，kJ/h；

Vy——尾气量，m3/h；

Cy——尾气平均定压比热容，kJ/（m3·℃）；

Ty——尾气温度，℃。

1台引擎所排放废气中的总热量

如果用工业锅炉来提供这些热量，则需要1台热效率为 80%、热负荷约为 62×104kcal/h 的工业锅炉才能实现。

2.2回收废气余热提供热水

余热回收系统利用换热器对水加热，产生的热水供生产及生活使用。余热回收系统主要由换热器、调节阀门、仪表、输水管线等组成，其主要流程如图1所示。

图1 燃气发动机废气余热回收系统简图

换热器装在废气涡轮后消声器前的排气管上，并设置换热器旁通，旁通上安装了一个调节阀，换热器的出水温度可以通过旁通阀来灵活调节，经旁通阀调节后可实现以下3种工况：

1）调节阀全关，废气全部进入换热器，然后进入消声器排空。

2）调节阀部分开启，部分废气进入换热器，另一部分走旁通，最后全部经过消声器排空。

3）调节阀全开，废气不经换热器直接进入消声器排空，换热器不工作。

2.3实际可回收的热量

当旁通调节阀全关，废气全部通过换热器时，进水温度为 20 ℃，出水温度达到 90 ℃，经换热器换热后的废气温度约为200 ℃。

1台发动机可回收的最大废气热量

因此，废气总热量的 70%左右得到了回收利用，利用率较高。

2.4可供热水量

回收1台发动机的废气热量，每小时可提供的热水量

目前，在2台燃气发动机同时运行状态下，余热回 收系统可以提供 90 ℃ 热水 量为 9.6m3/h，这些热水全部 作 为 工 业生活用 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

将2台燃气发动机的可回收利用废气热量折算成天然气锅炉产生的热量，燃气锅炉的热效率按80% ，天然气的 热 值 按 8500kcal/m3计 算，则回收的热量相当于每月节省天然气：

天然气的价格按 2 元/m3计算，若不计成本，相当于每月节约费用 14.2 万元。可见，对燃气发动机的废气余热进行回收能带来显著的经济效益。

通过对燃气发动机废气余热进行回收，一方面可以减少废气热量的排放，达到节能减排的目的，对环境起到保护作用；另一方面，还能为生产生活提供热源，创造显著的经济效益。

4 推广应用

燃气发动机废气余热除了可回收用为生产生活提供热水外，还可为生产工艺的用热环节供热，如对导热油、原油等介质进行加热，从而减轻加热炉的运行负荷，节约燃料。

以加热合成导热油为例，用1台燃气发动机的废气余热将流量为 20m3/h、温度为 160 ℃的导热油进 行 加 热 ， 合 成 导 热 油 的 密 度 1005kg/m3， 比 热2.55kJ/（kg·℃）， 则 根据公式 （3）可 算出升高的温度为 27℃，可以代替1台小型锅炉。

另外，在使用发动机作为动力源的地方，如CNG加气站、海上人工岛、海上作业平台等都可以将废气余热进行回收，用作生活热源或工业热源。

5 结论

1）利用余热回收系统对燃气发动机废气余热进行合理的回收利用从而为生产、生活所用，在技术上是可行的，并可根据实际需要进行合理利用。

2）对燃气发动机废气余热进行回收利用，能创造较大的经济效益，同时能达到节能减排的目的，起到保护环境的作用。

3）发动机废气余热回收利用技术的推广应用范围广阔。

[1]张腾,张征.温差发电技术及其一些应用[J].能源技术, 2009,30(1):35-39.

[2]蔡庆安.利用发动机尾气余热蒸馏淡化海水[J].节能技术,2007(3):250-252.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.017

2012-09-05）

陈键材，2007年毕业于西安石油大学，从事设备管理 工 作 ， E-mail： cjc_09@126.com， 地 址： 河 北 省 唐山 市 唐 海县 冀东油田油气集输公司，063200。