瓦斯发电机组余热综合利用技术研究

刘 乐，赵 武，张治仓，卢阳鑫，巫志华，王蒲伟

(1.航天推进技术研究院，陕西 西安 710100；2.陕西新泰能源有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

煤层气(煤矿瓦斯)是赋存于煤层及煤系地层的烃类气体，属于非常规天然气，主要成分是优质清洁能源甲烷，其热值是通用煤的2～5倍，1 m3纯煤层气热值相当于1.13 kg汽油、1.21 kg标准煤。煤层气(煤矿瓦斯)易燃易爆，极易造成较大规模的煤矿事故，同时也是主要的温室气体，其温室效应约为二氧化碳的21倍。因此，国家高度重视煤层气(煤矿瓦斯)的开发利用以及事故防治工作。加快煤层气(煤矿瓦斯)开发利用，对保障煤矿安全生产、增加清洁能源供应、减少温室气体排放具有重要意义。

近年来，煤层气的开发利用受到了不同产煤大国的重视，各国均进行了积极的勘探实验[1]。随着我国能源结构调整步伐加快，煤层气(煤矿瓦斯)产业发展机遇与挑战并存，国家及地方陆续出台了关于煤层气(煤矿瓦斯)开采利用相关政策，支持和鼓励企业加快煤层产业持续、健康、快速发展。国家能源局出台的《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十三五”规划》明确指出，煤层气的开发需坚持创新、协调、绿色、开放、共享发展5个原则，实现到2020年，煤层气(煤矿瓦斯)抽采量达到240亿m3，煤矿瓦斯发电容量280万kW，事故死亡人数比2015年下降15%以上，为构建低碳清洁、安全高效的现代能源体系做出贡献。

1 存在的问题

据统计，我国煤层气(煤矿瓦斯)开发潜力巨大，但存在开采难度大，产业区域发展不均衡的问题。而且煤层气(煤矿瓦斯)产业处于初级阶段，规模小，市场竞争力弱，煤层气(煤矿瓦斯)的利用方式单一，利用热效率低，造成热岛型环境污染，缺少高附加值产品输出[1]。目前煤层气(煤矿瓦斯)利用方式以发电、供热或产生热水为主，生产液化天然气等化工产品及民用产品较少[2]。近年来，很多学者对煤层气(煤矿瓦斯)发电进行了研究，赵玉龙等[3]从我国煤层气资源的特点及分布出发，对煤层气发电的工艺流程、节能成果及经济效益等进行分析，提出煤层气发电是其综合利用最有经济、社会和环保效益的途径。谢晓东等[4]指出，现有煤层气(煤矿瓦斯)发电主要采用燃气机组，在发电过程中，只有约35%的燃料能量通过发电机组转化为电能，剩余65%的能量浪费，其中随废气排出热量约为30%，被冷却水带走热量约为25%，通过机身散发等其它损失占10%左右。整个系统综合热效率较低，大部分热源以烟气、冷却水的形式排放到环境中。不仅造成能源浪费，同时给环境带来了污染。在能源日渐匮乏、环境要求越来越高的前提下，如何提高煤层气的烟气余热利用率具有非常重要的意义[5-6]。

很多学者对瓦斯余热利用进行了研究，杨永强等[7]以鹤壁六矿瓦斯余热利用为例，以余热供暖为例，分析了余热利用的经济性，并探讨了瓦斯发电机组烟气余热利用的发展方向。杨飞[8]将余热锅炉热量与缸套冷却水热量引入工业现场，解决进风井筒冬季防冻问题以及职工洗浴问题，实现资源的综合利用。杨卫华等人[9]对瓦斯发电机组余热进行了计算，并对余热利用蒸汽输送管道选型做出了指导，对工程应用具有一定的意义。闻其有[10]提出了烟气余热供暖、供热、制冷的方案。刘海林等人[11]通过在冷却系统安装板式换热器，回收大量热量，实现矿区洗浴与供暖。文中在前人研究的基础上，以应用实例为基础，从烟气余热供热供暖、制冷、梯级发电等几个方面，进一步探讨余热综合利用方式。

2 综合利用设计方案

在瓦斯发电过程中，有2部分能量严重浪费，一是高温烟气直接排空的热量，二是缸套水耗散的热量[12]。以陕西某煤层气公司实际运行参数为例，目前共24台瓦斯燃气发电机组对井下抽采的煤矿瓦斯进行利用，单机功率为500 kW。瓦斯燃气机组的烟气排烟温度高达550 ℃，目前烟气直接排入大气，造成极大的浪费。初步计算，1台500 kW的发电机组，烟气流量约为2 250 m3/h，假设烟气温度从550 ℃降到170 ℃，烟气余热参数见表1，则24台发电机组烟气余热可利用的热量Q1为

表1 烟气余热参数

Q1=nC1M1ρ1(T11-T12)=28 984 mJ/h

燃气发电机组运行过程中，根据实测数据，冷却水进水温度约60～65 ℃，回水温度约65～75 ℃，每台循环水泵流量约30～50 m3/h，取进水温度62 ℃，回水温度70 ℃，每台循环水泵流量40 m3/h，缸套水参数见表2，则24台发电机组缸套水余热可利用的热量Q2为

表2 缸套水余热参数

Q2=nC2M2ρ2(T21-T22)=32 256 mJ/h

由此可见，在瓦斯发电机组发电的过程中，烟气余热以及缸套水的热量比较可观。为了实现烟气和缸套水余热回收，提高资源利用率，文中提供了如下几种解决方案。

2.1 缸套水供应生活热水

一般情况下，矿区处于偏远地区，矿区生活热水通过蒸汽锅炉提供，成本较高。可通过水-水板式换热器对缸套水热量进行回收，为矿区提供生活热水，工艺流程如图1所示。其中，温度为20 ℃的冷水，经过板式换热器吸收热量，产生温度为50 ℃的热水，直接作为洗浴热水供给矿区使用。经计算，通过换热器可提供50 ℃的热水量M3为

图1 缸套水供应生活热水工艺流程

式中，T31，T32分别为冷热水温度，℃。每天可提供50 ℃的热水量为6 144 m3。

2.2 烟气余热供暖

由于环境空气质量的要求，燃煤取暖受到限制，用电取暖成本又过高，对于没有集中供暖系统的矿区，可采用烟气换热器对余热进行回收，实现矿区供暖。可通过在瓦斯发电机组烟气出口增加一套烟气换热器，将75 ℃的冷水经过烟气换热器吸收热量，产生85 ℃左右的热水，进入供暖系统，从而解决矿区供暖难的问题。工艺流程图如图2所示。

图2 烟气余热供暖工艺流程

假设烟气换热器换热效率η1为90%，可提供的烟气热量为

Q4=η1Q1=0.9×28 984=26 086 mJ/h

每平方米取暖所需热量A为250 kJ/(m2·h)，供暖管网效率η2为90%，则余热回收的热量可供暖的面积为

η2Q4/A=0.9×26 086/250=93 909 m2

2.3 烟气余热制冷

烟气余热可用于溴化锂吸收式制冷，烟气通过余热锅炉，产生过热或饱和蒸汽，加热发生器里的溴化锂溶液，溶液中水不断汽化，溴化锂溶液浓度增加，进入吸收器，水蒸汽进入冷凝器，成为高压低温的液态水，进入蒸发器吸收热量汽化，达到连续降温制冷的目的，工艺流程如图3所示。

图3 烟气余热制冷工艺流程

烟气通过余热锅炉，产生温度为150 ℃的饱和蒸汽，饱和蒸汽加热溴化锂溶液，烟气余热锅炉热效率为90%，以市场占有率较高的江苏双良溴化锂机组为例，机组能效比一般为1.1～1.3，取为1.2。制取的冷量为28 984×0.9×1.2=31 303 mJ/h。

2.4 余热梯级利用

若矿区对供热或者制冷的需求不大且瓦斯开采量较大时，可通过小型汽轮机结合有机朗肯循环(ORC)发电机组进行余热梯级发电。烟气通过余热锅炉产生过热蒸汽，过热蒸汽驱动背压式汽轮机做功，带动同步或异步发电机发电，回收一部分能量。同时，由于背压式汽轮机排汽温度较高，一般大于150 ℃，该部分热量可以通过有机朗肯循环(ORC)发电机组进行热量的二次利用。可为矿区提供日常用电，也可发电上网，有效避免余热浪费，创造了经济效益。该技术方案的主要设备为余热锅炉、汽轮发电机组、ORC发电机组，工艺流程图如图4所示。

图4 烟气余热梯级利用发电工艺流程

以航天推进技术研究院某梯级利用示范项目为例，烟气通过余热锅炉，产生2.5 MPa、400 ℃的过热蒸汽，经过汽轮机与有机朗肯循环(ORC)发电机组进行二次发电，机组实际运行热效率为11%，余热锅炉热效率取90%，一年按照7 200 h计，则年发电量为28 984×0.9×0.1×7 200×0.277 8=5.22×106kW·h，年节约标煤约2 109 t，减少CO2排放约5 525 t。

3 结论

(1)瓦斯发电机组发电，烟气余热以及缸套水的热量比较可观，采用烟气换热器对余热进行回收，通过在瓦斯发电机组烟气出口增加一套烟气换热器，从而解决矿区供暖难的问题，提高资源利用率。

(2)瓦斯发电除了为矿区提供日常用电，多余的电可用来上网，有效避免余热浪费，减少CO2排放，创造可观的经济效益和社会效益。