太陽能－沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)

裴曉梅，石惠嫻，朱洪光，龍惟定

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，上海200092；3.同濟(jì)大學(xué) 中德工程學(xué)院，上海200092）

中高溫厭氧發(fā)酵是一種高度依賴溫度的污水處理過程［1－3］.限制高溫厭氧發(fā)酵工程應(yīng)用的因素是維持高溫厭氧發(fā)酵環(huán)境在溫度55℃的條件下，相對(duì)中溫發(fā)酵（35℃）需要輸入更多的熱量.因此，推動(dòng)高溫厭氧發(fā)酵工程化的首要任務(wù)是探索出一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能的加溫系統(tǒng)［4－5］.

目前沼氣池加溫方式有很多，試驗(yàn)分析比較證明地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保［6］，但由于地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)由土壤可提供較為穩(wěn)定的但溫度較低的低位熱源，適用于中溫發(fā)酵，不適用于全年都需要加熱的高溫發(fā)酵系統(tǒng).另外地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)需要打地埋井及鋪設(shè)地埋管，在不同地區(qū)會(huì)受地質(zhì)水質(zhì)局限.因此，提出太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)，用來解決單獨(dú)的沼液余熱回收式熱泵加溫系統(tǒng)提供的能量不足的問題與單獨(dú)的太陽能加溫系統(tǒng)在陰雨天、冬天不能滿足沼氣池加溫要求的問題.同時(shí)用以解決不適合打地埋井及采取地源熱泵式沼氣池加溫地區(qū)的沼氣工程冬季不產(chǎn)氣及加溫問題.系統(tǒng)采用余熱回收循環(huán)加溫技術(shù)可以充分利用熱量，解決熱污染問題.

1 太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)的構(gòu)建

在同濟(jì)大學(xué)嘉定生態(tài)園構(gòu)建了太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng).發(fā)酵池、熱泵和余熱水箱等布置在地面上，太陽能集熱器布置在兩層實(shí)驗(yàn)樓屋頂上.主要設(shè)備發(fā)酵池體為圓柱形，內(nèi)部尺寸定為（2.76×2.52m（直徑×高度），池壁和池底為厚5mm的碳鋼，有效體積V＝15m3；在池底采用厚度為50mm的PE板保溫，在池壁采用厚度為50 mm的擠塑聚苯乙烯泡沫（XPS）板保溫隔熱.發(fā)酵池頂部覆蓋專用沼氣頂膜，覆蓋面為7m2.在發(fā)酵池一側(cè)壁距池底高0.5m處安裝一臺(tái)攪拌機(jī)，在發(fā)酵池另一側(cè)距頂0.7m處安裝一臺(tái)攪拌機(jī)；攪拌機(jī)的參數(shù)是：額定功率2.5kw，額定工作頻率是50Hz，轉(zhuǎn)速740r·min－1.

圖1中加溫系統(tǒng)主要包括四個(gè)子系統(tǒng)，太陽能集熱系統(tǒng)中待加熱低溫水從蓄熱水箱的出口流出，經(jīng)過循環(huán)泵后，進(jìn)入樓頂?shù)奶柲苷婵展芗療崞鳎诩療崞骼锉患訜岷笤倭骰氐叫顭崴洚?dāng)中；太陽能低位熱源系統(tǒng)由蓄熱水箱、板式換熱器、板換循環(huán)泵、熱泵低位熱源水泵組成；沼液余熱回收系統(tǒng)包括沼液余熱回收池、螺旋管換熱器和熱泵低位熱源水泵.每天從發(fā)酵池里溢流出來的沼液直接流進(jìn)余熱回收池中，在余熱回收池中將熱量傳遞給熱泵蒸發(fā)器環(huán)路中的工質(zhì)，作為熱泵的低位熱源；熱泵加熱系統(tǒng)由一個(gè)熱泵機(jī)組、一臺(tái)熱泵高位熱源水泵以及發(fā)酵池內(nèi)加熱盤管組成.

圖1 太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)Fig.1 Heating system of high temperature biogas digester by solar energy and methane liquid heat recovery heat pump

2 太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)理論計(jì)算及設(shè)備選型

太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)主要設(shè)備選型，首先要進(jìn)行高溫厭氧發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷的理論計(jì)算、太陽能集熱器集熱面積、沼液余熱回收池的計(jì)算選型及高溫?zé)岜脵C(jī)組的選型.

2.1 高溫厭氧發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷理論計(jì)算及確定

在某一室外溫度下，為達(dá)到發(fā)酵池內(nèi)要求的溫度，加熱系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)需向發(fā)酵池提供的熱量為發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷.發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷受環(huán)境條件、進(jìn)料溫度、太陽輻射強(qiáng)度、發(fā)酵池外維護(hù)結(jié)構(gòu)、進(jìn)料量、生物熱擾、攪拌熱等眾多因素的影響.

發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷主要由三部分構(gòu)成：發(fā)酵池外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱耗散引起的熱負(fù)荷；進(jìn)出物料熱負(fù)荷；沼氣帶走的熱量以及攪拌和生物熱負(fù)荷.忽略沼氣帶走的少量熱量以及發(fā)酵產(chǎn)生的少量生物熱［7］，集中供氣工程每天所需的熱負(fù)荷主要由發(fā)酵池向環(huán)境的散熱量和加熱進(jìn)料所需熱量組成.

其中，發(fā)酵池散熱量QS計(jì)算公式為

式中：kl為池壁單位高度傳熱系數(shù)；l為圓柱體的高度；kc為池頂單位面積傳熱系數(shù)；Ac為池頂表面積；kf為池底單位面積傳熱系數(shù)；Af為池頂表面積；t1為高溫發(fā)酵池內(nèi)溫度，取55℃；t2為外界環(huán)境溫度；t3為定深度土壤溫度；

式中：Rl為單位長度池壁總的熱阻；α1、α2分別為發(fā)酵池內(nèi)壁與沼液、外壁與大氣的對(duì)流換熱系數(shù)；λ1、λ2分別為發(fā)酵池壁和保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)；d1、d2、d3分別為圓柱體內(nèi)徑、池體外徑和加保溫層的外徑.

加熱進(jìn)料所需熱量由添加的物料升溫所需的熱量和補(bǔ)償回流過程損失的熱量組成，其計(jì)算公式為

式中：Q為所需的加熱量；Q1為新添加物料升溫所需的熱量；Q2為補(bǔ)償回流過程損失的熱量；CP為投糞料液的比熱；m1為進(jìn)料量，kg·h－1；m2為回流沼液量，kg·h－1；T1為進(jìn)料溫度，T2為回流沼液溫度，保證池內(nèi)53℃的發(fā)酵溫度，回流液有一定的熱量損失，假定回流溫度20℃；tm為發(fā)酵池內(nèi)水溫，53℃；

式中：Ts為料液含固率，量綱為一.

本實(shí)驗(yàn)選擇餐廚垃圾作為厭氧發(fā)酵原料，原料來自同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)食堂，取原料含水率80%，總固體含量TS 20%.設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間20d，則每天的進(jìn)料量是750kg，其中稀釋的上清液為375kg.根據(jù)上海市嘉定區(qū)不同月份氣溫條件和進(jìn)料溫度，由上述傳熱學(xué)公式計(jì)算系統(tǒng)日平均負(fù)荷如表1.

表1 不同月系統(tǒng)的日平均負(fù)荷Tab.1 Average daily heat load at different months

2.2 太陽能集熱器集熱面積的計(jì)算

擬采用強(qiáng)制循環(huán)加熱系統(tǒng)，太陽能集熱面積的計(jì)算公式為

式中：Ac為太陽能集熱面積；Qc為太陽能熱水系統(tǒng)的熱負(fù)荷；JT為傾斜輻射量，即傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葧r(shí)，傾斜表面平均日太陽總輻射量；f為太陽能保證率，量綱為一；η為集熱機(jī)日平均集熱效率，量綱為一；ηL為管路及熱水箱的熱損失率，量綱為一，一般取0.2～0.3.

當(dāng)集熱器的方位角偏于正南和傾角不等于當(dāng)?shù)鼐暥葧r(shí)，集熱器面積為

式中：Ab為補(bǔ)償后的集熱面積；R為補(bǔ)償比.

本系統(tǒng)采用真空管集熱器，日平均集熱效率為50%；方位角0°（朝向正南），偏重于冬季使用，傾角取40°，查文獻(xiàn)補(bǔ)償比為99%［8］；管路及及熱水箱的熱損失率取0.2.由式（5）和式（6）得出不同月份太陽能保證率為100%的集熱器面積如表2，從表2可以看出最大太陽能集熱面積為20.1m2.

系統(tǒng)每天需要太陽能提供的熱量為：

式中：C為熱泵機(jī)組的制熱系數(shù)，量綱為一.

根據(jù)式（6）和式（7），計(jì)算需要太陽能24.84MJ·d－1.

表2 太陽能保證率為100%的集熱器面積Tab.2 Solar collector area when guaranteed rate is 100%

2.3 中高溫?zé)岜脵C(jī)組選型

熱泵機(jī)組選擇額定制熱量為0.6kW的水—水式熱泵機(jī)組，系統(tǒng)每天需要的加熱時(shí)間如表3所示：

表3 熱泵在各個(gè)月份平均每天工作的時(shí)間Tab.3 the everyday avenue working time of the heat pump in each month

熱泵機(jī)組的型號(hào)和發(fā)酵池的最大熱負(fù)荷、冬夏季負(fù)荷特點(diǎn)、進(jìn)料負(fù)荷所占的比例以及由于進(jìn)料引起的溫度波動(dòng)和需要加熱時(shí)間有關(guān).

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果可知，熱泵機(jī)組應(yīng)參照1月份、4月份和7月份熱負(fù)荷選型.各月份料液負(fù)荷占總熱負(fù)荷的比例分別是69.3%、71.8%和77.4%，理想情況下進(jìn)料會(huì)使厭氧發(fā)酵池內(nèi)部溫度下降約2.33℃、2.07℃和1.80℃；理論上越短的時(shí)間使料液達(dá)到設(shè)計(jì)溫度越好，綜合考慮到熱泵機(jī)組以及輔助熱水泵等設(shè)備的初投資與運(yùn)行費(fèi)用，以及保持高溫發(fā)酵穩(wěn)定性，加熱時(shí)間是應(yīng)在1－3h內(nèi).實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加溫料液需要3h，計(jì)算熱泵機(jī)組的制熱功率是10.1～13.5kW.

目前，市場(chǎng)上額定制熱功率為10.6kW的小型中高溫?zé)岜卯a(chǎn)品比較容易獲得，因此選擇制冷劑為R134，額定輸入功率為2.52kW，額定制熱功率為10.6kW的高溫?zé)岜脵C(jī)組.

2.4 太陽能熱泵沼液余熱回收系統(tǒng)計(jì)算

厭氧消化液余熱回收量是指理想換熱狀態(tài)下一定的時(shí)間內(nèi)，通過余熱回收盤管從沼液中回收的熱量.沼液的余熱回收率是指相同的時(shí)間段內(nèi)，回收的沼液與熱量與高溫厭氧發(fā)酵池內(nèi)所需要熱量的比值，計(jì)算系統(tǒng)的余熱回收率約為60%.

發(fā)酵池內(nèi)加熱盤管、太陽能蓄熱盤管以及沼液余熱回收盤管的傳熱過程均是管內(nèi)受迫對(duì)流換熱和管外自然對(duì)流傳熱，根據(jù)傳熱學(xué)理論，管內(nèi)受迫對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式可以表達(dá)為：

式中：Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；λp為管材導(dǎo)熱系數(shù)；d1為管外徑；C和n是由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，其值的大小主要與流態(tài)和管子的放置方式有關(guān).圓管水平放置C和n的取值：CrP＝10－2～102時(shí)，C＝1.02，n＝0.148；GrP＝102～104時(shí)，C＝0.85，n＝0.188；GrP＝104～107時(shí)，C＝0.48，n＝0.25；時(shí)，C＝0.125，n＝1／3.

單位管長的換熱系數(shù)為：

式中：αw為污水側(cè)換熱系數(shù)；αs為管內(nèi)水側(cè)換熱系數(shù)；RW為管外側(cè)污垢熱阻；Ri為管內(nèi)側(cè)污垢熱阻；λp為管材導(dǎo)熱系數(shù)；

換熱盤管換熱量

式中：L為污水換熱器盤管的長度；Δt為污水換熱盤管內(nèi)外介質(zhì)的傳熱溫差.

發(fā)酵池內(nèi)加熱盤管采用壁厚2mm、外徑20mm的PE－RT管，太陽能蓄熱盤管和沼液余熱回收盤管采用壁厚2mm外徑32mm不銹鋼304管，根據(jù)公式（15）計(jì)算得單位長度換熱量分別為70w和270 w，相應(yīng)的換熱器盤管長度分別為120m、10m、30m.

經(jīng)計(jì)算分析：太陽能—沼液余熱回收式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)能夠保證發(fā)酵池溫度50±2℃，沼液余熱回收量可以達(dá)到系統(tǒng)總需要熱量的70%，是一種節(jié)能、環(huán)保、可行的高溫發(fā)酵加溫系統(tǒng).經(jīng)過實(shí)際測(cè)試初步結(jié)果，在上海十月份的天氣下，進(jìn)口水溫為20℃左右的前提下，可以將高溫?zé)岜贸隹谶M(jìn)入沼氣池的溫度提升到60℃左右，當(dāng)它為發(fā)酵池提供熱量時(shí)，可以使發(fā)酵池升高到50±2℃左右，理論和實(shí)際初步測(cè)試表明該系統(tǒng)運(yùn)行可行.

3 太陽能—沼液余熱高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)工藝原理及特點(diǎn)

高溫?zé)岜檬抢酶鞣N低位熱源進(jìn)行供熱制冷的新型能源利用技術(shù)，通過卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)原理轉(zhuǎn)移冷量和熱量.本系統(tǒng)為滿足冬季沼氣池高溫發(fā)酵溫度的要求，將太陽能集熱器采集的熱量蓄積在蓄熱水箱中和沼液余熱回收熱量蓄存在沼液余熱回收池中，作為高溫?zé)岜玫牡蜏責(zé)嵩?，?shí)現(xiàn)了以太陽能和沼液余熱作為熱泵加溫的低位熱源.在需要加溫時(shí)，把太陽能和沼液余熱回收的熱量與循環(huán)水進(jìn)行熱交換，使循環(huán)水溫度提高，再通過對(duì)高溫?zé)岜幂斎肷倭康母咂肺浑娔?，?shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移，進(jìn)而使得太陽能沼液余熱回收熱泵機(jī)組出水溫度達(dá)60℃左右，熱水在熱盤管中，以輻射和對(duì)流的方式與發(fā)酵原料進(jìn)行熱交換，使沼氣池溫度保持在高溫發(fā)酵范圍內(nèi).

太陽能—沼液余熱高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)采用溫差法自動(dòng)控制.太陽能集熱器聯(lián)集箱末端和沼液余熱回收池中溫差大于5℃時(shí)，集熱器加熱循環(huán)泵開啟，當(dāng)二者的溫差小于2℃時(shí)集熱器加熱循環(huán)泵停止.運(yùn)行時(shí)，高溫厭氧發(fā)酵池加溫系統(tǒng)特點(diǎn)有3種加溫模式，對(duì)應(yīng)3個(gè)加溫環(huán)路.

（1）太陽能直接加溫模式：當(dāng)高溫厭氧發(fā)酵池中的溫度低于50℃，且蓄熱水箱中的溫度大于60℃，系統(tǒng)按照太陽能直接加溫模式運(yùn)行；當(dāng)高溫厭氧發(fā)酵池中溫度高于50℃或蓄熱水箱中的的溫度低于60℃時(shí)，該加溫模式停止運(yùn)行；加溫環(huán)路為蓄熱水箱出口－高溫厭氧發(fā)酵池盤管換熱器—蓄熱水箱入口.

（2）太陽能低位熱源—熱泵加熱模式：當(dāng)高溫厭氧發(fā)酵池中的溫度低于50℃，蓄熱水箱中的溫度在50～60℃時(shí)，或蓄熱水箱中的溫度小于50℃且大于沼液余熱回收池內(nèi)溫度時(shí)，采用太陽能－熱泵加熱模式（太陽能為低位熱源）；當(dāng)高溫厭氧發(fā)酵池中的溫度高于50℃，或蓄熱水箱中的溫度小于沼液余熱回收池內(nèi)所測(cè)溫度時(shí)，該加溫模式停止運(yùn)行；加溫回路為蓄熱水箱出口－高溫?zé)岜茫邷貐捬醢l(fā)酵池內(nèi)盤管換熱器－蓄熱水箱入口.

（3）太陽能—沼液余熱回收聯(lián)合式熱泵加溫模式，當(dāng)高溫厭氧發(fā)酵池中的溫度低于50℃，且蓄熱水箱中的溫度小于50℃且小于沼液余熱回收池內(nèi)溫度時(shí)，系統(tǒng)按照沼液余熱回收式熱泵加溫模式運(yùn)行；當(dāng)高溫厭氧發(fā)酵池中的溫度高于50℃，或者沼液余熱回收池中溫度小于25℃時(shí)，該加溫模式停止運(yùn)行.加溫回路為蓄熱水箱出口—沼液余熱回收池—高溫?zé)岜谩顭崴淙肟?

4 結(jié)語

針對(duì)高溫厭氧發(fā)酵高能耗和排放的沼液具有高熱流的特點(diǎn)，提出太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)，將沼液余熱回收和太陽能利用充分有效的結(jié)合起來，目的為高溫厭氧發(fā)酵提供一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的加溫方式.與地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)相比，取消了地埋井，降低了系統(tǒng)初投資，還擺脫了地源熱泵的局限，使其可以在巖石地質(zhì)或水質(zhì)條件較差的地域得以應(yīng)用，拓展了適用范圍，同時(shí)增加的余熱回收環(huán)路使系統(tǒng)能量利用更加充分，防止了熱污染，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.

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