沼氣發(fā)電站厭氧罐的熱平衡與調節(jié)

馬 飛，劉 宇

（上海齊耀動力技術有限公司，上海 201203）

我國農村有著豐富的生物質原料，以生物質原料生產沼氣時我國“十二五”期間重點開發(fā)的新能源，可以解決農村的部分用能。沼氣發(fā)電技術采用大型沼氣池產生的沼氣作為燃料，驅動綜合發(fā)電裝置產生電能和熱能，具有節(jié)能、安全和環(huán)保等特點，并且有很好的經濟性，是一種很有發(fā)展?jié)摿Ψ植际侥茉?。沼氣發(fā)電站主要由厭氧消化裝置、發(fā)電裝置及輔熱裝置組成，生物質原料在厭氧消化池發(fā)酵時，為保證沼氣均勻持續(xù)地產生，需要一個溫度恒定的環(huán)境，而且當溫度處于最優(yōu)消化溫度范圍時，沼氣產生速率與產氣量均達到最大。因此，厭氧消化池的溫度平衡對整個發(fā)電站的運行有著至關重要的作用。本文將結合工程實例，對沼氣發(fā)電站厭氧罐的熱平衡進行計算，并分析熱平衡的調節(jié)方法。

1 工程實例

在實際沼氣發(fā)電站工程中，原料（鴨糞）先經過除砂、調漿，同時利用燃氣鍋爐產生的蒸氣在調漿池對進料進行初步加熱，然后進入厭氧消化池，產生的沼氣經過脫硫等一系列處理后，供給沼氣發(fā)動機燃燒發(fā)電，發(fā)動機余熱產生的熱水用來給厭氧消化池加熱。厭氧罐單罐容積2 000m3，厭氧罐整體外部15cm聚氨酯發(fā)泡保溫，通過環(huán)繞在罐體外的加熱帶進行加熱。單罐日進料量100t，進料濃度10%（鴨糞含量），共8個罐體。進料加熱在調漿池進行，每次400m3，加熱時間4h，再分別送到4個罐體。該項目的沼氣產量1000m3／h，采用兩臺發(fā)電機組，沼氣的總用量48m3／h，發(fā)電輸出功率為1 063kW×2，最大余熱量為572kW，可以輸出170℃蒸汽1.2t／h。厭氧罐最終的平衡溫度與季節(jié)有關，平衡溫度可以按春秋、夏、冬三個季節(jié)的典型環(huán)境溫度計算。

2 熱平衡計算

罐體向周圍空氣的對流換熱會損失一部分熱量，為了保持發(fā)酵溫度的穩(wěn)定，厭氧消化罐需要加熱。為了簡化罐體對空氣散熱的計算，假設罐內原料得到充分攪拌，每次進料能及時與罐內原料混合，罐內原料的溫度均勻分布。

2.1 罐體對空氣的散熱

由于罐體的直徑遠大于壁厚，可將其簡化視為無限大平壁，平壁的兩側分別是攪拌流動的原料和流動的空氣，從內到外的傳熱依次是原料與罐體內壁的對流換熱，罐體及保溫材料內的導熱，保溫材料外壁與空氣的對流換熱。其中傳熱方程為：

式中：k為換熱系數，kW／（m2·K）；A為換熱面積，包括罐體側壁及罐頂的面積，m2；tstf和tair分別為原料平均溫度、空氣平均溫度，℃；hstf和hair分別為原料與內壁對流換熱系數和外壁與空氣對流換熱系數，kW／（m2·K）；δc和δpu分別為罐體壁厚、保溫材料壁厚，m；λc和λpu分別為罐體材料和保溫材料的導熱系數，分別取75kW／（m·K）與0.03kW／（m·K）。

其中對流換熱系數hstf和hair可以通過努謝爾數得到：

努謝爾數根據流體外掠平板對流換熱公式求得：

式中：Nu為層流、湍流的平均努謝爾數；Re為流體雷諾數；Pr為普朗特數。

厭氧罐周圍環(huán)境空氣的計算溫度及風速取自《采暖通風與空氣調節(jié)室外氣象參數》，其他物性參數取自美國國家標準技術研究所（NIST）數據庫，見表1：

罐內原料的物性隨鴨糞含量、消化程序的不同而變化，為計算方便以水的物性參數代替，攪拌流動速度取0.1m／s。

2.2 罐體從加熱帶的得熱

從發(fā)動機余熱換熱器出來的高溫熱水通過加熱帶向罐內原料放熱，此換熱過程原料與內壁的換熱繼續(xù)視為大平板對流換熱，計算方程與散熱方程相同。熱水側換熱視為管內強制對流換熱，傳熱方程為：

式中：Qh和Qh′分別為加熱帶向罐體內原料的傳熱量和罐體通過保溫材料向空氣散熱量，kW。kHz和kh′分別是加熱的換熱系數和散熱換熱系數，kW／（m2·K）；Ah為環(huán)繞罐體的加熱帶的換熱面積，m2；hw為水側對流換熱系數，kW／（m2·K）；Δtm為平均溫差，℃；Δtmax和Δtmin為內外流體的最大溫差和最小溫差，℃。

由于該方程組為非封閉方程組而且未知量較多，所以必須添加水側的進出口熱平衡方程：

式中：Qw為水流帶入的熱量，kW；qw為進水流量，kg／h；cp為定壓比熱容，J／（g·K）；Δtw為進出口水溫差，℃。

先假設水側出口溫度，進行試算，當Qh＋Qh′與Qw之差足夠小時，可認為計算達到平衡。整個系統(tǒng)熱平衡計算過程為：

1）假設罐內原料溫度t0和水側出口溫度tw2，計算進料后混合原料的溫度t1；

2）根據定性溫度，計算換熱方程的各參數，如Re、Nu、h、k，得到換熱量Q；

3）根據Qh＋Qh′與Qw之差調整水側出口溫度tw2，直至兩者誤差在0.1%以內；

4）按Δtetf＝Qw／（mstf·Cstf）得到原料在一次進料周期內的溫升；

5）對比t0′＝t1＋Δtstf與假設溫度t0之間的誤差，調整t0，再次計算，直至兩者相對誤差在0.05%以內時，計算完成，認為此時系統(tǒng)熱量平衡。

表1 環(huán)境空氣的物性參數

2.3 罐內原料溫升

對全年不同季節(jié)進行計算，得到表1中的計算結果，其中夏季因環(huán)境溫度較高，熱水未對罐體進行加熱，即Qh＝0，全部得熱量由蒸汽氣加熱進料提供。

表2 厭氧罐熱平衡計算結果

可見在冬夏季，該沼氣發(fā)電站厭氧消化系統(tǒng)的熱平衡溫度在30～35℃之間，處于厭氧消化的最優(yōu)消化溫度范圍。其中典型季節(jié)冬季的系統(tǒng)能流圖如圖1所示，輸入的能源為原料鴨糞，產生的沼氣全部用于系統(tǒng)的沼氣發(fā)動機，最終輸出電能。過渡季因加熱量不變，而散熱量較少，厭氧消化溫度接近40℃，但并不會對厭氧消化產生過多不利的影響，而且整套系統(tǒng)的運行方式不變，從工程角度與運行控制角度，都是適合的運行策略。

圖1 沼氣發(fā)電站冬季能流圖

3 結語

根據以上計算過程也能方便地計算保持厭氧消化系統(tǒng)溫度穩(wěn)定時需要的熱水量，可以作為項目初期的設計計算方法，為沼氣發(fā)電站熱系統(tǒng)的設計與選型提供計算方法。