生物燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量利用效率分析*

劉澤慶，王 星，張瑞娜，畢珠潔，吳長(zhǎng)淋

（上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200232）

·檢測(cè)與評(píng)價(jià)·

生物燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量利用效率分析*

劉澤慶，王 星，張瑞娜，畢珠潔，吳長(zhǎng)淋

（上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200232）

以某雞糞厭氧工程熱電聯(lián)產(chǎn)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)的熱電供給側(cè)和需求側(cè)進(jìn)行熱力分析。研究發(fā)現(xiàn)：厭氧工程所采用的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+余熱鍋爐系統(tǒng)供熱效率為44.4%，供電效率為36.6%，但是實(shí)際運(yùn)行中余熱鍋爐蒸汽和缸套水僅用來(lái)加熱物料及厭氧罐保溫，有大量的蒸汽和缸套水沒(méi)有得到有效利用，從需求側(cè)計(jì)算，熱效率僅為21.9%。建議使用余熱鍋爐蒸汽進(jìn)行二次發(fā)電，增加雞糞厭氧處理制取天然氣設(shè)備，提高熱力需求，進(jìn)而提高綜合熱電效率。

雞糞厭氧；熱電聯(lián)產(chǎn)；缸套水；厭氧罐

生物燃?xì)馑追Q沼氣，是一種發(fā)展很快的清潔可再生能源［1］。沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用沼氣作為燃料，驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)或者燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)產(chǎn)生電能，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，具有安全、環(huán)保等特點(diǎn)，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ姆植际侥茉矗?-3］。

針對(duì)我國(guó)目前多數(shù)生物燃?xì)夤こ虩犭娐?lián)供效率低、發(fā)電余熱利用率低等工程技術(shù)問(wèn)題和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟(jì)效益低、推廣度低等產(chǎn)業(yè)化發(fā)展障礙，筆者以某雞糞厭氧工程為例，研究系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化技術(shù)。通過(guò)對(duì)生物燃?xì)庵苽溥^(guò)程需能、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)熱和發(fā)酵系統(tǒng)余熱的供需平衡測(cè)算，研究生物燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)高溫?zé)煔?、缸套水等不同品相熱源的余熱回收利用技術(shù)，優(yōu)化能級(jí)匹配，滿足生物燃?xì)庵苽溥^(guò)程自熱平衡，形成氣、電、熱高效聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化配置技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物燃?xì)飧咧?、高效利用，提升生物燃?xì)夤こ叹C合效益。

1 項(xiàng)目背景及工藝簡(jiǎn)介

本研究對(duì)象為某雞糞厭氧工程，以冬季工況為例。沼氣項(xiàng)目能量利用如圖1所示。

圖1 沼氣項(xiàng)目能量利用示意

經(jīng)調(diào)研：雞糞348 t/d，產(chǎn)氣3.34×104m3/d，采用3臺(tái)1 068 kW發(fā)電機(jī)組。雞糞（20%TS，COD約1.0×105mg/L，總氮5 000 mg/L） 與沖洗污水（300 t/d）混合后先進(jìn)水解沉砂池，然后進(jìn)12個(gè)厭氧罐，固液分離后沼渣作為固態(tài)有機(jī)肥銷售，沼液進(jìn)入沼液池、再作為液態(tài)有機(jī)肥銷售。沼氣通過(guò)生物脫硫塔、雙膜干式貯氣柜、沼氣火炬、沼氣增壓風(fēng)機(jī)后，通過(guò)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。發(fā)電后煙氣（522℃）經(jīng)余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽（0.5 MPa，145℃）用于水解池直接加熱，尾氣180℃。內(nèi)燃機(jī)余熱產(chǎn)生的熱水（缸套水，85℃）用于厭氧罐保溫，換熱后水溫69℃。

2 發(fā)電系統(tǒng)缸套水用于厭氧發(fā)酵系統(tǒng)保溫的熱力學(xué)分析

2.1 罐體參數(shù)

該雞糞厭氧消化工程，共設(shè)置了12個(gè)厭氧罐，設(shè)備冬季工況下罐體基本信息如下：?jiǎn)蝹€(gè)厭氧罐增溫盤(pán)管表面積為600 m2，盤(pán)管材質(zhì)為UPVC；熱水循環(huán)流量為25m3/h，平均每天運(yùn)行5h，進(jìn)出水溫度為82℃、69℃。罐表面積1008m2，罐體內(nèi)壁材料為鍍鋅板，罐體內(nèi)壁厚為2.5～4.0 mm，罐體保溫材料為擠塑板（導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/（m·℃）），厚度為150 mm。罐體最外層為彩鋼瓦，厚度1 mm。罐內(nèi)物料TS約為4%；厭氧罐進(jìn)料溫度為33℃，冬季氣溫為-3℃。

2.2 熱平衡計(jì)算方法

罐體內(nèi)物料溫度較高（35～38℃），向周圍空氣對(duì)流散熱，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(jiǎn)化罐體對(duì)空氣散熱的計(jì)算，假設(shè)每次進(jìn)料能及時(shí)與罐內(nèi)原料混合，罐內(nèi)發(fā)酵物料的溫度均勻分布［4-5］。

2.2.1 罐體對(duì)空氣的散熱

由于罐體的直徑遠(yuǎn)大于壁厚，可以按無(wú)限大平壁模型計(jì)算換熱，平壁的兩側(cè)分別是攪拌流動(dòng)的發(fā)酵物料和流動(dòng)的空氣，從內(nèi)到外的傳熱過(guò)程依次是發(fā)酵物料與罐體內(nèi)壁的對(duì)流換熱，罐體及保溫材料內(nèi)的導(dǎo)熱，保溫材料外壁與環(huán)境空氣的對(duì)流換熱。其中傳熱方程為：

式中：Qe為罐體對(duì)空氣的換熱量，kW；k為換熱系數(shù)，kW/（m2·K）；A為換熱面積，包括罐體側(cè)壁及罐頂?shù)拿娣e，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(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)和外壁與空氣對(duì)流換熱系數(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

2.2.2 罐體從加熱帶的得熱

缸套水通過(guò)加熱帶向罐內(nèi)原料放熱，此換熱過(guò)程發(fā)酵物料與內(nèi)壁的換熱繼續(xù)視為大平板對(duì)流換熱，缸套水側(cè)換熱視為管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，傳熱方程為：

式中：Qh和Qh′分別為加熱帶向罐體內(nèi)原料的傳熱量和加熱帶通過(guò)保溫材料向空氣散熱量，kW；kh和kh′分別是加熱的換熱系數(shù)和散熱換熱系數(shù)，kW/（m2·K）；Ah為環(huán)繞罐體的加熱帶的換熱面積，m2；hw為水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，kW/（m2·K）；Δtm為平均溫差，℃；Δtmax和Δtmin為內(nèi)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(cè)的進(jìn)出口熱平衡方程：

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

先假設(shè)水側(cè)出口溫度，進(jìn)行試算，當(dāng)Qh+Qh′與Qw之差足夠小時(shí)，可認(rèn)為計(jì)算達(dá)到平衡。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

冬季氣溫較低，需要對(duì)冬季進(jìn)行熱力計(jì)算，假定為連續(xù)進(jìn)料，計(jì)算結(jié)果如表1所示。從發(fā)動(dòng)機(jī)余熱換熱器出來(lái)的高溫?zé)崴ǜ滋姿?通過(guò)加熱帶向罐內(nèi)物料放熱，缸套水帶入熱量78.5 kW，其中51.5 kW為罐體得熱，其余27 kW為加熱帶通過(guò)保溫材料對(duì)空氣的散熱。經(jīng)過(guò)計(jì)算水側(cè)出口溫度68.4℃，與反饋數(shù)據(jù)69℃較為接近，可以驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

表1 厭氧罐熱力計(jì)算

3 單臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組熱電效率

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，單臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+余熱鍋爐熱力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 單臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+余熱鍋爐熱力計(jì)算

經(jīng)過(guò)熱力計(jì)算，缸套水輸出熱量為559.9 kW，余熱鍋爐輸出蒸汽的熱量為736.3 kW，熱效率為44.4%，電效率為36.6%。

4 沼氣發(fā)電系統(tǒng)熱力分析

在熱力計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)整體熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析。該沼氣發(fā)電系統(tǒng)包括3臺(tái)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、3臺(tái)余熱鍋爐、12個(gè)厭氧罐、2個(gè)水解池。系統(tǒng)能量流動(dòng)如圖2所示。

缸套水總輸出熱量為1 677 kW，其中942 kW用于厭氧罐內(nèi)物料加熱及保溫，其余735 kW沒(méi)有得到有效利用，通過(guò)散熱器進(jìn)入到環(huán)境中。3臺(tái)余熱鍋爐如果同時(shí)開(kāi)啟，輸出蒸汽熱量為2 208 kW，而水解池只需要976 kW的熱量，所以在實(shí)際操作中余熱鍋爐為間歇式運(yùn)行。從供給側(cè)來(lái)講，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的供熱效率為44.4%，電效率為36.6%。但是從需求側(cè)分析，有大量的缸套水和余熱鍋爐蒸汽沒(méi)有得到很好地利用，熱能利用效率為21.9%。建議使用余熱鍋爐蒸汽進(jìn)行二次發(fā)電，增加雞糞厭氧處理制取天然氣設(shè)備，提高熱力需求，進(jìn)而提高綜合熱電效率。

圖2 沼氣項(xiàng)目能流示意

5 結(jié)論與建議

1）對(duì)系統(tǒng)的熱電供給側(cè)和需求側(cè)進(jìn)行熱力分析。研究發(fā)現(xiàn)厭氧工程所采用的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)+余熱鍋爐系統(tǒng)供熱效率為44.4%，供電效率為36.6%，但是實(shí)際運(yùn)行中余熱鍋爐蒸汽和缸套水僅用來(lái)加熱物料及厭氧罐保溫，有大量的蒸汽和缸套水沒(méi)有得到有效利用，從需求側(cè)計(jì)算，熱效率僅為21.9%。建議使用余熱鍋爐蒸汽進(jìn)行二次發(fā)電，增加雞糞厭氧處理制取天然氣設(shè)備，提高蒸汽和缸套水需求，進(jìn)而提高綜合熱電效率。

2）針對(duì)生物質(zhì)廢棄物厭氧系統(tǒng)進(jìn)料溫度隨季節(jié)變化大（5～20℃）、而厭氧發(fā)酵系統(tǒng)要求溫度較高（35～38℃）的工程實(shí)際情況，建議利用厭氧發(fā)酵沼液余熱加熱水解池預(yù)處理進(jìn)料，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的熱效率。

［1］Balat M.Global bio-fuel processing and production trends［J］. Energy Explor Exploit，2007，25（3）：195-218.

［2］張勝杰.基于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2013.

［3］樊峰鳴，杜金宇.中小型沼氣熱電冷聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用的探討［J］.陽(yáng)光能源，2010（1）：39-42.

［4］李超.嚴(yán)寒地區(qū)沼氣池保溫增溫優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林建筑大學(xué)，2015.

［5］馬飛，劉宇.沼氣發(fā)電站厭氧罐的熱平衡與調(diào)節(jié)［J］.電力與能源，2013，33（6）：584-586.

Energy Utilization Efficiency of Biogas Heat and Power Production System

Liu Zeqing，Wang Xing，Zhang Ruina，Bi Zhujie，Wu Changlin
（Shanghai Environmental Sanitary Engineering Design Institute Co.Ltd.，Shanghai 200232）

In terms of the chicken manure anaerobic project with heat and power production，the supply side and demand side were analyzed.The results showed that the system of gas engine combined with waste heat boiler，the heat-supply efficiency was 44.4%and the power-supply efficiency was 36.6%.However，the steam and jacket water were just applied for heating materials and insulation of anaerobic tank during actual operation.They were not utilized efficiently.The heat-supply efficiency wasonly 21.9%from the demand side.It wasrecommended that the waste heat boiler steam can be used for secondary power generation，the equipment ofchicken manure treatment for natural gasproduction should be added，the demand for heat should be developed，thusthe thermoelectric efficiency will be improved.

chicken manure anaerobic；heat and power production；jacket water，anaerobic tank

X705

A

1005-8206（2017）01-0036-04

劉澤慶（1988—），工程師，研究方向?yàn)楣腆w廢物處理及資源化。

E-mail：liuzeq@huanke.com.cn。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD24B01）；上海市國(guó)資委項(xiàng)目（2013019）

2016-05-16