生物燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化*

劉澤慶，張瑞娜，劉帥，劉抒悅

（1.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海200232；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300381）

生物燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化*

劉澤慶1，張瑞娜1，劉帥2，劉抒悅1

（1.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海200232；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300381）

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)有大量的缸套水沒(méi)有得到有效利用，同時(shí)出料沼液溫度為36℃，可以用來(lái)加熱厭氧進(jìn)料，以實(shí)現(xiàn)熱量的梯級(jí)利用。通過(guò)系統(tǒng)方案優(yōu)化，增加了8個(gè)厭氧罐用于制取天然氣，增加利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)缸套水能量628 kW，有效地減少了無(wú)效散熱量。同時(shí)采用厭氧罐排出沼液加熱進(jìn)料技術(shù)，減少加熱蒸汽使用量（525 kW），有效地提高了廠區(qū)熱經(jīng)濟(jì)性。

雞糞厭氧；熱電聯(lián)產(chǎn)；缸套水；厭氧罐

生物燃?xì)馊紵螽a(chǎn)生的CO2被植物通過(guò)光合作用再生成植物有機(jī)體，又轉(zhuǎn)變?yōu)樯锶細(xì)獍l(fā)酵原料，因此生物燃?xì)馐且环N發(fā)展很快的清潔可再生能源［1］。生物燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用生物燃?xì)庾鳛槿剂?，?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］。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)庵苽洹⑷細(xì)獍l(fā)電、余熱鍋爐等系統(tǒng)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、出料沼液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。通過(guò)缸套水高效利用技術(shù)、厭氧罐排出沼液加熱進(jìn)料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物燃?xì)飧咧怠⒏咝Ю?，提升生物燃?xì)夤こ痰木C合效益。

1 工藝簡(jiǎn)介及系統(tǒng)熱力分析

本研究對(duì)象為某雞糞厭氧工程，以冬季工況為例。經(jīng)調(diào)研：348 t/d雞糞、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（0.5MPa，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℃。

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。經(jīng)過(guò)熱力計(jì)算［4-5］，系統(tǒng)能量流動(dòng)如圖1所示。缸套水總輸出熱量為1 677kW，其中942kW用于厭氧罐內(nèi)物料加熱及保溫，其余735kW沒(méi)有得到有效利用，通過(guò)散熱器進(jìn)入到環(huán)境中。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，有大量的缸套水沒(méi)有得到很好地利用，同時(shí)出料沼液溫度為36℃，可以用來(lái)加熱厭氧進(jìn)料，以實(shí)現(xiàn)熱量的梯級(jí)利用。擬通過(guò)在厭氧罐的進(jìn)出料之間增設(shè)換熱器，利用出料廢熱加熱進(jìn)料，減少蒸汽使用量。

圖1 沼氣項(xiàng)目能流

2 生物燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化研究

2.1 缸套水高效利用

由圖1可見(jiàn)，即便在冬季，發(fā)動(dòng)機(jī)缸套水仍有大量盈余?，F(xiàn)擬通過(guò)二期工程，增設(shè)厭氧罐，沼氣采用提純工藝制天然氣，厭氧罐采用一期工程的缸套水保溫，提升全廠的熱能利用效率。通過(guò)計(jì)算需增設(shè)的厭氧罐個(gè)數(shù)見(jiàn)表1，為保證在極寒天氣厭氧罐保溫，擬增加厭氧罐8個(gè)。

表1 增加厭氧罐數(shù)量計(jì)算

沼氣制天然氣工藝簡(jiǎn)介：選定的工藝路線可以使沼氣提純至天然氣品質(zhì)，并滿足并網(wǎng)的要求。工藝上利用了不同氣體在通過(guò)塑料膜時(shí)的不同速率。實(shí)質(zhì)上，膜內(nèi)氣體分離的動(dòng)力來(lái)自于氣體進(jìn)口端和滲透?jìng)?cè)的壓差。沼氣應(yīng)首先進(jìn)行脫硫、壓縮至所需的1.9 MPa工作壓力，然后冷卻裝置冷凝。冷卻后的氣體經(jīng)過(guò)三級(jí)膜處理，甲烷被截留在膜的壓力側(cè)，而二氧化碳、水、氨氮、硫化氫等則比較容易地穿過(guò)膜，從而實(shí)現(xiàn)天然氣提純。

2.2 厭氧罐排出沼液加熱進(jìn)料技術(shù)

2.2.1 換熱器類型比選

1）板式換熱器。板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過(guò)板片進(jìn)行熱量交換。它具有換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、應(yīng)用廣泛、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在相同壓力損失情況下，其傳熱系數(shù)比管式換熱器高3～5倍，占地面積為管式換熱器的1/3，熱回收率可高達(dá)90%以上。

2）列管式換熱器。由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進(jìn)行換熱的冷熱2種流體，一種在管內(nèi)流動(dòng)，稱為管程流體；另一種在管外流動(dòng)，稱為殼程流體。

3）螺旋板式換熱器。螺旋板式換熱器與一般列管式換熱器及板式換熱器相比不易堵塞，尤其是泥沙、小貝殼等懸浮顆粒雜質(zhì)不易在螺旋通道內(nèi)沉積，主要體現(xiàn)在：①因?yàn)樗菃瓮ǖ?，雜質(zhì)在通道內(nèi)的沉積一形成周轉(zhuǎn)流就會(huì)提高至把它沖掉；②因?yàn)槁菪ǖ纼?nèi)沒(méi)有死角，雜質(zhì)容易被沖出。

2.2.2 節(jié)能改造方案及熱力分析

一期工程和二期工程中，沖洗污水量、處理雞糞量、出料沼液量見(jiàn)表2。換熱器的一側(cè)為出料沼液，一側(cè)為沖洗污水。兩側(cè)的介質(zhì)在流動(dòng)傳熱的過(guò)程中易發(fā)生堵塞，宜選用螺旋板式換熱器。經(jīng)過(guò)熱力計(jì)算選型，選用2臺(tái)螺旋板式換熱器，單臺(tái)換熱面積85.0 m3，配備2臺(tái)污水泵、2臺(tái)出料泵。單臺(tái)換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 換熱器介質(zhì)流量

表3 單臺(tái)換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

3 能量?jī)?yōu)化后系統(tǒng)熱力分析

冬季工況，全廠熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)能量?jī)?yōu)化后，見(jiàn)圖2，與優(yōu)化前（圖1）相比較，增加了8個(gè)厭氧罐用于制取天然氣，增加利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)缸套水628 kW，有效地減少了無(wú)效散熱量。一期和二期工程共20個(gè)厭氧罐，處理雞糞580 t/d，沖洗污水500 t/d，從2℃加熱至33℃需要蒸汽熱量1 627 kW。采用厭氧罐排出沼液加熱進(jìn)料技術(shù)，可以減少加熱蒸汽使用量（262.5 kW×2），節(jié)省蒸汽可以供辦公室取暖等，有效地提高了廠區(qū)熱經(jīng)濟(jì)性。

圖2 系統(tǒng)優(yōu)化后能流

4 結(jié)論

1）冬季工況，全廠熱力系統(tǒng)經(jīng)過(guò)能量?jī)?yōu)化后，增加了8個(gè)厭氧罐用于制取天然氣，增加利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)缸套水628 kW，有效地減少了缸套水無(wú)效散熱量。

2）一期和二期工程共20個(gè)厭氧罐，處理雞糞580 t/d，沖洗污水500 t/d，從2℃加熱至33℃需要蒸汽熱量1627kW。采用厭氧罐排出沼液加熱進(jìn)料技術(shù)，可以減少加熱蒸汽使用量（262.5 kW× 2），節(jié)省蒸汽可以供辦公室取暖等，有效地提高了廠區(qū)熱經(jīng)濟(jì)性。

［1］BalatM.Globalbio-fuelprocessingandproductiontrends［J］.Energy Explor Exploit，2007，25：195-218.

［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］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.

［5］劉澤慶，王星，張瑞娜，等.生物燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量利用效率分析［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2017，25（1）:36-38，42.

Energy Optimization of Biogas Cogeneration System

Liu Zeqing1，Zhang Ruina1，Liu Shuai2，Liu Shuyue1
（1.Shanghai Environmental Sanitation Engineering Design Institute Co.Ltd.，Shanghai200232；2.China Municipal Engineering North China Design Research Institute Co.Ltd.，Tianjin300381）

In terms of the chicken manure anaerobic project with heat and power production，the supply side and the demand side were analyzed.The resultsshowed that jacket water wasapplied for insulation of anaerobic tank during actual operation，which is not utilized efficiently.Meanwhile，the discharged biogas slurry with a temperature of 36℃can be used to heat anaerobic feed，in order to achieve cascaded utilization of energy.Through system optimization，8 anaerobic tanks for natural gas production were added，increasing the use of jacket water energy by 628 kW，effectively reducing invalid heat releasing.At the same time，the discharged biogasslurry heating feed technology wasused to reduce the use of heated steam（525 kW），effectively improving the thermal economy.

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

X706；TK6

B

1005-8206（2017）04-0077-03

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）

2017-03-26