沼氣工程沼液余熱定量評估及可用性分析

王魯民 趙志斌 夏曉芳 張 亮

摘 要：以主要原料為牛糞的中溫發(fā)酵沼氣工程為研究對象，構建產(chǎn)氣規(guī)模為1萬m?/d的沼氣工程模型。經(jīng)分析，沼液回收熱量占總需熱量的35%，可利用性高，回收價值較大。

關鍵詞：厭氧發(fā)酵；沼氣；沼液；余熱回收

中圖分類號：S216.4 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180233221

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的提高，畜禽養(yǎng)殖有機廢棄物造成的環(huán)境污染問題日益凸顯。沼氣工程在處理有機廢棄物的同時能夠產(chǎn)生清潔能源生物天然氣，在一定程度上緩解了我國城鎮(zhèn)化進程中的環(huán)境、能源等問題，但在運行過程中的能耗高、熱損大等問題依然存在。張佳等[1]以國內(nèi)4個典型車用生物燃氣工程為研究對象，通過對其進行余熱和需熱分析統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)沼液余熱節(jié)能潛力最大，應重點回收。

本文以青島地區(qū)某大型沼氣工程運行數(shù)據(jù)為基礎，該工程主要原料為牛糞，采用中溫CSTR厭氧工藝，構建規(guī)模為2個5000m?厭氧發(fā)酵罐的沼氣工程模型，厭氧發(fā)酵罐徑高比為1，對沼液余熱進行定量評估和可用性分析，為沼氣工程沼液余熱回收提供數(shù)據(jù)支持。

1 模型構建

相關研究表明，厭氧發(fā)酵過程中的主要熱量消耗包括：發(fā)酵罐的熱散失、蒸發(fā)及沼氣外流導致的熱量損失、將原料升溫至發(fā)酵溫度所需熱量、發(fā)酵菌群體系進行生物代謝時的反應熱等[2]。因蒸發(fā)及沼氣外流導致的熱損失與發(fā)酵菌群體系進行生物代謝時的反應熱，其數(shù)值較小，且可互相抵消，構建模型熱損失核算包括：發(fā)酵罐的熱散失和將原料升溫至發(fā)酵溫度所需熱量。

1.1 發(fā)酵罐熱散失

厭氧發(fā)酵罐的熱損失主要包括灌頂、管壁和罐底熱散失，其中灌頂與罐壁部位主要是罐外層與空氣之間的對流熱散失Q1，罐底部位主要是罐底與土壤之間的熱散失Q2，計算式如下。

式中，為發(fā)酵罐內(nèi)體系溫度37℃；為空氣溫度，即外界環(huán)境溫度；為灌頂與空氣接觸面積288m2；為罐壁與空氣接觸面積；為發(fā)酵體系與空氣間的罐壁板和保溫層熱阻之和；為空氣對流傳熱系數(shù)；為罐底土壤溫度，該溫度基本恒定在20℃；為罐底與土壤接觸面積264m2；為發(fā)酵體系與土壤間的罐底熱阻之和。

1.2 原料升溫熱耗

原料升溫熱耗Q3計算式如下：

式中，為進料比熱，4.2103j/（kg·℃）；為每日進料量，400t/d；為發(fā)酵罐內(nèi)體系溫度37℃；為進料溫度，等于外界環(huán)境溫度Ta。

1.3 沼液熱量回收

沼液可供回收熱量Qr計算式如下：

式中，為沼液比熱，4.2103j/（kg·℃）；為每日沼液產(chǎn)量，387t/d；為流出體系沼液溫度37℃；為余熱回收后沼液溫度，設定為土壤溫度20℃。

2 結果分析

構建模型相關計算結果見表1所示。

根據(jù)表1計算結果數(shù)據(jù)，沼液每天可供回收的熱量Qr為27632MJ，但因沼液在流出發(fā)酵罐過程中及在余熱回收過程中有一定的熱損失，其實際可供回收的熱量約為70%[3]，即19342MJ/d。按照熱泵工作4h/d計算，熱泵輸入功率為336kW，耗能量約為4838MJ。按照上述分析，每天實際沼液余熱回收量與回收過程中的耗能量之差為14504MJ。分析結果見表2所示。

3 結論

以牛糞為原料，產(chǎn)氣規(guī)模為1萬Nm?的中溫發(fā)酵沼氣工程，其沼液余熱回收凈值為14503m?/d，需熱量最大的月份為1月份，合計為64343MJ/d，該月沼液回收余熱量占總需熱量得23%；需熱量最小的月份為8月份，合計為20254MJ/d，該月沼液回收余熱量占總需熱量得72%。

全年平均熱損失為41900MJ/d，若按照沼氣熱值21MJ/m?計算，年需熱量約相當于70萬m?沼氣。

沼液余熱回收熱量為14503m?/d，年回收熱量約相當于25萬m?沼氣，占總需熱量的35%，有較高的回收價值。

參考文獻

[1]張佳，邢濤，孫永明，等.車用生物燃氣工程范例余熱定量評估及可利用性分析.農(nóng)業(yè)工程學報，2017（9）：232-236.

[2]裴曉梅，石慧嫻.太陽能-沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加熱系統(tǒng).同濟大學學報，2012（2）：292-296.