沼氣工程進(jìn)料非穩(wěn)態(tài)預(yù)熱工藝設(shè)計(jì)

卞創(chuàng)賢， 陳晶晶， 陸小華， 王昌松， 王 棟,2

(1.南京工業(yè)大學(xué) 材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210009； 2.南陽(yáng)天冠生物天然氣科技有限公司， 河南 南陽(yáng) 473000)

我國(guó)生豬養(yǎng)殖在全球占比最大，畜禽糞污量也最多。對(duì)于畜禽糞污，沼氣工程是最常見(jiàn)的處理手段。然而，我國(guó)的沼氣工程的效率普遍較低。以江蘇為例，調(diào)研發(fā)現(xiàn)與養(yǎng)殖場(chǎng)配套的沼氣工程往往采用常溫發(fā)酵，導(dǎo)致產(chǎn)氣率低，冬天甚至停止產(chǎn)氣[1]。值得關(guān)注的是常溫環(huán)境下非洲豬瘟病毒可在糞便中存活11～15天之久[2]，而目前的沼氣工程的運(yùn)行方式無(wú)疑增加了非洲豬瘟傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

采用中高溫發(fā)酵，不僅可提高產(chǎn)氣率[3]，也可有效殺死病毒和細(xì)菌[4]。為了提高沼液的溫度，目前國(guó)內(nèi)沼氣工程一般采用盤(pán)管加熱的形式。但是盤(pán)管加熱的方式熱效率低，而且管外側(cè)容易結(jié)垢，導(dǎo)致加熱效率更差[5]，熱量入不敷出；另一方面，部分沼氣工程采用的冷料直接進(jìn)罐的方式，會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵罐內(nèi)溫度波動(dòng)大，進(jìn)而影響發(fā)酵效率。

筆者課題組針對(duì)沼液的流變特性[6]，設(shè)計(jì)出了針對(duì)沼液的高效換熱器[7]。本文擬基于此新型沼液換熱器和現(xiàn)行沼氣工程間歇進(jìn)料的運(yùn)行模式，以華東地區(qū)氣候?yàn)楸尘?，嘗試建立符合沼氣工程運(yùn)行模式的進(jìn)料溫度與時(shí)間相關(guān)的非穩(wěn)態(tài)預(yù)熱工藝，以便能讓發(fā)酵罐始終“喝熱水”、進(jìn)熱料，從而獲得穩(wěn)定的發(fā)酵溫度，實(shí)現(xiàn)沼氣工程全年高效運(yùn)行。

1 非穩(wěn)態(tài)預(yù)熱工藝設(shè)計(jì)

1.1 沼氣工程規(guī)模

根據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T667-2011，本設(shè)計(jì)選擇典型大小的沼氣工程規(guī)模[1]和運(yùn)行條件[8]見(jiàn)表1，其中料液進(jìn)料溫度范圍是依據(jù)以江蘇省為代表的華東地區(qū)不同月份的環(huán)境溫度、土壤溫度的變化情況來(lái)確定的[9]。

表1 沼氣工程規(guī)模與運(yùn)行條件

1.2 沼液換熱器基本參數(shù)

沼液換熱器屬于套管換熱器，內(nèi)管為扭曲結(jié)構(gòu)[10]，扭曲管幾何結(jié)構(gòu)及中試裝置如圖1和圖2所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了沼液換熱器的換熱效率。其單根沼液換熱器參數(shù)和運(yùn)行條件見(jiàn)表2。

表2 單根沼液換熱套管參數(shù)及最佳運(yùn)行條件

本文主要基于江蘇省現(xiàn)有沼氣工程的特點(diǎn)華東地區(qū)氣候特征，以及圖1和圖2所示的新型沼液換熱器性能來(lái)進(jìn)行沼液進(jìn)料中換熱器最優(yōu)匹配的工藝設(shè)計(jì)。

圖1 沼液換熱器扭曲管結(jié)構(gòu)圖

圖2 沼液換熱器中試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.3 預(yù)熱工藝

工藝流程圖如圖3所示，從養(yǎng)殖場(chǎng)收集糞污與沖洗廢水，至配料池中進(jìn)行料液配比，在料液調(diào)配過(guò)程中對(duì)料液進(jìn)行邊調(diào)配邊加溫的預(yù)處理，加熱到發(fā)酵溫度的料液通過(guò)物料泵泵入發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵后得到的沼氣部分輸送給鍋爐進(jìn)行燃燒供熱。

圖3 沼氣工程料液增溫工藝流程圖

其中沼液換熱系統(tǒng)包括鍋爐，熱水儲(chǔ)水箱，扭曲管換熱器，熱交換循環(huán)泵，料液循環(huán)泵。鍋爐通過(guò)沼氣燃燒對(duì)冷水進(jìn)行加熱，加熱至70℃，然后熱水通過(guò)熱水泵泵入換熱器，料液通過(guò)物料泵進(jìn)入沼液換熱器與熱水進(jìn)行熱交換。

由于沼氣工程往往是間歇性進(jìn)料，因此本文設(shè)計(jì)的加熱方式為非穩(wěn)態(tài)換熱模式，通過(guò)物料泵將沼液在換熱器中循環(huán)加熱，使得沼液從常溫逐步升至35℃。

1.4 系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算

料液加熱預(yù)處理過(guò)程的熱負(fù)荷主要由2個(gè)部分組成，料液升溫所需的熱負(fù)荷和配料池散熱引起的熱負(fù)荷，因此料液預(yù)加熱的日平均熱負(fù)荷為:

Q=Ql+Qf

(1)

式中:Q為料液加熱預(yù)處理過(guò)程的熱負(fù)荷，MJ；Ql為料液加熱所需的熱量，MJ；Qf為配料池散熱所損失的熱量，MJ。

料液加熱所需熱量是指一定時(shí)間內(nèi)使物料溫度由進(jìn)料溫度升到適宜發(fā)酵溫度所要補(bǔ)充的熱量，料液加熱預(yù)處理所需熱量由公式(2)計(jì)算得到:

Ql=m×cp×(t2-t1)

(2)

式中:m為進(jìn)料量，kg·d-1;cp為進(jìn)料比熱容，kJ·kg-1℃，按4.18 kJ·kg-1℃計(jì)算；t2為料液進(jìn)入發(fā)酵罐發(fā)酵溫度，℃;t1為料液進(jìn)入配料池的溫度，℃。

由于多數(shù)沼氣工程配料池為水泥池且埋在地下，周?chē)寥谰哂幸欢ǖ谋匦Ч?，本文配料池散熱所損失的熱量按升溫所需熱量的15%進(jìn)行計(jì)算，此部分可根據(jù)實(shí)際工程情況改動(dòng)。配料池散熱所損失的熱量為：

Qf=0.15×Ql

(3)

1.5 日產(chǎn)沼氣量與需求量計(jì)算

日產(chǎn)沼氣量采用經(jīng)驗(yàn)公式(4)進(jìn)行計(jì)算：

Vc=nr×V

(4)

式中：Vc為日產(chǎn)沼氣量，m3；nr為容積產(chǎn)氣率，m3·m-3d-1；V為厭氧消化罐體積，m3。

料液升溫系統(tǒng)所需要熱量主要來(lái)源于沼氣鍋爐燃燒沼氣所提供的熱量，沼氣鍋爐燃燒效率按80%計(jì)算，沼氣鍋爐工作消耗沼氣量可用公式(5)計(jì)算。

(5)

式中：Vh為鍋爐工作日均消耗沼氣量，m3；ηg為鍋爐燃燒效率，按80%計(jì)算。

1.6 非穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型

由于沼氣工程進(jìn)料方式為間歇進(jìn)料，料液入口溫度隨時(shí)間的變化而變化，屬于非穩(wěn)態(tài)換熱過(guò)程，因此針對(duì)料液增溫過(guò)程的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套非穩(wěn)態(tài)換熱模型，以此來(lái)得到沼液換熱器所需換熱面積A與換熱時(shí)間t之間的耦合關(guān)系。確定換熱面積后根據(jù)實(shí)際情況及要求來(lái)確定換熱器使用數(shù)量及連接方式。非穩(wěn)態(tài)換熱計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 非穩(wěn)態(tài)換熱計(jì)算模型

2 結(jié)果與討論

2.1 料液增溫系統(tǒng)熱量平衡計(jì)算結(jié)果

2.1.1 料液增溫系統(tǒng)日均熱負(fù)荷

根據(jù)華東地區(qū)不同規(guī)模沼氣工程在不同月份的環(huán)境條件[9]和料液進(jìn)口溫度對(duì)該系統(tǒng)日均熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出隨著季節(jié)的變化，1月環(huán)境溫度全年最低，進(jìn)料溫度低，料液加熱能耗較高。隨著各月平均氣溫的升高，沼氣工程的日均能耗逐漸降低。在7月份平均氣溫最高時(shí)，沼氣工程的日均能耗降到最低。

圖5 不同規(guī)模沼氣工程不同月份日均耗熱量

2.1.2 沼氣鍋爐燃燒耗氣量

圖6為不同規(guī)模沼氣工程料液增溫過(guò)程中沼氣鍋爐燃燒耗氣量計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出冬季1月份進(jìn)料溫度最低時(shí)沼氣鍋爐燃燒耗氣量為最高，1000 m3沼氣工程的日均耗氣量為377 m3，50 m3沼氣工程的日均耗氣量19 m3。夏季7月份環(huán)境溫度為全年最高，料液初始溫度較高，預(yù)熱過(guò)程所需熱量較少，日均耗氣量為全年最低，1000 m3沼氣工程的日均耗氣量為153.9 m3，50 m3沼氣工程的日均耗氣量約7 m3。

圖6 不同規(guī)模沼氣工程鍋爐燃燒耗氣量

2.2 料液增溫過(guò)程耗氣量占比分析

根據(jù)不同規(guī)模沼氣工程在不同容積產(chǎn)氣率下日均沼氣產(chǎn)量和每天料液增溫預(yù)熱所需沼氣量，得到每天沼氣耗氣量占比，如圖7所示。由計(jì)算結(jié)果可知，冬季環(huán)境溫度低，料液初始溫度低，料液增溫所需沼氣較高，沼氣耗氣量占比達(dá)到峰值。隨著季節(jié)的變化，環(huán)境溫度不斷升高，夏季環(huán)境溫度達(dá)到全年最高，料液初始溫度在25℃左右，此時(shí)沼氣消耗量較小，沼氣耗氣量占比小，約為15%～35%，所以此換熱系統(tǒng)主要使用于春秋冬3季。

盡管根據(jù)熱力學(xué)第一定律的計(jì)算可知(見(jiàn)圖7)，在華東地區(qū)，對(duì)于不同規(guī)模的沼氣工程，在容積產(chǎn)氣率為0.5 m3·m-3d-1時(shí)，也能滿足進(jìn)料熱量所需。但需要注意的是當(dāng)容積產(chǎn)氣率為0.5 m3·m-3d-1時(shí)，在冬季近80%的沼氣將被用來(lái)系統(tǒng)增溫，這對(duì)于進(jìn)料增溫工藝是不利的，因此系統(tǒng)的保溫，進(jìn)料的配比等因素對(duì)于沼氣工程的正常運(yùn)行也至關(guān)重要。

圖7 沼氣工程日均耗氣量占比

2.3 料液增溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間分析

通過(guò)對(duì)江蘇地區(qū)沼氣工程發(fā)展情況調(diào)研結(jié)果[1]來(lái)看，江蘇省沼氣工程大部分都屬于環(huán)保型沼氣工程，規(guī)模多為50～300 m3，少數(shù)為1000 m3。以300 m3沼氣工程為例，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)換熱計(jì)算模型通過(guò)改變換熱系統(tǒng)所需換熱器數(shù)量及連接方式對(duì)沼液系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

從圖8中可看出，換熱套管數(shù)量為4根時(shí)，沼液換熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間明顯大于其他兩種方案，配料時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于生產(chǎn)；當(dāng)為8根時(shí)，加熱時(shí)間縮短了近一半，但設(shè)備投資會(huì)增加。而為6根時(shí)，配料時(shí)間為4～6 h，與配料攪拌時(shí)間一致。

圖8 300 m3沼液換熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間

進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連接方式為并聯(lián)時(shí)，沼液換熱系統(tǒng)運(yùn)行所需時(shí)間比串聯(lián)所需時(shí)間有所減少，冬季時(shí)平均減少0.35 h，夏季時(shí)平均減少0.12 h。此種情況下考慮使用串聯(lián)方式，以避免增加一臺(tái)物料泵和熱水泵，減少設(shè)備投資。

綜上，對(duì)于300 m3沼氣工程進(jìn)料加熱，以選擇6根沼液套管串聯(lián)換熱為最佳。

參考上述選擇原則，50 m3～1000 m3不同規(guī)模沼氣工程沼液換熱系統(tǒng)所需換熱套管數(shù)量以及連接方式見(jiàn)表3。

表3 扭曲管換熱器選型方案

2.4 料液增溫系統(tǒng)對(duì)比

表4從工藝、效率、成本與運(yùn)行以及運(yùn)行效果等角度，對(duì)比了傳統(tǒng)沼氣工程中的盤(pán)管加熱與沼液換熱器。從表4可以看出，傳統(tǒng)沼氣工程中所普遍使用的盤(pán)管加熱與本研究中的沼液換熱器相比效率普遍偏低，容易結(jié)垢，并且由于盤(pán)管換熱器換熱效率低下，在冬季時(shí)無(wú)法滿足沼氣工程正常運(yùn)行，本研究中的沼液換熱器能從根本上解決這些問(wèn)題。

表4 料液增溫方式對(duì)比

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 投資成本分析

根據(jù)表3中不同規(guī)模沼氣工程沼液換熱器選型方案，對(duì)換熱器的初投資包括換熱器的成本和安裝費(fèi)進(jìn)行核算，本文中所使用的新型沼液換熱器形式為套管式換熱器，成本每根5000元，安裝費(fèi)用按總設(shè)備成本的10%計(jì)算，核算結(jié)果如表5所示。

表5 扭曲管換熱器設(shè)備成本及安裝費(fèi)

3.2 效益分析

華東地區(qū)發(fā)酵罐規(guī)模為50～1000 m3的沼氣工程所產(chǎn)沼氣多用來(lái)“自給自足”，且在冬季產(chǎn)氣率低，甚至停運(yùn)。使用本設(shè)計(jì)中的新型沼液換熱器對(duì)料液進(jìn)行升溫預(yù)處理，可以使沼氣工程在冬季正常運(yùn)行。各規(guī)模沼氣工程在0.5～0.1 m3·m-3d-1不同產(chǎn)氣率下冬季(按照調(diào)研，11～次年3月份產(chǎn)期率低)可產(chǎn)生效益見(jiàn)表6，表中各項(xiàng)結(jié)果為5個(gè)月份總和。

表6 各規(guī)模沼氣工程進(jìn)料工藝改造后設(shè)計(jì)

以300 m3規(guī)模沼氣工程為例，容積產(chǎn)氣率為0.5 m3·m-3d-1時(shí)，使用新型沼液換熱器后冬季所產(chǎn)沼氣富余量約為7079 m3，1m3沼氣中純甲烷濃度占比約為50%，約等于3539 m3天然氣，按處理掉1 kgCOD可產(chǎn)生0.35 m3純甲烷計(jì)算，COD處理量約為1239 kg，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，天然氣目前價(jià)格約為3元·m-3，所以沼氣富余產(chǎn)量折合人民幣約為10618元，對(duì)比表5，投資回報(bào)期為3年。若產(chǎn)氣率達(dá)到1 m3·m-3d-1，當(dāng)年可實(shí)現(xiàn)盈利。

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)江蘇省境內(nèi)沼氣工程普遍存在發(fā)酵溫度低，冬季產(chǎn)氣難的問(wèn)題設(shè)計(jì)了料液增溫工藝，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)華東地區(qū)發(fā)酵罐規(guī)模為50～1000 m3，容產(chǎn)氣率為0.5～1.0 m3·m-3d-1的沼氣工程產(chǎn)能與總熱能損耗對(duì)比分析，各月沼氣工程熱能損耗量占產(chǎn)能量的比例約為15%～80%，表明在即使在寒冷的冬季實(shí)現(xiàn)沼氣工程自給自足是可能的。

(2)根據(jù)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型針對(duì)典型規(guī)模沼氣工程料液升溫系統(tǒng)中所需單根沼液換熱套管數(shù)量及連接方式進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最佳換熱器設(shè)計(jì)方案。50 m3，300 m3，500 m3，1000 m3所需扭曲套管數(shù)量分別為2根串聯(lián)、6根串聯(lián)、5根串聯(lián)2組并聯(lián)和8根串聯(lián)2組并聯(lián)。

(3)根據(jù)工藝設(shè)計(jì)方案對(duì)改造后的典型規(guī)模沼氣工程進(jìn)行效益分析，以300 m3沼氣工程為例，使用新型沼液換熱器后冬季可降解1239～5203 kg COD，所產(chǎn)沼氣富余量約等于3539～14864 m3天然氣，效益顯著。