回熱回質對沼氣工程性能影響的研究

李金平， 韓敬一， 胡瑩瑩， 馮 榮

(1.蘭州理工大學西部能源與環境研究中心， 蘭州 730050； 2.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心， 蘭州 730050)

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回熱回質對沼氣工程性能影響的研究

李金平1,2， 韓敬一1,2， 胡瑩瑩1,2， 馮 榮1,2

(1.蘭州理工大學西部能源與環境研究中心， 蘭州 730050； 2.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心， 蘭州 730050)

為了實現大中型沼氣工程能夠在寒冷季節低成本穩定高效運行，文章針對蘭州地區構建了一套常規加熱聯合沼液回熱回質的中溫發酵沼液升溫系統。詳細闡述了沼液回質與回熱兩個過程的運行原理，并對系統總熱負荷、沼液余熱回收量、升溫系統投資與運行費用進行了理論計算。得出聯合升溫系統的能量節約率為61%，相比于單純太陽能加熱方式可以節省初始投資21.66萬元；相比于單純燃煤加熱方式，每年可節約標煤21.32 t，減排二氧化碳53.15 t，年節省燃煤費用2.13萬元；相比于單純燃氣加熱方式，每年節約燃氣費用3.61萬元；并且聯合升溫系統每年能夠減少沼液處理量2190 t，節約用水2124 t，具有良好的經濟效益和環境效益。

沼氣工程； 回熱回質； 沼氣

大中型沼氣工程通常采用中高溫發酵，能夠高效處理農牧業廢棄物和有機生活垃圾，并生產清潔能源，具有很好的環境效益和經濟效益。然而在寒冷季節，將料液升溫并維持在較高的發酵溫度需要消耗大量的熱能[1]。大中型沼氣工程常見的升溫方式一般有燃煤加熱、燃氣加熱、太陽能集熱器加熱、沼氣發電余熱加熱等幾種方式[2]。這些升溫方式都有一些缺點：燃煤加熱需要消耗煤炭，造成環境污染，再者燃煤價格較高，冬季運行會導致虧損甚至工程停止運行[3-4]；燃氣加熱會大量消耗生產的沼氣，造成經濟效益下滑[5]；由于太陽能能流密度低，且易受天氣影響，因此太陽能加熱需要較大的集熱面積，致使工程初始投資較大[6]；沼氣發電余熱加熱一般只用于大型沼氣工程，而且在寒冷月份往往不足以保證系統正常的發酵溫度[7-9]。

沼氣工程排料沼液中含有大量的熱能，如果能夠有效回收這部分熱量，則可以節省燃料，降低成本，因此一些學者在沼液余熱回收方面做了許多工作[10-12]。其中部分學者追求短時間內利用換熱器對排料沼液進行熱量回收，然而由于沼液具有粘度大，易堵塞管道等特點，直接進行沼液-沼液換熱難度較大，而采用水作為中間介質進行換熱時，又會導致換熱系統龐大復雜且換熱效率不高[10-11]。厭氧發酵排料沼液中還含有大量的水和未完全發酵有機物，如果直接排掉，會給沼液后處理帶來很大難度，而沼液回質既可以回收排料沼液中的熱量，又可以減少沼液后處理量，還會增加系統穩定性，提高沼氣產量[12]。

為解決以上常規加熱方式中的高成本和高能耗問題，該工藝對沼氣工程添加回熱回質過程，回收排料余熱用來加熱進料，并回用部分出料沼液，解決整個系統能源浪費與能源需求之間的矛盾。

1 沼氣工程沼液升溫系統

1.1 工藝流程介紹

如圖1所示，構建的常規加熱方式聯合沼液余熱回收厭氧發酵沼氣生產系統主要由調節池、沼液回熱池、水解酸化池、厭氧發酵罐、固液分離機以及外部熱源等6部分組成。

1.調節池； 2.沼液回熱池； 3.水解酸化池； 4.厭氧發酵罐； 5.固液分離機； 6.外部熱源圖1 厭氧發酵沼氣生產系統流程圖

糞污經過預處理進入調節池進行TS和pH值的調節，然后通入沼液回熱池中與出料沼液進行充分換熱，換熱時間為22小時。換熱結束后進入酸化池進行酸化處理，由于發酵原料為牛糞，纖維素含量較高，酸化時間設置3天[13]，為簡化升溫換熱系統，減少操作的復雜性，提高運行效率，采用微過熱進料方式，即通過計算沼液在厭氧發酵罐中的熱量損失，相應地提高酸化池內溫度以平衡沼液在發酵罐中散失的熱量，維持沼液的正常發酵溫度[14]。該系統只在酸化池中鋪設加熱盤管加熱料液，在厭氧發酵罐中不再設置加熱裝置。厭氧發酵罐有效容積為200 m3，采用中溫發酵，發酵溫度為35℃，發酵料液總固體濃度(TS)為8%[15]，水力滯留期為10天，連續進出料，出料沼液經過固液分離，部分沼液回流到酸化池進行回用；剩余沼液進入沼液回熱池，加熱第二天的進料。為減少熱量損失，沼液回熱池、酸化池和厭氧發酵罐外壁面均進行保溫處理。

1.2 沼液回質

沼液回質是指將經過固液分離的沼液回用到酸化池中進行再利用[16]。發酵罐每天出料20 m3，經過固液分離后沼渣體積為3.7 m3，TS為30%；沼液體積為16.3 m3，TS為3%[17]。沼液回質時，回用比過大，氨氮、揮發性脂肪酸以及鈉離子積累，從而抑制系統的產氣性能，選取回用比為0.3[18]，回用沼液量為進料總量的30%，即6 m3。

1.3 沼液回熱

沼液回熱是指將沼液通入換熱器中進行熱量的回收利用[19]。出料沼液經過固液分離，部分回用至酸化池，剩余沼液通入沼液回熱池。沼液回熱池邊長和高各為3 m，內部由“弓”形不銹鋼板隔開為兩部分，分別盛有低溫進料沼液和固液分離后的出料沼液，兩部分沼液通過中間的“弓”形不銹鋼板進行換熱。由于回熱池池壁包有150 mm厚的聚苯板保溫層，上部加有池頂蓋，回熱池向外界的散熱損失很小，忽略不計。利用沼液粘性大，溫度分層明顯的特點，經過優化設計，適當提升低溫進料側液面高度，通過數值模擬計算發現當“弓”形不銹鋼鋼板總面積為36 m2時，14 m3的低溫料液與10.3 m3出料經過22個小時的自然對流換熱，可以回收出料料液60%的熱量。

1.4 外部熱源

由熱力學知識可知沼液的回熱與回質不能將熱量完全回收，要保證恒定發酵溫度還需要外部熱源提供熱量，此處外部熱源可以是太陽能加熱、燃煤鍋爐加熱或者沼氣鍋爐加熱等任意常規加熱方式。

2 熱量計算

2.1 發酵罐罐體熱負荷理論計算

發酵罐直徑為7.3 m，高度為6.65 m，位于地上。不考慮發酵罐外壁面向環境的輻射熱損失、白天太陽輻照獲得熱量、沼氣帶走熱量以及少量的發酵反應自產熱[20-22]，發酵罐體的總熱損失主要包括由內壁面經過罐壁鋼板、保溫層、彩鋼鋼板向外界環境的自然對流傳熱熱損失和由底面經過罐底鋼板、保溫層、混凝土層向土壤的導熱熱損失。

發酵罐總散熱損失計算公式：

Ql=Q1+Q2+Q3

(1)

式中：Ql為發酵罐罐體總散熱損失，MJ；Q1為發酵罐罐壁散熱損失，MJ；Q2為發酵罐罐頂散熱損失，MJ；Q3為發酵罐罐底散熱損失，MJ。

其中，罐壁熱損失[23]:

(2)

式中：h為發酵罐高度，m；tw為罐體內壁溫度，設內壁面溫度與沼液溫度相同，取35℃；t∞為環境溫度，℃；τ為時間，1天；λi為各種材料的導熱系數，W·m-1K-1；di為罐體壁面各種材料對應外徑，m；h∞為空氣自然對流換熱系數，由于蘭州地區氣候干燥，不考慮水分蒸發折算的對流換熱系數，冬季取8.5W·m-2K-1，夏季取11.5W·m-2K-1，春秋季取冬季與夏季中間值計算[24]。

罐頂熱損失[23]：

(3)

式中：δi為罐體頂部、底部對應各種材料的厚度，m；Ac為罐頂/罐底面積，m2。

罐底熱損失[23]：

(4)

式中：ts為地下一米深度處土壤溫度，℃。

采用微過熱進料，在酸化池中采用稍高的酸化溫度來平衡厭氧發酵罐中的散熱損失。由能量守恒定律，酸化池溫度計算公式：

(5)

式中：ta為酸化池溫度，℃；Va為進料體積，20 m3；c為沼液比熱容，由于沼液中90%以上成分是水，c取4.18 kJ·kg-1；ρ為進料沼液密度，取1000 kg·m-3；t為發酵溫度，35℃。

2.2 沼液升溫總需熱量及沼液回熱與回質過程熱量計算

由于沼液升溫過程都在厭氧發酵過程之前，因此沼液升溫總需熱量可以通過升溫過程結束后料液最終溫度來計算。料液升溫總需熱量計算公式：

Qw=cma(ta-t0)

(6)

式中：ma為進料質量，kg；t0為進料溫度，℃。

沼液回用到酸化罐，不僅是一個回質的過程，同時也將料液中所攜帶的熱量帶進了酸化罐中。因此本系統中沼液余熱回收熱量包括沼液回質過程回收熱量和沼液回熱過程回收熱量兩部分，沼液余熱回收熱量計算公式：

Qre=Qb+Qr

(7)

其中：

Qb=cmb(t-t0)

(8)

Qr=ηcmr(t-t0)

(9)

式中：Qre為沼液余熱回收熱量，MJ；Qb為沼液回用過程回收熱量，MJ；Qr為沼液回熱過程回收熱量，MJ；mb為回質過程中出料沼液質量，kg；η為沼液回熱效率；取0.6；mr為回熱過程中出料沼液質量，kg。

2.3 計算結果與分析

發酵罐體頂部、壁面與底部的材料與蘭州市花莊養牛場沼氣工程相同，具體參數見表1。

表1 罐體材料及相關參數

大中型沼氣工程發酵原料在冬季一般不會結冰，因此發酵原料溫度取值大于0℃，由公式(1)～(5)可知不同月份罐體的散熱損失差別較大：罐體最大日散熱損失發生在1月份，為195 MJ，罐體最小日散熱損失發生在7月份，為64 MJ。罐體日散熱損失和酸化池溫度溫度如表2所示。

表2 不同月份酸化池溫度

由公式(6)和公式(7)得出日平均料液升溫需熱量及沼液余熱回收熱量如圖2所示，沼液回熱與回質兩個過程回收熱量占料液升溫總需熱量的61%。

圖2 月平均每天料液升溫需熱量及沼液余熱回收熱量

由于厭氧發酵罐體外保溫層較好的保溫效果，罐體散熱量較小，僅占沼液升溫總需熱量的4.8%～6.6%，；而排料損失熱量占沼液升溫總需熱量的93.4%以上，可見沼液余熱回收潛力巨大。

3 不同升溫方式經濟效益對比與分析

集中供氣大中型沼氣工程一般單獨采用太陽能、燃煤鍋爐或沼氣鍋爐加熱的升溫方式，因此對此3種升溫方式從是否添加沼液余熱回收系統進行經濟效益對比分析。

3.1 沼液余熱回收系統

計算得出沼液余熱年總回收熱量為437.31 GJ，每年減少沼液處理量2190 t，節約用水2124 t。根據工程經驗，沼液回熱過程的主要費用為建造費，沼液余熱回收年運行費用較少，沼液回熱池的總建造費用約為2.1萬元。

3.2 沼液余熱回收聯合太陽能加熱

相比于單純采用太陽能加熱方式，聯合升溫方式由于添加了沼液回熱與回質過程，大大減少太陽能集熱器的初始投資。考慮到冬半年日輻射量的極大性，蘭州地區太陽能集熱器安裝傾角應為51°，集熱面上月平均日輻照量見表3[27-28]。

表3 蘭州地區最佳單位傾斜面積上月平均日輻照量 (MJ·m-2)

節省太陽能集熱面積為[29]：

(10)

式中：Ae為節省的太陽能集熱面積，m2；Qre為沼液余熱回收熱量，取冬季12月份均值計算，MJ；H為單位集熱面積月平均日太陽輻照量，為使太陽能集熱器能夠保證系統全年穩定運行，取12月份均值計算，MJ·m-2；ηs為太陽能集熱器集熱效率，0.5；ηl為管路及熱水箱熱損失，取0.2。

計算得出聯合升溫方式節省的太陽能集熱面積為361 m2。集熱面積每平米按600元計算，沼液余熱回收聯合太陽能升溫方式較單純采用太陽能加熱升溫方式節省初始投資21.66萬元。

3.3 沼液余熱回收聯合燃煤加熱

沼液余熱回收過程回收了排料沼液中的部分熱量，因此減少了煤炭的消耗量。年節省標煤計算公式[30]：

Qreτa=mqcηc

(11)

式中：τa為時間，365天；m為沼液余熱回收年節省標煤質量，kg；qc為標煤低位熱值，取29.3 MJ·kg-1；ηc為燃煤加熱系統效率，取0.7[30]。

聯合升溫方式較單純燃煤加熱升溫方式每年節約標煤21.32 t，減排二氧化碳53.15 t[30]；標煤價格按每t 1000元計算，年節省2.13萬元。

3.4 沼液余熱回收聯合燃氣加熱

年節省沼氣消耗量計算公式[30]：

Qreτa=Vqmηm

(12)

式中：V為燃氣鍋爐年消耗沼氣體積；qm為沼氣低位熱值，取22.1 MJ·m-3，(按甲烷含量為65%計算)；ηm為沼氣鍋爐加熱系統效率，取0.75[30]。

聯合升溫方式較單純燃氣加熱升溫方式年節省沼氣26384 m3。蘭州集中供氣天然氣價格為每m32.13元，以熱值換算沼氣價格為每m31.37元，年節約燃氣費用3.61萬元。

4 結論

筆者在蘭州地區氣候條件下構建了一套添加沼液回熱與回質過程的沼氣工程升溫系統，對發酵罐體熱損失、沼液升溫需熱量和沼液回熱回質過程余熱回收量進行了計算，并對該升溫系統產生的經濟效益進行了計算分析。

(1)沼液余熱回收系統操作流程簡單，適應性強，符合大中型工程實際應用需求；沼液余熱回收系統造價僅為2.1萬元，年減少沼液處理量2190 t，節約用水2124 t，能夠回收沼氣工程61%的加熱總能量。

(2)在輔以其他加熱方式時，系統能夠凸顯出很好的環境效益和經濟效益，對比單一使用太陽能加熱方式，若沼氣工程升溫方式為沼液余熱回收聯合太陽能加熱，則能夠減少361 m2集熱面積，節省初始投資21.66萬元。

(3)對比單一使用燃煤加熱，若沼氣工程升溫方式為沼液余熱回收聯合燃煤鍋爐加熱，則每年可以節約標煤21.32 t，減排二氧化碳53.15 t，節省費用2.13萬元。

(4)對比單一使用燃氣加熱，若沼氣工程升溫方式為沼液余熱回收聯合燃氣鍋爐加熱，則每年可節約燃氣費用為3.61萬元。

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Study on Biogas Slurry Heat Recovery of Large and Medium-sized Biogas Project /

LI Jin-ping1,2， HAN Jing-yi1,2， HU Ying-ying1,2， FENG Rong1,2/

(1. Western China Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, China)

In order to achieve the goal of stable, efficient operation of a large and medium-sized biogas project in cold season with low cost, a biogas digester was constructed in Lanzhou and heated by conventional heating mode combining with the heat recovery from biogas slurry. The operating principle of both waste heat recovery and mass recycle of biogas slurry were elaborated. Some key parameters including the total heat loading, heat recovery from slurry, investment and operating costs of heating system, were calculated theoretically. The results showed that the energy saving rate of the combined heating system was 61%. Comparing with solar heating mode, the new system could save initial investment of 216,600 yuan; comparing with the coal-fired heating mode, it could save 21.32 tons of standard coal, reducing 53.15 tons of carbon dioxide emission a year; comparing with the gas heating mode, it could save gas costs 36100 yuan per year. The combined heating system also could reduce 2,190 tons of slurry disposals and obtain 2124 tons of water conservation.

Biogas project； biogas； heat and mass recycle

2015-08-31

2015-09-12

項目來源： 國家“863”計劃課題(2014AA052801)； 甘肅省杰出青年基金(2012GS05601)； 甘肅省建設科技攻關項目(JK2010-29)

李金平 (1977-)，男，博士，主要從事先進可再生能源系統方面的研究工作，E-mail：lijinping77@163.com

TK115; S216.4

B

1000-1166(2016)04-0055-05