帶有回熱回質的恒溫沼氣生產系統節能分析

李金平， 胡瑩瑩， 韓敬一， 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； 3.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室， 蘭州 730050)

帶有回熱回質的恒溫沼氣生產系統節能分析

李金平1, 2, 3， 胡瑩瑩1, 2, 3， 韓敬一1, 2, 3， 馮 榮1, 2, 3

(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； 3.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室， 蘭州 730050)

為改變寒冷月份恒溫沼氣生產系統能耗大以及系統排料中熱量得不到有效利用的現狀，文章設計了帶有回熱回質的恒溫沼氣生產系統，將部分沼液回流以及設計沼液回熱器對沼液熱量進行回收，并為其增添了合理的保溫措施，同時結合蘭州地區典型氣象年數據對系統進行了節能性分析，結果表明: 帶有回熱回質的沼氣系統日溫降在0.5℃以下，每月可節約水資源85噸，30℃，37℃和52℃發酵時，節能率分別達到48.24%，49.43%，50.92%，有效降低了外部能源加熱的成本消耗，節能效果良好。

恒溫沼氣生產系統； 寒冷月份； 沼液回熱器； 熱損失； 節能性

沼氣系統恒溫發酵可獲得較好產氣效果[1]，而環境溫度會造成發酵溫度的波動。眾多學者對環境溫度對沼氣系統產能的影響做了大量研究[2-4]。Alvarez[5]等人曾研究過高緯度寒冷地區的厭氧發酵效果，發現不同的發酵溫度下產氣量和環境溫度成正比； 溫度是厭氧發酵過程中最重要的影響因素，控制著厭氧發酵過程中頂級群落的形成； 30℃發酵可獲得最優的產氫菌活性，所產沼氣中CH4含量相對較高，37℃發酵時可達到中溫發酵產氣峰值，52℃發酵則可達到高溫發酵的產氣高峰[6]。維持恒溫產氣可從保證熱量輸入和減少熱耗散這兩方面入手，大量的工程實踐也證明，要在寒冷地區獲得良好的厭氧發酵效果, 須對發酵裝置采取一定的保溫和增溫措施以保證沼氣發酵高效運行[4]：1)對發酵罐外壁添加保溫層以減少罐體與外部環境溫差較大而引起的熱耗散； 2)利用外部熱源對沼氣工程加熱以補充發酵過程所需的熱量，其中，化石能源鍋爐及沼氣鍋爐的加熱方式，經濟效益及能源利用率都較低[7-10]； 太陽能加熱的方式具有良好的能源、經濟及環境效益[11-13]，但易受天氣因素影響，熱能供應的連續穩定性方面有待提高； 余熱利用的方式目前多為沼氣發電余熱利用，但這種余熱利用方式多適用于大型沼氣發電工程[14-16]。

沼氣工程的排料攜帶大量熱能，通常處理方式為直接排放，不僅要消耗大面積場地容納排料，造成了熱浪費和熱污染，沼液中未分解的有機物也無法再利用[17-18]。如果對排料中熱能加以回收利用，可有效降低沼氣工程的外部能源輸入，降低成本[17-18]。已有學者嘗試將沼液回流代替水稀釋發酵物料，但由于沼液自身粘度較高，回流過多會影響發酵物之間的傳熱傳質過程，以及厭氧反應的產氣性能，所以沼液回流量有限[19]，大部分的沼液熱量仍無法得到有效利用； 有學者嘗試設計沼液—水換熱器進行換熱，但由于沼液自身物性，所設計換熱器存在體積大，換熱效率低，換熱時腔體易堵塞，實用性差等問題[17]。

故針對上述單一方式進行沼液回流或沼液換熱所產生的缺陷，筆者將沼液回流與沼液-水換熱相結合，設計了一套帶有回熱回質的恒溫沼氣生產系統以實現對排料中熱能的充分回收，并對寒冷月份(12月，1月，2月)3種發酵溫度下(30℃，37℃，52℃)系統的節能性進行分析。

1 帶有回熱回質的恒溫沼氣生產系統

1.1 系統結構及運行流程

如圖1所示，在蘭州地區設計構建一套帶有回熱回質的恒溫沼氣生產系統，采用兩相厭氧發酵工藝，系統主要由調節池，酸化罐，厭氧發酵罐，外部熱源，儲熱水箱，沼液回熱器組成。牛糞等發酵原料經過預處理后進入調節池進行調節，然后進入酸化池酸化并以水浴加熱的方式將物料加熱至發酵所需溫度，該部分熱水由外部熱源加熱，之后物料進入厭氧發酵罐發酵。

圖1 帶有回熱回質的恒溫沼氣生產系統

沼氣系統設計采用30℃，37℃，52℃進行恒溫發酵，發酵物TS取8%，連續進出料，日排料9.5 m3。每日排料中，30%料液排出后直接進入調節池稀釋并加熱發酵原料，剩余70%進入沼液回熱器中與水進行換熱，換熱后的水進入調節池用于調節物料TS并對其升溫。

酸化罐和厭氧發酵罐為發酵主體部分，其中，酸化罐總容積為75 m3，內池半徑2 m，高取6 m； 厭氧發酵罐總容積為318 m3，內池半徑4.5 m，高為5 m，兩種罐體采取的保溫材料和厚度相同，則各部分材料，厚度及導熱系數[20]如表1所示。

表1 發酵罐各部分材料、厚度及導熱系數

1.2 沼液回熱器的結構及運行流程

設計沼液回熱器是實現系統節能的重要環節，圖2為沼液回熱器示意圖。內水箱、篩網均固定在支架上，沼液貯存箱由升降裝置控制可上下活動。沼液貯存箱直徑3 m，高 1.41 m，容積10 m3，內水箱直徑2.06 m，高1 m，容積3.3 m3，裝置每日將6.65 m3的沼液與6.65 m3的水進行換熱，水分兩次加入。沼液回熱器外壁包有150 mm厚的保溫層，沼液貯存箱、頂蓋板和內水箱選用304不銹鋼。沼液沼渣進入沼液回熱器進行換熱前，上升沼液貯存箱至支架頂端，沼液沼渣進入后與內水箱換熱，回熱結束，下降沼液貯存箱，使篩網與液體界面分離，篩網中的沼液不斷滴入沼液箱，實現固液分離。

2 3種發酵溫度下系統相關熱損失和節能量計算

2.1 系統熱損失和溫降計算方法

甘肅蘭州位于中國西北地區，冬季寒冷氣溫偏低[21]。極端低溫的環境會影響沼氣系統產氣量，為保證產能，必須在原有程度上增大外部熱量的輸入； 而低溫環境會增強發酵罐內部與環境間的傳熱，使熱耗散加大，需對系統的保溫措施進行合理設計并計算[3, 22]。

圖2 沼液回熱器示意圖

發酵系統實際運行過程中，通過攪拌、溫控系統的調控，罐體內液體、氣體的溫度基本穩定在所需的發酵溫度。若不對發酵罐加熱，其保溫措施應使罐內料液日均溫度變化控制在1℃以下[22]。以此為設計依據，對發酵罐進行保溫設計，并對每日熱損失和溫降進行計算。發酵罐散熱損失為酸化罐散熱損失與厭氧發酵罐散熱損失之和，考慮到酸化罐內物料由外部熱源加熱，罐內溫度恒定，且酸化罐內物料會進入厭氧發酵罐，故不計算酸化罐排料熱損失和日溫降[22]。

系統熱損失主要由發酵罐散熱損失和排料損失組成[23]，故系統每日熱損失QL可由下式計算：

QL=Qp+QT

(1)

式中：QP為沼氣生產系統排料中熱量，MJ；QT為發酵罐散熱損失，MJ。

沼氣生產系統排料中熱量QP的計算方法為[20]：

Qp=cpmpΔt

(2)

式中：cp為排料的比熱，通過查閱相關文獻[24]可知，TS為8%時，排料比熱取4.164 kJ·kg-1K-1；mp為排料質量，系統日排料量為9.5 m3，密度取995 kg·m-3，故排料質量取9452.5 kg； △t為排料溫度與環境溫度的溫差，℃。

發酵罐熱損失[20]QT的計算方法為：

QT=Qs+Qw+Qg

(3)

式中：Qs為發酵罐罐體總散熱損失，MJ；Qw為罐內水分蒸發熱損失，MJ；Qg為沼氣帶走的顯熱損失，MJ。實際中，酸化罐產氣量非常少，故沼氣排出帶走的顯熱損失可忽略不計。

發酵罐罐體總散熱損失Qs主要由罐壁散熱損失Qb，罐頂散熱損失Qt和罐底散熱Qd組成[20]，計算方法如下：

Qs=Qb+Qt+Qd

(4)

其中，罐壁熱損失Qb計算：

(5)

罐頂熱損失Qt計算：

(6)

罐底熱損失Qd計算：

(7)

公式(5)，(6)，(7)中：L為發酵罐高度，m； tw為罐體內壁溫度，取發酵溫度，℃； t∞為環境溫度，℃； di為由內到外發酵罐外壁材料直徑，m； h∞為空氣自然對流換熱系數，寒冷地區冬季取8.5W·m-2K-1； δti為罐體頂部對應各種材料的厚度，δdi為底部對應各種材料的厚度，m； λwi，λti，λdi為發酵罐外壁、罐頂以及罐底各種材料的導熱系數，W·m-1K-1； τ∞為換熱時間； At為罐頂面積，Ad為罐底面積，m2； td為地下1米深度處土壤溫度，取-10℃。

罐內水分蒸發熱損失Qw是蒸汽顯熱和水的汽化潛熱的總和，可由下式計算[25-26]：

(8)

式中：Ww為沼氣流中水蒸氣的質量流率，kg·d-1；Hw為水的汽化潛熱，取2415 kJ·kg-1；cw為水蒸氣的比熱，取1.882 kJ·kg-1K-1；t為發酵溫度，℃。

沼氣中水蒸氣質量流率可由下式求得[25-26]：

(9)

式中：v為發酵罐有效容積，取252 m2； γ為甲烷的體積產率，按沼氣中甲烷含量平均值65%記，甲烷的體積產率為1.381 m3·m-3d-1；f為沼氣中甲烷的體積分數，即65%；

Xw為沼氣中水的分子分數，可由下式計算[25-26]：

(10)

綜上可求得發酵罐的水分蒸發熱損失Qw。

由于沼氣的主要成分為CH4和CO2，所以沼氣排出帶走的顯熱損失主要為CH4和CO2二者的顯熱之和，則沼氣帶走的顯熱損失Qg計算式如下[25-26]：

由發酵罐參數計算可知，發酵罐中料液每下降1℃損失的熱量Qf為1045.585 MJ，則發酵罐日下降溫度Td可由下式計算：

Td=QT/Qf

(12)

2.2 沼液回熱器回熱量計算方法

沼氣系統每日排料中有70%，即6.65 m3排料進入沼液回熱器，不考慮管路損失等因素，沼液與內水箱外壁面、水與內水箱內壁面之間均為自然對流換熱[20]。由熱量計算公式，自然對流微分方程組、傅里葉導熱定律和牛頓冷卻定律得到公式(13)～(15)，式中C和n值根據Gr數確定[20]。對公式(15)分段積分計算出Ф2。再根據公式(13)計算出換熱后的水溫，進一步求得沼液回熱器回收熱量：

(14)

(15)

公式(13)～(15)中：Qh為沼液回熱器中沼液的熱量，τ∞為換熱時間，24 h，Ф1為外壁與外環境間的熱流量，Ф2為沼液與水換熱的熱流量，t1為開始換熱時壁溫，t2為結束換熱時壁溫，t∞為外環境溫度，h1為外壁與環境對流換熱系數，A1為外壁表面積，Δt1為外壁與環境溫差，tf為發酵溫度，h2為沼液與內水箱對流換熱系數，A2為內水箱表面積，Δt2為沼液與內水箱中水的溫差； 沼液初始溫度為30℃，37℃和52℃，初始水溫5℃。

計算時，沼液回熱器內特征長度取內水箱高1 m，特征溫度選取內水箱內外溫度和的平均值； 沼液回熱器與外界環境換熱特征值取沼液儲存箱高1.41 m，特征溫度取外壁與環境溫度和的平均值。式中C，n的選取可參照表2選取[20]。

2.3 系統節能效果計算方法

排料中的70%進入沼液回熱器與水完成換熱，剩余30%的沼液代替水進入調節池與發酵原料混合，實現對料液中熱量的回收，則回熱回質后，系統的每日熱損失QLr應為：

表2 常數C和n值選擇

QLr=QL-Qr

(16)

式中：Qr為沼液回熱器回收熱量與沼液液回流部分所含熱量之和，即總節能量。

系統節能量用于提升進料溫度，則提升后溫度[20]可用公式(17)求得：

(17)

蘭州地區冬季寒冷，日照時間短，強度弱，取蘭州寒冷月份平均日輻照13.4 MJ·m-2計，由公式(18)求得以太陽能作為外部熱源的沼氣系統所節約太陽能集熱器面積[27]：

(18)

式中：As為節省的太陽能集熱面積，m2；Qra為寒冷月份平均日節能量，MJ；HT為單位集熱面積日平均太陽輻照量；ηs為太陽能集熱器集熱效率，取0.5；ηg為管路及熱水箱熱損失，取0.2。

若以燃料(沼氣，煤炭)作為沼氣系統外部熱源，則帶有回熱回質的恒溫沼氣系統寒冷月份節省燃料量可由下式計算[7]。

寒冷月份節省煤炭量計算公式：

Qrt=mqcηc

(19)

式中：Qrt為寒冷月份總節能量，MJ；m為沼液余熱回收年節省標煤質量，kg；qc為標煤熱值，29.3 MJ·kg-1；ηc為燃煤加熱系統效率，取0.7。

寒冷月份節省沼氣計算公式：

Qrt=Vqmηm

(20)

式中：V為寒冷月份燃氣鍋爐消耗沼氣體積；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。

3 結果與分析

3.1 系統相關熱量計算結果

蘭州地區典型氣象年數據[21]如圖3所示：

圖3 蘭州地區寒冷月份(12月，1月，2月)日環境溫度

由圖3可知，蘭州地區12月，1月，2月這3個月份氣候寒冷，日平均環境溫度在-11.8℃～3.8℃之間，以此為計算數據，可對本文構建的帶有回熱回質的恒溫沼氣生產系統相關熱損失及節能量進行計算, 并對節能性進行評價分析。

為評價回熱回質后系統的節能性，對未采取節能措施前，寒冷月份不同發酵溫度下沼氣系統熱損失進行計算，結果如圖4所示：

圖4 寒冷月份不同發酵溫度未節能時系統每日熱損失

由圖4可以看出，寒冷月份發酵溫度為30℃，37℃，52℃時，沼氣系統未采取相應節能措施時，每日熱損失分別為1541.72～1622.93 MJ，1879.55～1960.78 MJ和2607.33～2688.61 MJ，52℃發酵時的系統熱損失相比于30℃發酵時增加了66.09%，相比于37℃發酵時增加了37.26%，熱損失的增大意味著外部熱源投入的加大，52℃發酵雖有利于提高沼氣產量，但為了維持高溫恒溫發酵所投入的外部能源成本也會增大許多。

發酵罐采取保溫措施后，對寒冷月份不同發酵溫度下發酵罐內部日溫降進行計算，以評價其保溫性能，結果如圖5所示：

圖5 寒冷月份不同發酵溫度系統發酵罐每日溫降

由圖5可知，在寒冷月份，30℃，37℃和52℃這3種發酵溫度下，環境溫度低至-11.8℃，發酵罐的保溫設計仍可以保證罐內料液日溫降在0.5℃以下，即發酵罐日溫降不會影響罐內發酵過程。

通過計算，寒冷月份不同發酵溫度下沼液回熱器回收熱量結果如圖6所示：

圖6 寒冷月份不同發酵溫度沼液回熱器日回收熱量

由圖6可知，寒冷月份30℃，37℃，52℃發酵時，沼液回熱器日回熱量分別為326.96～332.63 MJ，420.12 ～425.82 MJ和619.73～625.47 MJ，從發酵溫度來看，沼液回熱器回熱量與發酵溫度成正比，溫度越高，回收熱量越多； 從整體來看，沼液回熱器回熱相對穩定，日回熱量波動小，即回熱量受環境溫度影響小，裝置可靠。

將回熱回質后的沼氣系統的相關節能量計算結果進行匯總，如圖7所示：

圖7 寒冷月份不同發酵溫度下沼氣系統節能量

由圖7可以看出，寒冷月份30℃，37℃，52℃發酵時，帶有回熱回質的恒溫沼氣系統的整體節能情況。30℃，37℃，52℃發酵時，進入沼液回熱器的70%的料液，其總熱能分別為74.40 GJ，91.76 GJ和128.96 GJ，沼液回熱器可分別從中回收熱量29.66 GJ，37.49 GJ和56.01 GJ，回熱率分別為39.87%，40.86%和43.43%； 將30%沼液回流，相當于將其熱量直接回收，回收總熱量分別為31.88 GJ，39.32 GJ和55.27 GJ； 則寒冷月份以回熱回質的形式對沼氣系統進行節能，總節能量分別為61.54 GJ，76.81 GJ和111.28 GJ，節能率分別為42.50%，43.84%，46.27%。

3.2 系統的節能性分析

3.2.1 沼液回熱回質節能效果分析

沼液自身粘性和其中部分難降解物質會影響沼氣發酵系統的產氣性能，故在寒冷季節30℃，37℃和52℃發酵時，將每日沼液回流量控制在30% 左右，以保證沼氣系統產氣不受影響的同時每月可節約水資源85噸； 沼液回流熱量結合沼液回熱器回熱量，在沼氣系統外部熱量輸入不變的情況下，可將料液初溫從5℃分別提升至22.37℃，26.68℃，30.41℃。

3.2.2 沼液回熱回質-太陽能加熱方式節能效果分析

由公式(18)計算得出，采用沼液回流、沼液回熱器回熱結合太陽能集熱器加熱的方式對沼氣系統加熱，在30℃，37℃和52℃這3種發酵溫度下，可節省的太陽能集熱器面積分別為127.58 m2，159.23 m2和230.68 m2。

3.2.3 沼液回熱回質-燃料加熱方式節能效果分析

由公式(19)，(20)計算出寒冷月份30℃，37℃和52℃發酵時，以煤炭作為外部能源加熱時，采用沼液回流和沼液回熱器回熱的恒溫沼氣生產系統可減少燃煤量3.00噸，3.75噸和5.43噸； 以沼氣作為外部能源加熱的條件下，可減少沼氣消耗3713.07 m3，4634.37 m3和6713.62 m3。

4 結論

(1)在寒冷月份(12月，1月，2月)30℃，37℃和52℃發酵時，沼氣系統采用沼液回熱器回熱，回熱率分別為39.87%，40.86%和43.43%，結合沼液回流的方式，節能效果明顯，節能率分別達到42.50%，43.84%，46.27%。

(2)寒冷季節沼氣系統在原有能量攝入的基礎上需額外增加外部能源輸入，帶有回熱回質的恒溫沼氣生產系統，以30℃，37℃和52℃發酵時，采用太陽能加熱的方式，可節省太陽能集熱器面積127.58 m2，1459.23 m2和230.68 m2； 采用燃煤加熱的方式，可節省燃煤量3.00噸，3.75噸和5.43噸； 采用沼氣燃燒加熱的方式，可節省沼氣3713.07 m3，4634.37 m3和6713.62 m3。

(3)將排料中30%的沼液直接回流，在直接回收熱量的同時，避免了沼液回流量過大而影響沼氣系統發酵物質間的傳熱傳質； 用沼液回熱器對剩余70%排料進行回熱，避免了采用換熱器而造成腔體堵塞等問題的發生。沼氣系統采用回熱回質的方式，回熱效果良好，其回熱方式與沼氣系統的加熱方式無關，故具有很好的適用性。

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Energy Saving Analysis on Thermostatic Biogas Digester System with Heat and Mass Recycling /

LI Jin-ping1, 2, 3， HU Ying-ying1, 2, 3， HAN Jing-yi1, 2, 3， FENG Rong1, 2, 3/

(1.Western China Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China； 2. China Northwestern Collaborative Innovation Center of Key Technology for Northwest Lowcarbon Urbanization, Lanzhou 730050, China； 3. Gansu Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy, Lanzhou 730050, China)

In order to change the situation of high energy consumption during the operation of thermostatic biogas digesters and heat wasting during the discharging in cold months, a thermostatic biogas digester system with heat and mass recycling was designed, in which the heat from biogas slurry was recovered by reflowing part of slurry and a designed heat regenerator, and some additional heat insulation measures.Meanwhile, the systematic energy saving analysis was made adopting typical meteorological data in Lanzhou.. The results showed that the daily temperature drop for the heat and mass recycling system was less than 0.5℃, 85 tons of water could be saved every month. And under the fermentation temperature of 30℃, 37℃ and 52℃, the energy saving rate were 48.24%, 49.43% and 50.92% respectively, effectively reduced the cost of external heating energy consumption.

thermostat biogas digester system; cold months; biogas slurry heat generator; heat loss; energy saving

2015-11-02

2015-11-06

項目來源： 國家“863”計劃課題(2014AA052801)； 甘肅省杰出青年基金(2012GS05601)； 蘭州理工大學“紅柳杰出人才計劃”(Q201101)

李金平(1977-)，男，寧夏中寧人，教授，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

S216.4; TK115

B

1000-1166(2016)06-0058-07