生物燃氣熱電聯產系統能量利用效率分析*

劉澤慶，王 星，張瑞娜，畢珠潔，吳長淋

（上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200232）

·檢測與評價·

生物燃氣熱電聯產系統能量利用效率分析*

劉澤慶，王 星，張瑞娜，畢珠潔，吳長淋

（上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200232）

以某雞糞厭氧工程熱電聯產為研究對象，對系統的熱電供給側和需求側進行熱力分析。研究發現：厭氧工程所采用的燃氣內燃機+余熱鍋爐系統供熱效率為44.4%，供電效率為36.6%，但是實際運行中余熱鍋爐蒸汽和缸套水僅用來加熱物料及厭氧罐保溫，有大量的蒸汽和缸套水沒有得到有效利用，從需求側計算，熱效率僅為21.9%。建議使用余熱鍋爐蒸汽進行二次發電，增加雞糞厭氧處理制取天然氣設備，提高熱力需求，進而提高綜合熱電效率。

雞糞厭氧；熱電聯產；缸套水；厭氧罐

生物燃氣俗稱沼氣，是一種發展很快的清潔可再生能源［1］。沼氣熱電聯產系統采用沼氣作為燃料，驅動燃氣輪機或者燃氣內燃機產生電能，高溫煙氣通過余熱鍋爐產生蒸汽，具有安全、環保等特點，是一種很有發展潛力的分布式能源［2-3］。

針對我國目前多數生物燃氣工程熱電聯供效率低、發電余熱利用率低等工程技術問題和產業化經濟效益低、推廣度低等產業化發展障礙，筆者以某雞糞厭氧工程為例，研究系統能量優化技術。通過對生物燃氣制備過程需能、熱電聯產系統產熱和發酵系統余熱的供需平衡測算，研究生物燃氣發電系統高溫煙氣、缸套水等不同品相熱源的余熱回收利用技術，優化能級匹配，滿足生物燃氣制備過程自熱平衡，形成氣、電、熱高效聯產聯供系統能量優化配置技術，實現生物燃氣高值、高效利用，提升生物燃氣工程綜合效益。

1 項目背景及工藝簡介

本研究對象為某雞糞厭氧工程，以冬季工況為例。沼氣項目能量利用如圖1所示。

圖1 沼氣項目能量利用示意

經調研：雞糞348 t/d，產氣3.34×104m3/d，采用3臺1 068 kW發電機組。雞糞（20%TS，COD約1.0×105mg/L，總氮5 000 mg/L） 與沖洗污水（300 t/d）混合后先進水解沉砂池，然后進12個厭氧罐，固液分離后沼渣作為固態有機肥銷售，沼液進入沼液池、再作為液態有機肥銷售。沼氣通過生物脫硫塔、雙膜干式貯氣柜、沼氣火炬、沼氣增壓風機后，通過燃氣內燃機發電機組發電。發電后煙氣（522℃）經余熱鍋爐生產蒸汽（0.5 MPa，145℃）用于水解池直接加熱，尾氣180℃。內燃機余熱產生的熱水（缸套水，85℃）用于厭氧罐保溫，換熱后水溫69℃。

2 發電系統缸套水用于厭氧發酵系統保溫的熱力學分析

2.1 罐體參數

該雞糞厭氧消化工程，共設置了12個厭氧罐，設備冬季工況下罐體基本信息如下：單個厭氧罐增溫盤管表面積為600 m2，盤管材質為UPVC；熱水循環流量為25m3/h，平均每天運行5h，進出水溫度為82℃、69℃。罐表面積1008m2，罐體內壁材料為鍍鋅板，罐體內壁厚為2.5～4.0 mm，罐體保溫材料為擠塑板（導熱系數為0.03 W/（m·℃）），厚度為150 mm。罐體最外層為彩鋼瓦，厚度1 mm。罐內物料TS約為4%；厭氧罐進料溫度為33℃，冬季氣溫為-3℃。

2.2 熱平衡計算方法

罐體內物料溫度較高（35～38℃），向周圍空氣對流散熱，為了保持發酵溫度的穩定，厭氧消化罐需要加熱。為了簡化罐體對空氣散熱的計算，假設每次進料能及時與罐內原料混合，罐內發酵物料的溫度均勻分布［4-5］。

2.2.1 罐體對空氣的散熱

由于罐體的直徑遠大于壁厚，可以按無限大平壁模型計算換熱，平壁的兩側分別是攪拌流動的發酵物料和流動的空氣，從內到外的傳熱過程依次是發酵物料與罐體內壁的對流換熱，罐體及保溫材料內的導熱，保溫材料外壁與環境空氣的對流換熱。其中傳熱方程為：

式中：Qe為罐體對空氣的換熱量，kW；k為換熱系數，kW/（m2·K）；A為換熱面積，包括罐體側壁及罐頂的面積，m2；tstf和tair分別為原料平均溫度、空氣平均溫度，℃；hstf和hair分別為原料與內壁對流換熱系數和外壁與空氣對流換熱系數，kW/（m2·K）；δc和δpu分別為罐體壁厚、保溫材料壁厚，m；λc和λpu分別為罐體材料和保溫材料的導熱系數，W/（m·K）。

2.2.2 罐體從加熱帶的得熱

缸套水通過加熱帶向罐內原料放熱，此換熱過程發酵物料與內壁的換熱繼續視為大平板對流換熱，缸套水側換熱視為管內強制對流換熱，傳熱方程為：

式中：Qh和Qh′分別為加熱帶向罐體內原料的傳熱量和加熱帶通過保溫材料向空氣散熱量，kW；kh和kh′分別是加熱的換熱系數和散熱換熱系數，kW/（m2·K）；Ah為環繞罐體的加熱帶的換熱面積，m2；hw為水側對流換熱系數，kW/（m2·K）；Δtm為平均溫差，℃；Δtmax和Δtmin為內外流體的最大溫差和最小溫差，℃。

由于該方程組為非封閉方程組而且未知量較多，所以必須添加水側的進出口熱平衡方程：

式中：Qw為水流帶入的熱量，kW；qw為進水流量，kg/h；cp為定壓比熱容，J/（g·K）；Δtw為進出口水溫差，℃。

先假設水側出口溫度，進行試算，當Qh+Qh′與Qw之差足夠小時，可認為計算達到平衡。

2.3 計算結果及分析

冬季氣溫較低，需要對冬季進行熱力計算，假定為連續進料，計算結果如表1所示。從發動機余熱換熱器出來的高溫熱水（缸套水） 通過加熱帶向罐內物料放熱，缸套水帶入熱量78.5 kW，其中51.5 kW為罐體得熱，其余27 kW為加熱帶通過保溫材料對空氣的散熱。經過計算水側出口溫度68.4℃，與反饋數據69℃較為接近，可以驗證計算方法的準確性。

表1 厭氧罐熱力計算

3 單臺燃氣內燃機發電機組熱電效率

根據調研數據，單臺燃氣內燃機+余熱鍋爐熱力計算結果如表2所示。

表2 單臺燃氣內燃機+余熱鍋爐熱力計算

經過熱力計算，缸套水輸出熱量為559.9 kW，余熱鍋爐輸出蒸汽的熱量為736.3 kW，熱效率為44.4%，電效率為36.6%。

4 沼氣發電系統熱力分析

在熱力計算的基礎上，對整體熱力系統進行分析。該沼氣發電系統包括3臺燃氣內燃機、3臺余熱鍋爐、12個厭氧罐、2個水解池。系統能量流動如圖2所示。

缸套水總輸出熱量為1 677 kW，其中942 kW用于厭氧罐內物料加熱及保溫，其余735 kW沒有得到有效利用，通過散熱器進入到環境中。3臺余熱鍋爐如果同時開啟，輸出蒸汽熱量為2 208 kW，而水解池只需要976 kW的熱量，所以在實際操作中余熱鍋爐為間歇式運行。從供給側來講，燃氣內燃機的供熱效率為44.4%，電效率為36.6%。但是從需求側分析，有大量的缸套水和余熱鍋爐蒸汽沒有得到很好地利用，熱能利用效率為21.9%。建議使用余熱鍋爐蒸汽進行二次發電，增加雞糞厭氧處理制取天然氣設備，提高熱力需求，進而提高綜合熱電效率。

圖2 沼氣項目能流示意

5 結論與建議

1）對系統的熱電供給側和需求側進行熱力分析。研究發現厭氧工程所采用的燃氣內燃機+余熱鍋爐系統供熱效率為44.4%，供電效率為36.6%，但是實際運行中余熱鍋爐蒸汽和缸套水僅用來加熱物料及厭氧罐保溫，有大量的蒸汽和缸套水沒有得到有效利用，從需求側計算，熱效率僅為21.9%。建議使用余熱鍋爐蒸汽進行二次發電，增加雞糞厭氧處理制取天然氣設備，提高蒸汽和缸套水需求，進而提高綜合熱電效率。

2）針對生物質廢棄物厭氧系統進料溫度隨季節變化大（5～20℃）、而厭氧發酵系統要求溫度較高（35～38℃）的工程實際情況，建議利用厭氧發酵沼液余熱加熱水解池預處理進料，進一步提高系統的熱效率。

［1］Balat M.Global bio-fuel processing and production trends［J］. Energy Explor Exploit，2007，25（3）：195-218.

［2］張勝杰.基于燃氣內燃機的微型熱電聯產系統的性能研究［D］.重慶：重慶大學，2013.

［3］樊峰鳴，杜金宇.中小型沼氣熱電冷聯產應用的探討［J］.陽光能源，2010（1）：39-42.

［4］李超.嚴寒地區沼氣池保溫增溫優化設計研究［D］.長春：吉林建筑大學，2015.

［5］馬飛，劉宇.沼氣發電站厭氧罐的熱平衡與調節［J］.電力與能源，2013，33（6）：584-586.

Energy Utilization Efficiency of Biogas Heat and Power Production System

Liu Zeqing，Wang Xing，Zhang Ruina，Bi Zhujie，Wu Changlin
（Shanghai Environmental Sanitary Engineering Design Institute Co.Ltd.，Shanghai 200232）

In terms of the chicken manure anaerobic project with heat and power production，the supply side and demand side were analyzed.The results showed that the system of gas engine combined with waste heat boiler，the heat-supply efficiency was 44.4%and the power-supply efficiency was 36.6%.However，the steam and jacket water were just applied for heating materials and insulation of anaerobic tank during actual operation.They were not utilized efficiently.The heat-supply efficiency wasonly 21.9%from the demand side.It wasrecommended that the waste heat boiler steam can be used for secondary power generation，the equipment ofchicken manure treatment for natural gasproduction should be added，the demand for heat should be developed，thusthe thermoelectric efficiency will be improved.

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

X705

A

1005-8206（2017）01-0036-04

劉澤慶（1988—），工程師，研究方向為固體廢物處理及資源化。

E-mail：liuzeq@huanke.com.cn。

國家科技支撐計劃項目（2014BAD24B01）；上海市國資委項目（2013019）

2016-05-16