北京地區(qū)太陽能、空氣源熱泵、發(fā)電余熱聯(lián)合沼氣工程增溫系統(tǒng)研究

李金平， 劉 潤， 崔維棟， 黃娟娟

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 蘭州 730050； 3.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 蘭州 730050； 4.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050)

隨著沼氣技術(shù)的不斷進(jìn)步，針對不同地區(qū)的沼氣示范工程也逐漸建立[1]，沼氣技術(shù)及厭氧發(fā)酵技術(shù)不僅可以處理有機(jī)廢棄物，減少環(huán)境污染而且可以得到清潔能源沼氣，沼氣發(fā)電越來越普遍[2-5]。溫度是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率的關(guān)鍵因素之一，根據(jù)沼氣發(fā)酵溫度可分為常溫發(fā)酵區(qū)10℃～26℃，中溫發(fā)酵區(qū)28℃～38℃，高溫發(fā)酵區(qū)46℃～60℃[6-8]。由于中溫厭氧發(fā)酵原料產(chǎn)氣率較高，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，被大多數(shù)沼氣工程選擇[9-11]。北京地區(qū)屬于北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，冬季比較寒冷，環(huán)境溫度較低，如何保證沼氣發(fā)酵工程常年穩(wěn)定運(yùn)行，保持恒定，高效的產(chǎn)氣量，就要對沼氣發(fā)酵溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，采取適當(dāng)?shù)募訜岜卮胧拱l(fā)酵溫度不隨環(huán)境氣候變化[12-16]。因此采取什么樣的增溫措施進(jìn)行熱量補(bǔ)充，保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是研究的關(guān)鍵問題。

目前，主要增溫方式有生物質(zhì)鍋爐增溫、太陽能增溫、電加熱增溫、沼氣發(fā)電余熱利用等增溫方式[17-20]。太陽能增溫系統(tǒng)采用定溫控制，通過太陽能集熱系統(tǒng)完成熱能的采集和傳輸，熱水通過換熱管對料液進(jìn)行增溫[21]。沼氣發(fā)電余熱是一種最快的加熱方式，使用于沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程中[22-25]。但是單一的增溫方式易受天氣、地理位置限制、機(jī)械故障等影響[26]。針對以上問題文章在北京構(gòu)建了一套太陽能、空氣源熱泵、發(fā)電余熱聯(lián)合沼氣增溫系統(tǒng)，用于解決沼氣池增溫問題。

1 研究對象和系統(tǒng)介紹

1.1 介紹研究對象

本試驗(yàn)在北京進(jìn)行，采用中溫發(fā)酵，選擇牛糞作為發(fā)酵原料，原料來自養(yǎng)殖場，TS 8%，發(fā)酵溫度：中溫發(fā)酵37℃±1℃，日產(chǎn)氣量480 m3。

1.2 太陽能、空氣源熱泵和沼氣余熱發(fā)電中溫厭氧發(fā)酵增溫系統(tǒng)圖

系統(tǒng)包括太陽能集熱器、空氣源熱泵、發(fā)電機(jī)組、蓄熱水箱、發(fā)酵罐、脫水器、脫硫器和煙氣-水換熱器。太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電余熱系統(tǒng)將太陽能集熱器所集熱的熱量、空氣源熱泵提供的熱量及沼氣發(fā)電余熱所產(chǎn)生的熱量進(jìn)入在蓄熱水箱中進(jìn)行換熱，通過換熱管實(shí)現(xiàn)對發(fā)酵物料的增溫，使發(fā)酵罐維持在中溫厭氧發(fā)酵范圍內(nèi)，發(fā)酵罐內(nèi)所產(chǎn)生的沼氣在經(jīng)過脫水器、脫硫器。從發(fā)電機(jī)組排放的煙氣通過一個煙氣-水換熱器來實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。太陽能集熱器采用全玻璃真空管吸收太陽能加熱工質(zhì)，太陽能集熱系統(tǒng)是通過太陽能集熱器與水箱之間的溫差控制，當(dāng)太陽能集熱器與蓄熱水箱溫差大于10℃時，溫差循環(huán)泵開啟進(jìn)行強(qiáng)制換熱，當(dāng)太陽能不充分時，熱源來源于空氣源熱泵和沼氣發(fā)電余熱進(jìn)行增溫，發(fā)電機(jī)組內(nèi)循環(huán)冷卻水通過缸套水熱交換器預(yù)熱，外循環(huán)冷卻水通過廢氣熱交換器預(yù)熱后進(jìn)入蓄熱水箱，實(shí)現(xiàn)熱量交換，達(dá)到增溫的目的。當(dāng)蓄熱水箱溫度低于50℃，發(fā)電余熱增溫不運(yùn)行，太陽能集熱器無法達(dá)到蓄熱水箱的設(shè)定溫度時 ，空氣源熱泵自動開啟，空氣源熱泵加熱采用自動控制方式。太陽能集熱器采用Ф47×1500 mm型全玻璃真空管，蓄熱水箱容量是10 m3，保溫層厚度是50 mm的聚氨酯，空氣源熱泵額定制熱量為36000 W，額定輸入功率為9370 W，發(fā)電機(jī)組是50 kW，發(fā)酵罐容量是350 m3。具體詳情參數(shù)見表1。

圖1 太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電余熱中溫厭氧發(fā)酵增溫系統(tǒng)圖

1.3 沼氣增溫控制圖

沼氣工程系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)酵罐溫度≥36℃時，增溫系統(tǒng)不工作；當(dāng)發(fā)酵罐溫度<36℃時，增溫系統(tǒng)開始運(yùn)行；當(dāng)蓄熱水箱溫度<50℃，太陽能集熱器與蓄熱水箱溫差>10℃時，溫差供暖循環(huán)泵開啟進(jìn)行強(qiáng)制換熱。沼氣發(fā)電系統(tǒng)啟動時，利用沼氣發(fā)電余熱給蓄熱水箱增溫，最終發(fā)酵罐內(nèi)溫度達(dá)到中溫發(fā)酵增。太陽能集熱器水溫在<50℃，沼氣發(fā)電余熱增溫不運(yùn)行時，太陽能集熱器無法達(dá)到蓄熱水箱的設(shè)定溫度，空氣源熱泵自動開啟，從而保證發(fā)酵罐溫度的穩(wěn)定性。沼氣增溫控制圖見圖2，主要加熱設(shè)備見表1。

圖2 沼氣增溫控制圖

表1 主要加熱設(shè)備

測試參數(shù)包括空氣源熱泵進(jìn)出口溫度、熱泵供暖流量、太陽能集熱器進(jìn)出口溫度、太陽能供暖流量、蓄熱水箱溫度、耗電量、環(huán)境溫度、太陽輻射量等，采用Agilent34970A數(shù)據(jù)采集器對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集和記錄，時間間隔為10 s，空氣源熱泵運(yùn)行的耗電量采用人工讀取的方法。各種主要儀器及技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 主要儀器及技術(shù)參數(shù)

2 系統(tǒng)熱負(fù)荷的計算

2.1 發(fā)酵罐增溫系統(tǒng)能量分析

發(fā)酵罐的熱負(fù)荷主要由3部分組成，發(fā)酵罐散熱引起的熱負(fù)荷，進(jìn)出物料引起的熱負(fù)荷，沼氣攜帶以及用生物熱負(fù)荷，其熱量散失所占的比重特別小，可以忽略不計，因此中溫厭氧發(fā)酵的日平均熱負(fù)荷由罐體散失的熱量和加熱物料所需的熱量組成[27]：

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q為發(fā)酵罐的熱負(fù)荷，kJ；Q1為罐體散失的熱量，kJ；Q2為加熱物料所需的熱量，kJ。

發(fā)酵罐的總散熱量包含3部分：發(fā)酵罐頂部、側(cè)壁和底部散熱量。表達(dá)式如下[28]：

Q0=Qt+Qs+Qb

(2)

式中：Qt為發(fā)酵罐頂部散熱量，kJ；Qs為發(fā)酵罐側(cè)壁散熱量，kJ；Qb為發(fā)酵罐底部散熱量，kJ。

發(fā)酵罐頂部散熱量[29]：

(3)

式中：At為罐頂面積，m2；Tin為發(fā)酵罐內(nèi)料液發(fā)酵溫度，℃；Tj為環(huán)境溫度，℃；t為時間，h；δi為發(fā)酵罐頂部各部分結(jié)構(gòu)厚度，m；λi為發(fā)酵罐頂部各部分結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1K-1；h∞為外界空氣自然對流換熱系數(shù)，W·m-2K-1，冬季取8.5，夏季取11.9，春秋兩季取平均值[30]。

發(fā)酵罐側(cè)壁散熱量[29]：

(4)

式中：L為發(fā)酵罐的高度，m；σj為發(fā)酵罐側(cè)壁各部分結(jié)構(gòu)厚度，m；λj為發(fā)酵罐側(cè)壁各部分結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1K-1。

發(fā)酵罐底部散熱量[29]：

(5)

式中:τj為發(fā)酵罐底部各部分結(jié)構(gòu)厚度，m；Ts為發(fā)酵罐底部的土壤溫度；Ab為發(fā)酵罐的底部面積，m2。

2.2 進(jìn)料所需熱量

進(jìn)料所需熱量是指一定時間內(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，發(fā)酵罐進(jìn)料所需熱量：

Q1=mcp(T-T1)

(6)

表3 發(fā)酵罐材料及相關(guān)參數(shù)

式中:m為進(jìn)料量，kg·h-1；cp為進(jìn)料比熱容，kJ·kg-1k-1；T為發(fā)酵罐內(nèi)沼液發(fā)酵溫度，℃；T1為進(jìn)料溫度，℃。

cp=4.17(1-0.00812TS)

(7)

式中:TS為料液總含固率。

文章選擇的是中溫厭氧發(fā)酵，發(fā)酵罐高6 m，直徑9.93 m，具體發(fā)酵罐的材料和相關(guān)參數(shù)如表3所示。

根據(jù)北京地區(qū)不同月份的環(huán)境溫度、土壤溫度[31]和進(jìn)口溫度對該系統(tǒng)日平均熱負(fù)荷進(jìn)行計算，如表4所示。

表4 在不同月份下日平均熱負(fù)荷

2.3 太陽能集熱系統(tǒng)熱負(fù)荷

太陽能集熱系統(tǒng)是由溫度傳感器定溫控制，通過太陽能集熱器與水箱之間的溫差控制，將集熱器吸收的太陽能不斷傳遞到蓄熱水箱，使蓄熱水箱中的熱水溫度不斷上升，達(dá)到蓄熱水箱的設(shè)定溫度。同時也受天氣情況的影響，主要用于太陽能資源豐富的地區(qū)，增溫系統(tǒng)中太陽能增溫系統(tǒng)可以提供的熱量計算。

Q=A×[J×η×(1-ηL)]/f

(8)

式中：A為集熱器采光面積，m2；J為集熱面上日平均輻射強(qiáng)度，MJ·m-2d-1；η為集熱器全日集熱效率；ηL為管路及儲水箱熱損失率；f為太陽能保證率。

系統(tǒng)采用全玻璃真空管集熱器，試驗(yàn)系統(tǒng)集熱面積是290 m2，集熱器設(shè)置方向?yàn)檎希掌骄療嵝嗜?5%；ηL為管路及熱水箱損失效率，系統(tǒng)取0.2；f為太陽能保證率，相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

表5 太陽能保證率為100%集熱器集熱量

2.4 空氣源熱泵供暖熱負(fù)荷

熱泵機(jī)組制熱量：

QHP=CPm(t1-t2)

(9)

式中：QHP為供熱模式下空氣源熱泵的制熱量，MJ；Cp為水的比熱容，J·kg-1℃-1；m為空氣源熱泵向蓄熱水箱加熱時水的質(zhì)量，kg；t1為空源熱泵提供的高溫?zé)崴钠骄鶞囟龋妫籺2為空氣源熱泵入口的平均溫度，℃。

空氣源熱泵供暖時向蓄熱水箱加熱時水的質(zhì)量是2400 kg，提供的高溫?zé)崴钠骄鶞囟仁?0℃，空氣源熱泵入口的平均溫度是55℃，經(jīng)計算，熱泵機(jī)組制熱量為50.40MJ。因?yàn)槭莾蓚€空氣源熱泵，所以熱泵機(jī)組每天制熱量為100.8 MJ。

2.5 沼氣發(fā)電余熱回收系統(tǒng)熱負(fù)荷

沼氣發(fā)電內(nèi)燃機(jī)組的總能源轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%，其中電效率為35%，熱效率通常為45%，機(jī)組廢氣、煙氣的熱量可通過熱交換系統(tǒng)進(jìn)行熱量回收，對發(fā)電余熱的回收利用既可以實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)電應(yīng)用，又可以減少能源的浪費(fèi)。該沼氣工程日產(chǎn)氣量480 m3，全部用于沼氣發(fā)電，沼氣中甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為60%，其余為二氧化碳和水等物質(zhì)，按60%CH4含量計算1m3沼氣燃燒放熱為23.85 MJ，剩余沼氣燃燒可產(chǎn)生熱量Q熱=11448 MJ，沼氣發(fā)電與煙氣回收所產(chǎn)生的余熱利用率約為45%，則每天發(fā)電余熱回收為：

Q余=0.45×Q熱=5151.6MJ

(10)

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

3.1 沼氣罐內(nèi)料液溫度變化情況的分析

該系統(tǒng)2月份進(jìn)料，3月份開始發(fā)酵，圖3為沼氣工程的罐內(nèi)發(fā)酵料液溫度及環(huán)境溫度變化圖，從圖中可以看出發(fā)酵罐料液的溫度一直維持在37℃±1℃，表明太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電余熱可以保證發(fā)酵罐內(nèi)料液溫度維持在中溫發(fā)酵溫度，由于新進(jìn)的發(fā)酵原料有一個堆漚自發(fā)熱的過程，發(fā)酵罐內(nèi)前期溫度提升較快，大約到21 d左右，當(dāng)罐內(nèi)溫度到達(dá)38℃后升溫速度逐漸放緩，隨后由于沼氣產(chǎn)量增加，發(fā)電機(jī)組回收熱量增加，溫度提升略有加快，之后的溫度一直維持在中溫發(fā)酵水平36℃左右，基本恒定，取得了良好的試驗(yàn)效果。

圖3 發(fā)酵料液溫度隨環(huán)境溫度變化圖

3.2 甲烷和二氧化碳含量

圖4是測試期甲烷和二氧化碳變化曲線，沼氣中含有甲烷、二氧化碳、硫化氫等氣體，其中甲烷的含量是沼氣品質(zhì)的重要體現(xiàn)，在發(fā)酵的啟動起始階段，由于發(fā)酵料液呈現(xiàn)弱酸性，并且還存在一些空氣，產(chǎn)甲烷菌活性不強(qiáng)，導(dǎo)致了沼氣成分中二氧化碳的含量偏高，甲烷的含量偏低，隨著計算機(jī)輔助菌種選擇技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，在第15天甲烷含量達(dá)到最大，為60%，主要原因是加了高效智能菌種，產(chǎn)甲烷菌的活性逐漸增強(qiáng)，提高厭氧處理的甲烷含量。料液pH值穩(wěn)定在6.5～7.5之間，甲烷含量最終在50%～60%的范圍內(nèi)變化，而二氧化碳含量將在36%～47%之間變化。

3.3 沼氣發(fā)電機(jī)組日均發(fā)電量

從圖中可以看出沼氣發(fā)電機(jī)組的日均發(fā)電量的變化，沼氣發(fā)電機(jī)利用產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行余熱增溫，發(fā)電量初期比較小，之后隨著沼氣產(chǎn)氣量的增加，日均發(fā)電量也在增加，在17 d時發(fā)電量達(dá)到峰值，為1056 kWh，在此過程中為了保證供給發(fā)酵罐穩(wěn)定的熱量，由于太陽輻射好，太陽能集熱系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合提供的熱負(fù)荷有所增加，運(yùn)行人員調(diào)整發(fā)電機(jī)負(fù)荷從1056 kWh至720 kWh，使得沼氣單位時間內(nèi)所消耗的沼氣量減少，保證了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電用于廠區(qū)上網(wǎng)，可以滿足廠區(qū)的供電需求。

圖4 甲烷和二氧化碳含量

圖5 沼氣發(fā)電機(jī)組日均發(fā)電量變化圖

4 增溫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

本文以太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電余熱聯(lián)合供暖系統(tǒng)為對象，對加溫系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析計算。銀行存款年利率以3%計(5年定期存款的年利率為2.75%)。太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電聯(lián)合供暖系統(tǒng)初投資3.9萬元，使用年限為15年。電加熱系統(tǒng)初投資2.8萬元，使用年限為 15年。耗電量記錄采用三相四線電能表，每天可以人工讀數(shù)，太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電聯(lián)合供暖系統(tǒng)耗電量16 kWh。電費(fèi)按照0.5 元·kWh-1，運(yùn)行時間按照120 d計算。太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電余熱聯(lián)合供暖系統(tǒng)初投資3.9萬元，電費(fèi)用960元；電加熱系統(tǒng)初投資2.8萬元，耗電量為56 kWh，電費(fèi)3360元；太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電聯(lián)合供暖系統(tǒng)較電加熱每年節(jié)省電費(fèi)2400元。可見，太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電聯(lián)合供暖系統(tǒng)較前兩種具有明顯的節(jié)電優(yōu)勢。雖其初投資費(fèi)用較高，但每年可節(jié)約電費(fèi)2400元，從長遠(yuǎn)使用的角度，該系統(tǒng)具有較高經(jīng)濟(jì)可行性。節(jié)省的電費(fèi)可以實(shí)現(xiàn)凈現(xiàn)值。

凈現(xiàn)值的計算公式如下[32]：

(11)

式中：Ai為每年凈效益；i為銀行存款年利率；N為使用年限。比較電加熱系統(tǒng)，運(yùn)行15年產(chǎn)生的效益折算成凈現(xiàn)值，由公式(11)計算得：

投資回收期計算，按凈回收年限法，投資回收期的計算公式如下：

(12)

式中：T為投資回收期。

太陽能、空氣源熱泵和沼氣發(fā)電余熱聯(lián)合供暖系統(tǒng)多投資的費(fèi)用回收期由公式(12)可計算：

即4.6年內(nèi)可以收回多投資的費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

文章在北京地區(qū)構(gòu)建了一套太陽能、空氣源熱泵、發(fā)電余熱聯(lián)合沼氣增溫系統(tǒng)，得出以下結(jié)論。

(1)北京地區(qū)沼氣工程全年月平均熱量損失為7325.0 MJ，太陽能、空氣源熱泵、發(fā)電余熱聯(lián)合沼氣增溫系統(tǒng)月平均補(bǔ)充的熱量為7464.1 MJ，利用太陽能、空氣源熱泵和發(fā)電余熱聯(lián)合沼氣增溫系統(tǒng)對該工程中的發(fā)酵罐體進(jìn)行增溫，可以保證發(fā)酵罐內(nèi)料液溫度一直維持在37℃±1℃。

(2)太陽能、空氣源熱泵、發(fā)電余熱聯(lián)合沼氣增溫系統(tǒng)比電加熱系統(tǒng)增加投資效益凈現(xiàn)值28640元，投資回收期為4.6年，太陽能、空氣源熱泵、發(fā)電余熱聯(lián)合沼氣增溫系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時也有利于保護(hù)環(huán)境，不但解決了生物質(zhì)資源的處理問題，減少了污染， 還可以提供良好的有機(jī)肥料。

(3)全面分析了太陽能、空氣源熱泵、發(fā)電余熱聯(lián)合沼氣增溫系統(tǒng)供能需求和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合北京地區(qū)太陽能資源豐富的特點(diǎn)，在充分利用太陽能資源的基礎(chǔ)上，為保證在極端天氣供給發(fā)酵罐穩(wěn)定的熱量，啟動空氣源熱泵供熱的同時，將發(fā)電余熱的廢棄資源回收再利用，減少了能源投入，提高了經(jīng)濟(jì)效益，而且克服了兩種增溫系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高了能源利用效率。保證發(fā)酵罐內(nèi)相對穩(wěn)定的發(fā)酵溫度，為以后在北方寒冷地區(qū)大中型沼氣工程中常年運(yùn)行具有一定的參考意義。