王魯民 趙志斌 夏曉芳 張 亮
摘 要:以主要原料為牛糞的中溫發(fā)酵沼氣工程為研究對象,構建產(chǎn)氣規(guī)模為1萬m?/d的沼氣工程模型。經(jīng)分析,沼液回收熱量占總需熱量的35%,可利用性高,回收價值較大。
關鍵詞:厭氧發(fā)酵;沼氣;沼液;余熱回收
中圖分類號:S216.4 文獻標識碼:A DOI:10.11974/nyyjs.20180233221
隨著我國城鎮(zhèn)化水平的提高,畜禽養(yǎng)殖有機廢棄物造成的環(huán)境污染問題日益凸顯。沼氣工程在處理有機廢棄物的同時能夠產(chǎn)生清潔能源生物天然氣,在一定程度上緩解了我國城鎮(zhèn)化進程中的環(huán)境、能源等問題,但在運行過程中的能耗高、熱損大等問題依然存在。張佳等[1]以國內(nèi)4個典型車用生物燃氣工程為研究對象,通過對其進行余熱和需熱分析統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)沼液余熱節(jié)能潛力最大,應重點回收。
本文以青島地區(qū)某大型沼氣工程運行數(shù)據(jù)為基礎,該工程主要原料為牛糞,采用中溫CSTR厭氧工藝,構建規(guī)模為2個5000m?厭氧發(fā)酵罐的沼氣工程模型,厭氧發(fā)酵罐徑高比為1,對沼液余熱進行定量評估和可用性分析,為沼氣工程沼液余熱回收提供數(shù)據(jù)支持。
1 模型構建
相關研究表明,厭氧發(fā)酵過程中的主要熱量消耗包括:發(fā)酵罐的熱散失、蒸發(fā)及沼氣外流導致的熱量損失、將原料升溫至發(fā)酵溫度所需熱量、發(fā)酵菌群體系進行生物代謝時的反應熱等[2]。因蒸發(fā)及沼氣外流導致的熱損失與發(fā)酵菌群體系進行生物代謝時的反應熱,其數(shù)值較小,且可互相抵消,構建模型熱損失核算包括:發(fā)酵罐的熱散失和將原料升溫至發(fā)酵溫度所需熱量。
1.1 發(fā)酵罐熱散失
厭氧發(fā)酵罐的熱損失主要包括灌頂、管壁和罐底熱散失,其中灌頂與罐壁部位主要是罐外層與空氣之間的對流熱散失Q1,罐底部位主要是罐底與土壤之間的熱散失Q2,計算式如下。
式中,為發(fā)酵罐內(nèi)體系溫度37℃;為空氣溫度,即外界環(huán)境溫度;為灌頂與空氣接觸面積288m2;為罐壁與空氣接觸面積;為發(fā)酵體系與空氣間的罐壁板和保溫層熱阻之和;為空氣對流傳熱系數(shù);為罐底土壤溫度,該溫度基本恒定在20℃;為罐底與土壤接觸面積264m2;為發(fā)酵體系與土壤間的罐底熱阻之和。
1.2 原料升溫熱耗
原料升溫熱耗Q3計算式如下:
式中,為進料比熱,4.2103j/(kg·℃);為每日進料量,400t/d;為發(fā)酵罐內(nèi)體系溫度37℃;為進料溫度,等于外界環(huán)境溫度Ta。
1.3 沼液熱量回收
沼液可供回收熱量Qr計算式如下:
式中,為沼液比熱,4.2103j/(kg·℃);為每日沼液產(chǎn)量,387t/d;為流出體系沼液溫度37℃;為余熱回收后沼液溫度,設定為土壤溫度20℃。
2 結(jié)果分析
構建模型相關計算結(jié)果見表1所示。
根據(jù)表1計算結(jié)果數(shù)據(jù),沼液每天可供回收的熱量Qr為27632MJ,但因沼液在流出發(fā)酵罐過程中及在余熱回收過程中有一定的熱損失,其實際可供回收的熱量約為70%[3],即19342MJ/d。按照熱泵工作4h/d計算,熱泵輸入功率為336kW,耗能量約為4838MJ。按照上述分析,每天實際沼液余熱回收量與回收過程中的耗能量之差為14504MJ。分析結(jié)果見表2所示。
3 結(jié)論
以牛糞為原料,產(chǎn)氣規(guī)模為1萬Nm?的中溫發(fā)酵沼氣工程,其沼液余熱回收凈值為14503m?/d,需熱量最大的月份為1月份,合計為64343MJ/d,該月沼液回收余熱量占總需熱量得23%;需熱量最小的月份為8月份,合計為20254MJ/d,該月沼液回收余熱量占總需熱量得72%。
全年平均熱損失為41900MJ/d,若按照沼氣熱值21MJ/m?計算,年需熱量約相當于70萬m?沼氣。
沼液余熱回收熱量為14503m?/d,年回收熱量約相當于25萬m?沼氣,占總需熱量的35%,有較高的回收價值。
參考文獻
[1]張佳,邢濤,孫永明,等.車用生物燃氣工程范例余熱定量評估及可利用性分析.農(nóng)業(yè)工程學報,2017(9):232-236.
[2]裴曉梅,石慧嫻.太陽能-沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加熱系統(tǒng).同濟大學學報,2012(2):292-296.