發布時間:2022-08-11 11:06來源:未知 作者:admin 點擊: 次

作者：楊博然，陳志光，秦朝葵

第一作者單位：同濟大學機械與能源工程學院燃氣工程研究所

摘自《煤氣與熱力》2019年8月刊

 

1   概述

 

目前中國沼氣產業處于高峰發展期，隨著沼氣產業的發展，沼氣熱工制度有許多地方需要完善。尤其是進料加熱造成的熱損占比很高^［1-4］，且配套的加熱措施供熱量不足甚至沒有加熱措施，導致發酵溫度下降，產氣率低，同時，多數沼氣工程未對出料余熱加以回收，造成能源浪費。為保證沼氣的高效生產，大量國內外學者對發酵罐的加熱系統進行了研究，裴曉梅等人^［5］為解決地源熱泵式沼氣池加溫系統需要打地埋井及敷設地埋管受地質水質局限等問題，構建了太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發酵加溫系統，系統能夠保證發酵池溫度（50±2）℃，沼液余熱回收量可達系統總需熱量的70％；張帥兵等人^［6］針對天津市某養殖場沼氣工程設計了1套沼氣發酵罐排料余熱回收裝置，在冬季節能率仍能達到30%以上，有效減少了排料的熱量損失；花鏡等人^［7］研究了高溫發酵的容積產氣率和余熱回收對沼氣工程凈產氣率的影響，在沼氣工程中增加余熱回收，可將沼氣凈產氣率從82%提高至90%；王曉超^［8］、遲銘書^［9］、苑建偉^［10］、王飛^［11］分別針對太陽能熱管加熱系統、太陽能—沼氣鍋爐聯合加熱系統以及農村生態校園沼氣系統雙效增溫技術等進行了研究；Rainier等人^［12］根據氣候條件（環境溫度、太陽輻射、降雨強度等），建立了用于預測半埋式厭氧消化器中的溫度變化的瞬態熱模型；Yiannopoulos等人^［13］采用太陽能加熱系統對城市污水的沼氣發酵進行加熱，研究結果表明即使在緯度高于50°的區域，使用太陽能亦可保證一年中大部分時間的操作溫度。

 

以上的研究主要針對瞬態條件下利用外界輸入能源加熱沼氣罐圍護結構方面，而對出料余熱回收提高進料溫度及其全年運行工況分析的研究卻很少。通過利用出料余熱回收技術維持沼氣溫度，既能提高能源利用率，又能增加沼氣產氣率，促進沼氣產業化。因此合理設計余熱回收系統并使之能夠連續穩定工作，對于維持沼液池溫度穩定具有十分重要的意義。為此，以哈爾濱等地區為例對沼氣工程中溫發酵系統進行研究，設計一套余熱回收裝置，并利用Dymola軟件建立熱泵模型進行性能分析。利用該模型模擬熱泵系統回收余熱的動態過程并計算可回收的余熱量。最后確定污水源熱泵能夠提供的熱量與是否需要輔助熱源以及何時開啟輔助熱源，同時對污水源熱泵在全年的工作狀況進行系統評價。

 

2   余熱回收裝置設計

 

①大中型沼氣系統耗熱分析

 

本文以一個沼氣罐容積為1000 m³的沼氣工程為研究對象，工藝流程見圖1。用于發酵的原材料首先進入預處理間（部分沼氣工程的預處理工藝在室外進行）進行預處理。原材料應與水相混合形成進料，進料中的含水量（體積分數）通常可達到90%以上。從預處理間出來的進料直接送入沼氣罐中進行發酵，沼氣罐中設有加熱盤管，用于保證中溫發酵或高溫發酵，同時設有攪拌器，攪拌沼液以使罐內溫度均勻。加熱盤管中的熱水由供熱鍋爐、熱泵、發電余熱或其他形式通過熱水交換器提供，為沼氣罐提供熱量。沼氣經脫硫脫水（脫水裝置未畫出）后用于發電或其他用途，出料進入固液分離器，分離出沼渣和沼液，沼渣可制作固體化肥，沼液可制作液體化肥。

 

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