技術 | 沼氣發電站厭氧罐的熱平衡與調節
導語
河南沼氣設備廠家之我國農村有著豐富的生物質原料，以生物質原料生產沼氣是重點開發的新能源，可以解決農村的部分用能。沼氣發電技術采用大型沼氣池產生的沼氣作為燃料，驅動綜合發電裝置產生電能和熱能，具有節能、安全和環保等特點，并且有很好的經濟性，是一種很有發展潛力分布式能源。
 
沼氣發電站主要由厭氧消化裝置、發電裝置及輔熱裝置組成，生物質原料在厭氧消化池發酵時，為**沼氣均勻持續地產生，需要一個溫度恒定的環境，而且當溫度處于消化溫度范圍。
 
因此，厭氧消化池的溫度平衡對整個發電站的運行有著至關重要的作用。本文將結合工程實例，對沼氣發電站厭氧罐的熱平衡進行計算，并分析熱平衡的調節方法。
 
一、工程實例
在實際沼氣發電站工程中，原料（鴨糞）先經過除砂、調漿，同時利用燃氣鍋爐產生的蒸氣在調漿池對進料進行初步加熱，然后進入厭氧消化池，產生的沼氣經過脫硫等一系列處理后，供給沼氣發動機燃燒發電發動機余熱產生的熱水用來給厭氧消化池加熱。
 
厭氧罐單罐容積2000ｍ3，厭氧罐整體外部15cm聚氨酯發泡保溫，通過環繞在罐體外的加熱帶進行加熱。單罐日進料量100ｔ，進料濃度10%鴨糞含量），共8個罐體。進料加熱在調漿池進行，每次400m3，加熱時間4小時，再分別送到4個罐體。
 
該項目的沼氣產量1000m3/h，采用兩臺發電機組，沼氣的總用量48m3/h，發電輸出功率為1063KW×2，余熱量為572KW，可以輸出170℃蒸汽1.2t/h。厭氧罐的平衡溫度與季節有關，平衡溫度可以按春秋、夏、冬三個季節的典型環境溫度計算。
 
二、熱平衡計算
罐體向周圍空氣的對流換熱會損失一部分熱量，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，假設罐內原料得到充分攪拌，每次進料能及時與罐內原料混合，罐內原料的溫度均勻分布。
 
1罐體對空氣的散熱
由于罐體的直徑遠大于壁厚，可將其簡化視為無限大平壁，平壁的兩側分別是攪拌流動的原料和流動的空氣，從內到外的傳熱依次是原料與罐體內壁的對流換熱，罐體及保溫材料內的導熱，保溫材料外壁與空氣的對流換熱。其中傳熱方程為：
式中：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，分別取75KW/（m·K）與0.03KW/（ｍ·K）。
 
其中對流換熱系數hstf和hair 以通過努謝爾數得到：
Nu ＝hl/λ
努謝爾數根據流體外掠平板對流換熱公式求得：
Nu＝（0.037Ｒｅ0.8－817）Ｐr1/３
（Re ≤107，0.6≤Pr≤60）
式中：Nu為層流、湍流的平均努謝爾數；Re為流體雷諾數；Pr為普朗特數。
 
厭氧罐周圍環境空氣的計算溫度及風速取自《采暖通風與空氣調節室外氣象參數》，其他物性參數取自美國國家標準技術研究所（NIST）數據庫，見表１；罐內原料的物性隨鴨糞含量、消化程序的不同而變化，為計算方便以水的物性參數代替，攪拌流動速度取0.1m/s。
 
 
2罐體從加熱帶的得熱
從發動機余熱換熱器出來的高溫熱水通過加熱帶向罐內原料放熱，此換熱過程原料與內壁的換熱繼續視為大平板對流換熱，計算方程與散熱方程相同。熱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罐體通過保溫材料向空氣散熱量，KW。kHz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為外流體的大溫差和小溫差，℃由于該方程組為非封閉方程組而且未知量多，所以添加水側的進出口熱平衡方程：
Qw= QmCpΔtw
式中：Qw為水流帶入的熱量，KW；Qm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之差足夠時，可認為計算達到平衡。整個系統熱平衡計算過程為：
 
①假設罐內原料溫度t0和水側出口溫度tw2，計算進料后混合原料的溫度t1；
②根據定性溫度，計算換熱方程的各參數，如Re、Nu、h、k，得到換熱量Q；
③根據Qh＋Qh′與Qw之差調整水側出口溫度tw2，直至兩者誤差在0.1%以內；
④按 Δtetf＝Qw/（mstf·Cstf）得到原料在一次進料周期內的溫升；
⑤對比t0′＝t1＋Δtstf與假設溫度t0 之間的誤差，調整t0，再次計算，直至兩者相對誤差在0.05%以內時，計算完成，認為此時系統熱量平衡。
 
3罐內原料溫升
對全年不同季節進行計算，得到表2表3中的計算結果，其中夏季因環境溫度較高，熱水未對罐體進行加熱，即Qh＝0，全部得熱量由蒸汽氣加熱進料提供。
 

可見在冬夏季，該沼氣發電站厭氧消化系統的熱平衡溫度在30～35℃之間，處于厭氧消化的消化溫度范圍。其中典型季節冬季，輸入的能源為原料鴨糞，產生的沼氣全部用于系統的沼氣發動機，.終輸出電能。過渡季因加熱量不變，而散熱量較少，厭氧消化溫度接近40℃，但并不會對厭氧消化產生過多不利的影響，而且整套系統的運行方式不變，從工程角度與運行控制角度，都是適合的運行策略。
 
 結語
 
沼氣發電站厭氧消化池的熱平衡決定了產生沼氣的速率及產量，厭氧消化系統的穩定對沼氣發電有著重要作用，通過對厭氧消化罐的加熱系統建立傳熱模型，計算一次進料周期內系統的得熱量和散熱量，判斷系統的穩定溫度是否處于消化溫度范圍，可以為厭氧消化罐的加熱系統提供調節措施，并為沼氣發電站前期設計計算提供可行方法。來源：《電力與能源》 作者：馬飛 劉宇
來源：@沼氣圈
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