技術(shù) | 沼氣發(fā)電站厭氧罐的熱平衡與調(diào)節(jié)
導(dǎo)語
河南沼氣設(shè)備廠家之我國農(nóng)村有著豐富的生物質(zhì)原料，以生物質(zhì)原料生產(chǎn)沼氣是重點開發(fā)的新能源，可以解決農(nóng)村的部分用能。沼氣發(fā)電技術(shù)采用大型沼氣池產(chǎn)生的沼氣作為燃料，驅(qū)動綜合發(fā)電裝置產(chǎn)生電能和熱能，具有節(jié)能、安全和環(huán)保等特點，并且有很好的經(jīng)濟(jì)性，是一種很有發(fā)展?jié)摿Ψ植际侥茉础?br />  
沼氣發(fā)電站主要由厭氧消化裝置、發(fā)電裝置及輔熱裝置組成，生物質(zhì)原料在厭氧消化池發(fā)酵時，為**沼氣均勻持續(xù)地產(chǎn)生，需要一個溫度恒定的環(huán)境，而且當(dāng)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(fā)電站的運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。本文將結(jié)合工程實例，對沼氣發(fā)電站厭氧罐的熱平衡進(jìn)行計算，并分析熱平衡的調(diào)節(jié)方法。
 
一、工程實例
在實際沼氣發(fā)電站工程中，原料（鴨糞）先經(jīng)過除砂、調(diào)漿，同時利用燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的蒸氣在調(diào)漿池對進(jìn)料進(jìn)行初步加熱，然后進(jìn)入?yún)捬跸?，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過脫硫等一系列處理后，供給沼氣發(fā)動機(jī)燃燒發(fā)電發(fā)動機(jī)余熱產(chǎn)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(fā)泡保溫，通過環(huán)繞在罐體外的加熱帶進(jìn)行加熱。單罐日進(jìn)料量100ｔ，進(jìn)料濃度10%鴨糞含量），共8個罐體。進(jìn)料加熱在調(diào)漿池進(jìn)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(chǎn)量1000m3/h，采用兩臺發(fā)電機(jī)組，沼氣的總用量48m3/h，發(fā)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(jié)有關(guān)，平衡溫度可以按春秋、夏、冬三個季節(jié)的典型環(huán)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(fā)酵溫度的穩(wěn)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(shè)罐內(nèi)原料得到充分?jǐn)嚢?，每次進(jìn)料能及時與罐內(nèi)原料混合，罐內(nèi)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(yuǎn)大于壁厚，可將其簡化視為無限大平壁，平壁的兩側(cè)分別是攪拌流動的原料和流動的空氣，從內(nèi)到外的傳熱依次是原料與罐體內(nèi)壁的對流換熱，罐體及保溫材料內(nèi)的導(dǎo)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(shù)，KW/（m2· K）。Ａ為換熱面積，包括罐體側(cè)壁及罐頂?shù)拿娣e，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(nèi)壁對流換熱系數(shù)和外壁與空氣對流換熱系數(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)，分別取75KW/（m·K）與0.03KW/（ｍ·K）。
 
其中對流換熱系數(shù)hstf和hair 以通過努謝爾數(shù)得到：
Nu ＝hl/λ
努謝爾數(shù)根據(jù)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(shù)；Re為流體雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。
 
厭氧罐周圍環(huán)境空氣的計算溫度及風(fēng)速取自《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)室外氣象參數(shù)》，其他物性參數(shù)取自美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）數(shù)據(jù)庫，見表１；罐內(nèi)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(shù)代替，攪拌流動速度取0.1m/s。
 
 
2罐體從加熱帶的得熱
從發(fā)動機(jī)余熱換熱器出來的高溫?zé)崴ㄟ^加熱帶向罐內(nèi)原料放熱，此換熱過程原料與內(nèi)壁的換熱繼續(xù)視為大平板對流換熱，計算方程與散熱方程相同。熱水側(cè)換熱視為管內(nèi)強(qiáng)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(nèi)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(shù)和散熱換熱系數(shù)，KW/（m2·K）；ah為環(huán)繞罐體的加熱帶的換熱面積，m2；hw為水側(cè)對流換熱系數(shù)，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(cè)的進(jìn)出口熱平衡方程：
Qw= QmCpΔtw
式中：Qw為水流帶入的熱量，KW；Qm為進(jìn)水流量，kg/h；cp為定壓比熱容，J/（g·K）；Δtw 為進(jìn)出口水溫差，℃。
 
先假設(shè)水側(cè)出口溫度，進(jìn)行試算，當(dāng)Qh＋Qh′與Qw之差足夠時，可認(rèn)為計算達(dá)到平衡。整個系統(tǒng)熱平衡計算過程為：
 
①假設(shè)罐內(nèi)原料溫度t0和水側(cè)出口溫度tw2，計算進(jìn)料后混合原料的溫度t1；
②根據(jù)定性溫度，計算換熱方程的各參數(shù)，如Re、Nu、h、k，得到換熱量Q；
③根據(jù)Qh＋Qh′與Qw之差調(diào)整水側(cè)出口溫度tw2，直至兩者誤差在0.1%以內(nèi)；
④按 Δtetf＝Qw/（mstf·Cstf）得到原料在一次進(jìn)料周期內(nèi)的溫升；
⑤對比t0′＝t1＋Δtstf與假設(shè)溫度t0 之間的誤差，調(diào)整t0，再次計算，直至兩者相對誤差在0.05%以內(nèi)時，計算完成，認(rèn)為此時系統(tǒng)熱量平衡。
 
3罐內(nèi)原料溫升
對全年不同季節(jié)進(jìn)行計算，得到表2表3中的計算結(jié)果，其中夏季因環(huán)境溫度較高，熱水未對罐體進(jìn)行加熱，即Qh＝0，全部得熱量由蒸汽氣加熱進(jìn)料提供。
 

可見在冬夏季，該沼氣發(fā)電站厭氧消化系統(tǒng)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(jié)冬季，輸入的能源為原料鴨糞，產(chǎn)生的沼氣全部用于系統(tǒng)的沼氣發(fā)動機(jī)，.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(chǎn)生過多不利的影響，而且整套系統(tǒng)的運(yùn)行方式不變，從工程角度與運(yùn)行控制角度，都是適合的運(yùn)行策略。
 
 結(jié)語
 
沼氣發(fā)電站厭氧消化池的熱平衡決定了產(chǎn)生沼氣的速率及產(chǎn)量，厭氧消化系統(tǒng)的穩(wěn)定對沼氣發(fā)電有著重要作用，通過對厭氧消化罐的加熱系統(tǒng)建立傳熱模型，計算一次進(jìn)料周期內(nèi)系統(tǒng)的得熱量和散熱量，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)提供調(diào)節(jié)措施，并為沼氣發(fā)電站前期設(shè)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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