沼气发电站厌氧罐的热平衡与调节

马 飞，刘 宇

（上海齐耀动力技术有限公司，上海 201203）

我国农村有着丰富的生物质原料，以生物质原料生产沼气时我国“十二五”期间重点开发的新能源，可以解决农村的部分用能。沼气发电技术采用大型沼气池产生的沼气作为燃料，驱动综合发电装置产生电能和热能，具有节能、安全和环保等特点，并且有很好的经济性，是一种很有发展潜力分布式能源。沼气发电站主要由厌氧消化装置、发电装置及辅热装置组成，生物质原料在厌氧消化池发酵时，为保证沼气均匀持续地产生，需要一个温度恒定的环境，而且当温度处于最优消化温度范围时，沼气产生速率与产气量均达到最大。因此，厌氧消化池的温度平衡对整个发电站的运行有着至关重要的作用。本文将结合工程实例，对沼气发电站厌氧罐的热平衡进行计算，并分析热平衡的调节方法。

1 工程实例

在实际沼气发电站工程中，原料（鸭粪）先经过除砂、调浆，同时利用燃气锅炉产生的蒸气在调浆池对进料进行初步加热，然后进入厌氧消化池，产生的沼气经过脱硫等一系列处理后，供给沼气发动机燃烧发电，发动机余热产生的热水用来给厌氧消化池加热。厌氧罐单罐容积2 000m3，厌氧罐整体外部15cm聚氨酯发泡保温，通过环绕在罐体外的加热带进行加热。单罐日进料量100t，进料浓度10%（鸭粪含量），共8个罐体。进料加热在调浆池进行，每次400m3，加热时间4h，再分别送到4个罐体。该项目的沼气产量1000m3／h，采用两台发电机组，沼气的总用量48m3／h，发电输出功率为1 063kW×2，最大余热量为572kW，可以输出170℃蒸汽1.2t／h。厌氧罐最终的平衡温度与季节有关，平衡温度可以按春秋、夏、冬三个季节的典型环境温度计算。

2 热平衡计算

罐体向周围空气的对流换热会损失一部分热量，为了保持发酵温度的稳定，厌氧消化罐需要加热。为了简化罐体对空气散热的计算，假设罐内原料得到充分搅拌，每次进料能及时与罐内原料混合，罐内原料的温度均匀分布。

2.1 罐体对空气的散热

由于罐体的直径远大于壁厚，可将其简化视为无限大平壁，平壁的两侧分别是搅拌流动的原料和流动的空气，从内到外的传热依次是原料与罐体内壁的对流换热，罐体及保温材料内的导热，保温材料外壁与空气的对流换热。其中传热方程为：

式中：k为换热系数，kW／（m2·K）；A为换热面积，包括罐体侧壁及罐顶的面积，m2；tstf和tair分别为原料平均温度、空气平均温度，℃；hstf和hair分别为原料与内壁对流换热系数和外壁与空气对流换热系数，kW／（m2·K）；δc和δpu分别为罐体壁厚、保温材料壁厚，m；λc和λpu分别为罐体材料和保温材料的导热系数，分别取75kW／（m·K）与0.03kW／（m·K）。

其中对流换热系数hstf和hair可以通过努谢尔数得到：

努谢尔数根据流体外掠平板对流换热公式求得：

式中：Nu为层流、湍流的平均努谢尔数；Re为流体雷诺数；Pr为普朗特数。

厌氧罐周围环境空气的计算温度及风速取自《采暖通风与空气调节室外气象参数》，其他物性参数取自美国国家标准技术研究所（NIST）数据库，见表1：

罐内原料的物性随鸭粪含量、消化程序的不同而变化，为计算方便以水的物性参数代替，搅拌流动速度取0.1m／s。

2.2 罐体从加热带的得热

从发动机余热换热器出来的高温热水通过加热带向罐内原料放热，此换热过程原料与内壁的换热继续视为大平板对流换热，计算方程与散热方程相同。热水侧换热视为管内强制对流换热，传热方程为：

式中：Qh和Qh′分别为加热带向罐体内原料的传热量和罐体通过保温材料向空气散热量，kW。kHz和kh′分别是加热的换热系数和散热换热系数，kW／（m2·K）；Ah为环绕罐体的加热带的换热面积，m2；hw为水侧对流换热系数，kW／（m2·K）；Δtm为平均温差，℃；Δtmax和Δtmin为内外流体的最大温差和最小温差，℃。

由于该方程组为非封闭方程组而且未知量较多，所以必须添加水侧的进出口热平衡方程：

式中：Qw为水流带入的热量，kW；qw为进水流量，kg／h；cp为定压比热容，J／（g·K）；Δtw为进出口水温差，℃。

先假设水侧出口温度，进行试算，当Qh＋Qh′与Qw之差足够小时，可认为计算达到平衡。整个系统热平衡计算过程为：

1）假设罐内原料温度t0和水侧出口温度tw2，计算进料后混合原料的温度t1；

2）根据定性温度，计算换热方程的各参数，如Re、Nu、h、k，得到换热量Q；

3）根据Qh＋Qh′与Qw之差调整水侧出口温度tw2，直至两者误差在0.1%以内；

4）按Δtetf＝Qw／（mstf·Cstf）得到原料在一次进料周期内的温升；

5）对比t0′＝t1＋Δtstf与假设温度t0之间的误差，调整t0，再次计算，直至两者相对误差在0.05%以内时，计算完成，认为此时系统热量平衡。

表1 环境空气的物性参数

2.3 罐内原料温升

对全年不同季节进行计算，得到表1中的计算结果，其中夏季因环境温度较高，热水未对罐体进行加热，即Qh＝0，全部得热量由蒸汽气加热进料提供。

表2 厌氧罐热平衡计算结果

可见在冬夏季，该沼气发电站厌氧消化系统的热平衡温度在30～35℃之间，处于厌氧消化的最优消化温度范围。其中典型季节冬季的系统能流图如图1所示，输入的能源为原料鸭粪，产生的沼气全部用于系统的沼气发动机，最终输出电能。过渡季因加热量不变，而散热量较少，厌氧消化温度接近40℃，但并不会对厌氧消化产生过多不利的影响，而且整套系统的运行方式不变，从工程角度与运行控制角度，都是适合的运行策略。

图1 沼气发电站冬季能流图

3 结语

根据以上计算过程也能方便地计算保持厌氧消化系统温度稳定时需要的热水量，可以作为项目初期的设计计算方法，为沼气发电站热系统的设计与选型提供计算方法。