兰州太阳能与发电余热增温沼气工程的性能研究

李金平， 曹岗林， 曹忠耀， 李 娟， 冯 琛

(1.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2.甘肃省生物质能与太阳能互补功能系统重点实验室， 兰州 730050； 3.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心， 兰州 730050)

兰州太阳能与发电余热增温沼气工程的性能研究

李金平1,2,3， 曹岗林1,2,3， 曹忠耀1,2,3， 李 娟1,2,3， 冯 琛1,2,3

(1.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2.甘肃省生物质能与太阳能互补功能系统重点实验室， 兰州 730050； 3.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心， 兰州 730050)

为保证兰州地区大中型沼气工程的产气稳定性，解决由于环境温度低而造成发酵塔内温度跨度较大的问题。笔者针对兰州市花庄镇沼气工程，构建一套太阳能与发电余热增温保温系统，达到保证发酵塔在不同季节均能维持恒温厌氧发酵的目的。文章阐述了系统的原理，并对系统的各部分的热量需求进行理论计算。结果表明，该沼气工程平均日需热量7531.9 MJ，太阳能与发电余热增温保温系统平均日产热量7623.4 MJ，使整个发酵塔的温度在夏季和其他季节分别维持在52℃和37℃，完全能满足整个工程的热量需求。该系统可使发酵系统在不同季节均能保持恒温厌氧发酵，保证了其产气稳定，因而这套系统是可行的，为兰州地区太阳能与发电余热增温保温系统提供了参考。

太阳能； 增温保温； 恒温厌氧发酵

兰州市花庄镇建有大型奶牛场，发展应用沼气发电，既可以缓解厂区的电力紧缺，又能减少对周边环境污染，是非常有前景的可再生能源[1]。但生产沼气过程中，温度是影响沼气发酵产气率的关键因素之一，它通过对酶的活性、微生物代谢方式、物质的溶解度等方面影响厌氧发酵，进而影响了沼气的产量[2]。

国内外已有很多关于温度对厌氧发酵影响的研究[3-4]。目前，大中型沼气工程由于中温和常温发酵能耗较少，使产气维持在一个相对适中的水平，且具有良好的经济效益，因而得到了广泛的应用[5]。兰州属中温大陆性气候，冬天寒冷，为了维持发酵塔进行恒温厌氧发酵，必须对系统进行增温保温措施，使整个系统运行不受环境温度的影响[6]。

目前，大中型沼气工程增温保温的方法有很多种，主要采用沼气锅炉、化石能源锅炉、太阳能、沼气发电机余热利用等增温方式[7-8]。兰州地处太阳能辐照密集区，因而太阳能增温沼气工程具有广阔的应用前景[9]。沼气发电余热利用是目前加热发酵系统最有效的方式之一，但单一的发电余热难以满足发酵系统所需的热量[10-12]。针对上述问题，笔者因地制宜，结合太阳能和发电机余热各自的优点，构建出一套太阳能与发电余热增温保温系统以此来解决沼气工程中增温保温的问题。

1 太阳能与发电余热增温保温系统的设计

1.1 太阳能与发电余热增温保温系统简介

太阳能与发电余热增温保温系统原理图如图1所示。系统由沼气发电机、太阳能集热器、恒温厌氧发酵塔、储气罐等元件组成，系统采用并联加热的方式向发酵塔和储气罐供热，循环介质采用水，为了保证该系统在全年正常运行，太阳能集热器和沼气发电机中循环水在冬天加入乙二醇以保证系统的媒介水不发生冻结。

该系统通过温度传感器进行系统循环水路的控制。当发电机启动时外循环水通过循环水泵与发电机缸套水在板式换热器中进行换热，以此来冷却缸套水。此后外循环水与发电机的高温烟气在管壳式换热器中进行换热，出来的循环水直接进入沼气发酵塔和储气罐，达到增温保温的目的。考虑到厂内员工工作时间，整个发电系统运行时间段为7:30～11:30，14:00～18:00和22:00～24:00，在发电机启动初期泵9处于关闭状态，启动泵10和11，发电机产生的余热用于发酵塔和储气罐增温。当发电机余热不足时，启动泵9，关闭泵11，此时系统双重满足发酵塔、储气罐和进料的增温。在温度传感器22和24达到各自所需的温度时，关闭泵9，启动泵11，此时仅仅依靠发电机余热就能满足发酵塔和储气罐的保温。太阳能集热器将所获取的能量存储于储热水箱中以用来供给在发电机未工作时发酵塔和储气罐所需的热量。遇到阴雨天，通过发电机发电加热电热丝和减少进料量以保证系统稳定运行。

1.恒温厌氧发酵塔； 2.储气罐； 3.沼气发电机； 4.太阳能集热器； 5.储热水箱； 6.电加热丝； 7～8.三通阀； 9～11.循环水泵； 12.温度传感器采集仪； 13～21.阀门； 22～25.温度传感器图1 太阳能与发电余热增温保温系统示意图

1.2 沼气发电机及其余热利用

该工程中发酵塔和储气罐均为地上式圆柱型，发酵塔和储气罐有效容积分别为1200 m3和300 m3。两台沼气发电机组为捷克TEDOM公司生产，型号Cento T88 SPE BIO，电能输出最大值76 kW，发电机发电效率31.5%。沼气发电机利用自身烟气以及缸套水热量加热外循环水，外循环水总质量流量1.5 kg·s-1。考虑到料房和工作间增温保温，因而进入发酵塔和储气罐的外循环水实际质量流量1 kg·s-1，温度记录冬天外循环水加热前后平均水温65℃和45℃，夏天平均水温75℃和55℃，平均温差20℃。选取牛粪作为发酵原料TS=8%，通过在不同季节改变进料量来充分利用太阳能的能量富余。

2 系统热负荷计算

国内外在计算大中型发酵塔的热量损失主要包含两部分[13-14]：发酵塔自身和进出物料的热量。储气罐散热量仅包含自身散热量。因此，该沼气工程日平均散热负荷主要为发酵塔、进出物料和储气罐散热损失之和。

QT=Q1+Q2+Q3

(1)

式中：QT为系统总散热量，kJ；Q1，Q2和Q3分别为发酵塔、储气罐和进出物料散热量， kJ。

2.1 发酵塔散热量

发酵塔高12.5 m(地上11.5 m，地下1 m)，半径4.2 m。发酵塔顶部、侧壁与底部的材料和相关参数见表1。

表1 发酵塔材料及相关参数

发酵塔总散热量包括3部分：发酵塔顶部、侧壁和底部散热量。

公式如下[15]：

Q1=Qt+Qs+Qb

(2)

式中：Qt，Qs和Qb分别为发酵塔顶部、侧壁和底部的散热量， kJ。

其中，发酵塔侧壁散热量[16]：

(3)

式中：L为发酵塔高度，m；Tw为发酵塔内壁温度，考虑到环境温度对整个发酵塔的影响，夏天发酵温度取52℃，其它季节发酵温度取37℃[17]；Te为环境温度，℃；t为时间，h；λj为发酵塔各结构层的导热系数，W·m-1K-1；rj为各部分结构层厚度，m；h∞为外界空气自然对流换热系数，冬季取8.5 W·m-2K-1，夏季取11.9 W·m-2K-1[18]，春秋两季取两者平均值。

发酵塔顶部散热量[16]：

(4)

式中：ξi为发酵塔顶部各部分结构厚度，m；At罐顶面积，m2。

发酵塔底部散热量[16]：

(5)

式中：ξj为塔底部各部分结构厚度，m；Ts为地下两米深处土壤温度，℃；Ab为塔底面积，m2。

在分析过程中，由于发酵塔罐体下埋地下一米，因而在计算过程中，侧壁热量计算分为两部分。

2.2 储气罐散热量

该工程中储气罐为水封钟罩式，罐高12.6 m，半径4.4 m，罐身分两部分，上部分7.4 m，下部分5.2 m。下部分为地上式圆柱型，上部分为正八面体型，且其材料各异。

储气罐顶部、上侧壁、下侧壁与底部的材料和相关参数见表2。

储气罐总散热量包括4部分：储气罐底部、顶部、上侧壁和下侧壁散热量。

表达式如下[15]：

Q2=Q4+Q5+Q6+Q7 (6)

式中：Q2储气罐自身总散热量，kJ；Q4，Q5，Q6和Q7分别为储气罐底部、顶部、上侧壁和下侧壁散热量，kJ。

考虑到储气罐下侧壁和上侧壁构造，散热量计算分别按照多层圆筒壁和多层平壁的导热计算，其余计算与发酵塔计算方法一致对应。由于对进入内燃机沼气温度的要求，以及防止储气罐中水的冻结对系统造成严重后果，维持储气罐上侧壁平均壁温10℃，下侧壁温度16℃，对储气罐从11月～次年3月份进行保温。

2.3 发酵塔进料所需热量

发酵塔进料所需热量公式如下：

(7)

式中：m为进料量，kg·h-1；Trw为进料温度，℃；cp为进料比热，kJ·kg-1k-1。

(8)

式中：TS为料液总含固率。

2.4 发酵塔内部吸收发电余热热量

发酵塔内部吸收发电余热热量公式如下：

(9)

式中：Qe为发酵塔内部吸收发电机余热热量，kJ；cw为外循环水比热，kJ·kg-1k-1；qe为发电机外循环水质量流量，kg·h-1；Te,in和Te,out分别为发电机外循环水加热系统进出口水温，℃。

根据当地不同月份气温条件、不同深度土壤温度和不同季节进料温度，由上述传热学公式计算系统的月平均日需热负荷见表3。

表3 不同月份系统平均日需热负荷

2.5 太阳能集热系统计算

太阳能集热器作为系统增温保温的热源，利用温度传感器进行整个发酵系统的定温控制。整个系统所需热量为太阳能集热器集热量和发电机余热热量之和，因而太阳能集热器集热量计算为整个沼气系统所需的热量除去沼气发电机余热热量。

集热器面积计算式[23]：

(10)

式中：Qre为系统除发电机余热外所需热量，此处取一月份平均值，kJ；Ae为太阳能集热面积，m2；HT为倾斜辐射量，单位面积倾斜表面平均太阳能总辐射量，为使太阳能集热器能够保证系统全年稳定

运行，取一月份值计算，MJ·m-2；η为集热器日平均集热效率；ηs为管路及热水箱损失效率，一般取0.2～0.3；f为太阳能保证率。

当集热器的方位角偏于正南和倾角不等于当地纬度时，集热器面积计算式为[23]：

(11)

式中：Ar为补偿后的面积，m2；r为补偿比。

笔者系统采用真空管集热器，日平均集热效率取55%，偏重冬季使用，倾角取51°，查文献[24]补偿比为94%，管路及热水箱损失效率取0.2，集热器倾斜面上月平均单日集热量见表4[25]。

表4 兰州地区太阳能保证率为100%的集热器集热量

在满足系统在最寒冷月份供能时，整套系统所需太阳能集热面积为245 m2。

采用C50混凝土，弹性模量Ec=3.078×104 MPa，泊松比为υ=0.2，本构关系采用多线性等向强化模型MISO模拟。混凝土顶板与底板均采用双层配筋，配筋率为0.89%。钢筋采用HR335钢筋，其屈服强度fy=335 MPa，Er=2.1×105 MPa，泊松比υ=0.3。

3 太阳能与发电余热增温保温系统的结果分析

3.1 发酵塔温度计算

要保证系统恒温厌氧发酵，温度至关重要，计算得该系统与系统未改之前的塔内温度做了对比。其结果见图2。

3.2 复合系统单日供热负荷与系统单日需热量计算对比

通过计算对比发现在整个系统添加太阳能集热器之后，所产生热量完全能满足该发酵系统的热量需求(见图3)。

通过计算，兰州郊区某沼气发电工程平均日需热量7531.9 MJ，太阳能与发电余热增温保温系统日产热量7623.4 MJ，完全能满足整个系统的供热需求，保证整个系统的产气速率。

4 不同增温方式复合发电余热增温保温系统的效益分析

大中型沼气工程辅助增温方式除太阳能和发电余热外，主要的增温方式还有燃煤锅炉与沼气锅炉[26]，因此下面将此系统与另两种辅助增温方式作对比分析。

图2 单纯发电余热利用及太阳能与发电余热增温时发酵塔内温度

图3 系统日需热量以及太阳能与发电余热日供热量

4.1 太阳能与发电余热增温保温系统的效益分析

系统中太阳能年产有效热量534.2 GJ。太阳能年运行费用较少，主要为初投资及安装费用，约20.1万元。

4.2 发电余热复合沼气锅炉增温保温系统的效益分析

年节省沼气量计算式[27]：

Qte=Vqηb

(12)

式中：Qte为太阳能年产有效热量，GJ；V为沼气年需量，m3；q为单位体积沼气的热值，因沼气中CH4含量为56%，进气温度为20℃，故取18.7 MJ· m-3；ηb为沼气增温系统效率，取80%。

节省沼气35709 m3。以热值换算以及后期处理费用，沼气价格约0.85元·m-3，系统每年节约燃气费用3.04万元。因沼气工程所需温度不高，且蒸汽锅炉价格较贵，故选用热水锅炉。因而笔者工程选用1 t的热水锅炉，成本约3万元。

4.3 发电余热复合燃煤锅炉增温保温系统的效益分析

年节省煤炭计算式[28]：

Qte=mcqcηc

(13)

式中：mc为年节省标煤质量，kg；qc标煤热值，29.3 MJ·kg-1；ηc为燃煤增温系统效率，取70%。

每年节省标煤26 t，减少CO2排放63.8 t，减少SO2排放0.7 t，减少NOX排放0.2 t，减少粉尘排放0.3 t。按国家税务总局发布的《关于调整焦煤资源税适用税额标准的通知》[29]，每年节省费用2.72万元。选用燃煤锅炉为热水锅炉，笔者工程选用1 t的热水锅炉，成本约2 万元。

5 结论

(1)兰州市花庄镇沼气发电工程平均日需热量7531.9 MJ，太阳能与发电余热增温保温系统日产热量7623.4 MJ，完全能满足整个系统热量需求，使整个发酵塔的温度在夏季和其他季节分别维持在52℃和37℃，进行不同季节的恒温厌氧发酵。

(2)相比其他两种辅助增温方式，系统能够显现出更好的经济效益和环境效益。相比沼气复合增温方式每年可节省3.04 万元，减少初始投资约3万元；相比燃煤复合增温方式每年节省标煤26 t，减少CO2排放63.8 t，减少SO2排放0.7 t，减少NOX排放0.2 t，减少粉尘排放0.3 t，节省2.72 万元，减少初始投资约2 万元。

(3)相比其它沼气工程的计算分析，文章考虑到对于储气罐在寒冷季节的保温，更加全面的分析了整个系统的供能需求，为沼气工程在热量平衡方面提供了更加完善的分析。且系统结合太阳能集热系统，更好的利用了兰州地区丰富的太阳能，同时利用发电机的余热对整个发酵系统进行增温保温，提高了整个系统对热量的利用效率。

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Performance of Biogas Project Increasing Temperature by Solar Energy and Waste Heat from Power Generation /

LI Jin-ping1,2,3， CAO Gang-lin1,2,3， CAO Zhong-yao1,2,3， LI Juan1,2,3， FENG Chen1,2,3/

(1. Western China Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. Gansu Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy, Lanzhou 730050, China; 3. China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, China)

In order to ensure the biogas production stability for large and medium-sized biogas project in Lanzhou and solve the problem of low temperature, a insulation system for biogas project in Huazhuang town of Lanzhou was established adopting solar energy and waste heat from power generation as heat supply. The system principles were elaborated, and the theoretical energy requirement were calculated. The result showed that the biogas project needed a daily heat of 7531.9 MJ for keeping a proper temperature, while the solar energy and waste heat from power generation could provide 7623.4 MJ per day on average, which were able to meet the heat demand for the biogas project, keeping the fermentation temperature maintained at 52℃ in summer and 37℃ in other seasons.

solar energy; insulation system； temperature increase; anaerobic fermentation； waste heat from power generation

2016-03-21

2016-04-08

项目来源： 国家“863”计划课题(2014AA052801)； 甘肃省杰出青年基金(2012GS05601)； 兰州理工大学“红柳杰出人才计划”(Q201101)； 甘肃省建设科技攻关项目(JK2010-29)

李金平(1977-)，男，教授，主要从事先进可再生能源系统方面的研究工作，E-mail：lijinping77@163.com

S216.4; TK6

B

1000-1166(2017)02-0090-06