车用生物燃气工程范例余热定量评估及可利用性分析

张 佳，邢 涛，孙永明，孔晓英，康溪辉，吕鹏梅，王春龙，李金平



车用生物燃气工程范例余热定量评估及可利用性分析

张 佳1,2,3,4,5，邢 涛3,4,5，孙永明3,4,5※，孔晓英3,4,5，康溪辉3,4,5，吕鹏梅3,4,5，王春龙1,2，李金平1,2

（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供能系统重点实验室，兰州730050； 3. 中国科学院广州能源研究所，广州510640； 4. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州510640；5. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640）

针对车用生物燃气工程能耗高、余热利用率低的问题，该文以国内4个典型工程为基础，构建了产气规模为1万m3/d的示例工程，并对其进行余热分析。分析结果显示，此类工程用能量大，占总产能的30.01%～36.44%；余热利用率低，只有部分贫液余热得以回收；系统余热主要由脱碳塔顶气余热、脱碳贫液余热、压缩机余热、沼液余热和锅炉尾气余热5部分组成，其多为低品位余热、量大稳定。余热计算表明，在最冷月和最热月系统余热潜力分别为5.87×104、4.79×104MJ/d，最大节能潜力分别为74.81%和73.92%，节能潜力降序排列为沼液余热>贫液余热>塔顶气余热>压缩机余热>锅炉余热。余热可利用性分析认为工程余热可利用性较高，回收价值较大。

燃气；热能；生物质；余热分析；余热计算；节能潜力

0 引 言

车用生物燃气，是指有机废弃物厌氧发酵产生的粗沼气经净化、提纯、压缩达到车用标准的生物燃气，具有无污染、可再生和经济效益高等优点[1-2]。近年来，中国有机废弃物排放量增长迅速，资源化利用需求紧迫。与此同时，天然气等清洁能源需求逐年增长，天然气缺口较大。车用生物燃气工程在处理废弃物的同时，可产生清洁能源生物天然气，已引起各界的重视[3-5]。沼气发展“十三五”规划指出制备生物天然气是解决中国废弃物处理和资源化利用问题的关键，计划新建规模化生物天然气项目172个[6]。车用生物燃气工程的发展在一定程度上解决了许多地区的能源、环境及社会问题，但其运行过程仍存在系统能耗高和运行成本高的问题，提高工程余热利用率可有效减少系统用能及成本的投入[7-9]。

车用生物燃气工程一般规模较大，日产气在1万m3以上，工程的运行需消耗大量的热能，伴随也将产生许多的余热，与其他沼气工程相比，车用生物燃气工程余热量更多更稳定[10-11]。目前，已有学者对沼气工程余热进行分析计算；Zhang Xiaojing等[12]通过将沼气生产系统和沼气净化系统的热量进行集成，得出回收余热可满足沼气生产系统64%~100%的热需求，沼气净产气率提高5.3%～17.4%。花镜等[13]分析回收瑞典Alviksgarden养猪场沼气工程沼液50%的热量，可满足工程44.44%的热需求，每年增产沼气5.5×104m3。相关研究表明，生物燃气工程余热潜力大，提高系统余热利用率对工程节能减耗、降低成本和增强系统稳定性具有重要的意义。但在已有研究中，针对整个车用生物燃气工程进行余热分析的文献较少。本文以国内4个典型车用生物燃气工程为基础，构建了产气规模为1万m3/d的示例工程，通过对其进行余热和需热进行统计，计算出系统余热潜力和节能潜力，根据余热特点，对系统余热进行可利用性评价，最后，结合需热和余热的特点为工程余热利用提供建议。

1 研究方法

1.1 车用生物燃气工程调研

车用生物燃气工程A位于山东，日处理混合原料700 t，日产沼气7万m3，车用生物燃气4.2万m3/d。工程采用主要技术包括混合原料厌氧发酵、中温厌氧发酵技术、湿法催化脱硫、膜法脱碳、沼液沼渣制肥、四级压缩技术等，主要技术指标包括进料浓度为8%，消化温度为37 ℃，沼气中CH4浓度为60%，车用生物燃气中CH4浓度>97%。工程调研可知，该工程主要余热包括沼液余热和压缩机余热。

车用生物燃气工程B位于海南，日处理混合原料500 t，日产沼气3万m3，车用生物燃气1.65万m3/d。工程采用主要技术包括混合原料厌氧发酵、中温厌氧发酵技术、干法脱硫、高压水洗法脱碳、沼液沼渣制肥、五级压缩技术、锅炉增温等，主要技术指标包括进料浓度为10%，消化温度为37 ℃，沼气中CH4浓度为55%，车用生物燃气中CH4浓度>96%。该工程主要余热包括沼液余热、压缩机余热和锅炉尾气余热。

车用生物燃气工程C位于山东，日处理有机废水2万m3，日产沼气5万m3，其中3万m3沼气发电，2万m3沼气制备1.26万m3车用生物燃气。工程采用主要技术包括中温厌氧发酵、湿法催化脱硫、醇胺法脱碳、四级压缩技术、发电余热和燃气锅炉增温等，主要技术指标包括进料浓度为8%，消化温度为37 ℃，COD去除率>90%，沼气中CH4浓度为63%，车用生物燃气中CH4浓度>97%。该工程主要余热包括沼液余热、脱碳塔顶气余热、脱碳贫液余热、压缩机余热、发电烟气余热、发电缸套水余热和锅炉尾气余热。

车用生物燃气工程D位于甘肃，日处理混合原料1 000 t，日产沼气4万m3，车用生物燃气2.4万m3/d。采用的主要技术包括高温厌氧发酵、生物脱硫、醇胺法脱碳、沼液沼渣制肥、四级压缩技术、锅炉增温等，主要技术指标为进料浓度为10%，消化温度为55 ℃，沼气中CH4浓度为60%，车用生物燃气中CH4浓度>97%。该工程主要余热包括沼液余热、脱碳塔顶气余热、脱碳贫液余热、压缩机余热、锅炉尾气余热。

分析A、B、C、D 4个典型工程可知，系统余热主要由沼液余热、塔顶气余热、贫液余热、压缩机余热和锅炉尾气余热5部分组成，以此为基础建立日产气为1万m3的工程模型。

1.2 车用生物燃气工程范例构建

该系统模型位于山东，最冷月室外平均温度为−5 ℃，最热月室外平均温度25 ℃；其发酵液最冷月平均温度为15 ℃，最热月平均温度为25 ℃，数据来源于工程A和C。预处理模块数据来源于工程A和B，通过搅拌等机械预处理方式处理混合原料120 t，混合原料的总固体含量（TS）为20%，匀浆调节后发酵液TS为10%。厌氧发酵模块数据来源于工程A和D，预处理后的发酵液被加热到55 ℃进行高温厌氧发酵，日产沼气1万m3，其中8 000 m3制备车用生物燃气4 800 m3，2 000 m3用于供热，4个2 500 m3厌氧发酵罐，其材料采用搪瓷钢板，导热系数1为0.047 W/(m2·℃)，保温层采用苯板，导热系数2为1.51 W/(m2·℃)。净化提纯模块数据来源于工程C，粗沼气中CH4浓度为60%，净化提纯后CH4浓度高于97%，8 000 m3粗沼气经储气柜稳压后，首先进行湿法催化脱硫并干燥，其次进行醇胺法脱碳，吸收CO2温度为40 ℃，解吸CO2温度为120 ℃，乙醇胺溶液流量为8.9 m3/h，塔顶气温度为98 ℃。压缩制气模块数据来源于工程C，采用四级压缩将气体压缩至25 MPa，压缩机冷却水进出口温度分别为30和40 ℃。沼液沼渣后处理模块数据来源于工程A，沼液制作叶面肥，沼渣制作生物肥，沼液温度55 ℃。增温保温模块数据来源于工程D，主要通过锅炉供给，日消耗沼气2 000 m3，产生烟气流量为625 m3/h，烟气温度为180 ℃。

系统余热主要包含脱碳塔顶气余热、贫液余热、压缩机冷却水余热、沼液余热和锅炉尾气余热，系统需热主要包含发酵液升温需热、维持高温发酵需热和脱碳解吸需热。其系统流程图如图1所示。

图1 车用生物燃气工程系统流程图

2 结果与分析

2.1 需热资源分析

1）发酵液需热计算公式为

其中C计算公式[12]为

式中T为发酵液总固体含量。

2）热损失需热计算公式[16-18]为

3）醇胺法脱碳需热计算公式[19]为

4）系统总需热计算公式为

式中Q系统总需热量，MJ/d；下同。

计算结果如表1所示，其中在最冷月和最热月系统总需热分别为7.85×104和6.48×104MJ/d。

表1 系统需热

注：沼气热值为21.54 MJ。

Note: The heat value of biogas is 21.54 MJ.

2.2 余热资源分析

2.2.1 余热资源统计分析

余热资源统计的主要信息包括余热来源、余热介质及其特性、温度、流量和余热特点等，系统余热资源统计结果如表2。

表2 系统余热

注：脱碳单元与压缩单元每天运行14 h，发酵液每隔3 h进1 h料，增温保温单元24 h运行。

Note: Decarburization unit and compression unit run 14 h per day, biogas slurry is pumped for 1 h every 3 h, warming and heat insulation unit runs 24 h per day.

2.2.2 余热潜力及节能潜力计算

由国标GB/T 1028-2000知[22]，余热潜力的计算方法为

系统总余热潜力计算如下

式中Q为总余热潜力，1为塔顶气余热，2为贫液余热，3为压缩机余热，4为沼液余热，5为锅炉余热，单位均为kJ/d。

余热节能潜力的计算方法为

式中η为余热节能潜力，其中=1，2，3…，为自然数。

余热潜力计算结果如表3所示。

表3 余热潜力计算结果

计算得最冷月和最热月总余热潜力Q分别为5.87×104和4.79×104MJ/d。

由余热节能潜力计算得，在最冷月和最热月，系统最大节能潜力η分别为74.81%、73.92%；塔顶气余热节能潜力1分别为5.27%、6.39%；贫液余热节能潜力2分别为14.65%、17.75%；压缩机节能潜力3分别为3.08%、3.67%；沼液余热节能潜力4分别为46.75%、42.44%；锅炉余热节能潜力5分别为5.06%、3.73%。5部分余热潜力占比如图2所示。

a. 最冷月余热节能潜力占比

a. Ratio of energy-saving potential of waste heat in coldest month

b. 最热月余热节能潜力占比

由图2可知，沼液余热节能潜力最大，占总余热的50%以上，应重点回收，同济大学裴晓梅利用热泵技术回收沼液余热，结果表明沼液余热节能潜力可达70%，揭示了沼液余热回收巨大价值和可行性[26]。贫液余热次之，占总余热的20%左右，余热价值较大。塔顶气余热、压缩机冷却水余热、锅炉尾气余热虽然所占比例相对较小，但其均位于系统末端，冷却水与锅炉尾气余热利用技术较成熟，其余热仍有一定回收价值。北京化工大学张克舫对年产100万t CO2的醇胺法脱碳系统进行能量计算，得出其贫液和塔顶气余热量分别为7.42×106和5.58×106MJ/d，并分析了其利用途径，贫液余热可以通过扩大贫富液换热器的面积得到更多的回收，塔顶气余热可通过第二类吸收式热泵加热解吸塔内富液[23]。Kostowsk通过计算验证了回收车用生物燃气加气站压缩机余热回收的可行性，并对系统余热利用进行优化，优化后增强了系统的稳定性[27]。Lee等对比分析了冷凝式余热锅炉的热效率，结果显示冷凝式余热锅炉可以把烟气温度降到50～60 ℃，比普通燃气锅炉热效率高7.04%[28]。系统余热节能潜力按大小降序排列为：沼液余热>贫液余热>塔顶气余热>压缩机余热>锅炉余热。

2.3 余热可利用性分析及建议

2.3.1 余热可利用性

1）塔顶气余热

塔顶气余热的介质主要为CO2和水蒸汽，具有弱酸性，温度为98 ℃，余热节能潜力为5.27%～6.39%，该余热产生于解吸塔顶出口，属于末端环节，98 ℃塔顶气可用来加热物料，与系统需热匹配，余热回收价值一般，可利用性较高。对于塔顶气余热，可利用热交换、热泵技术和余热制冷回收余热，考虑到系统需热和传输距离，建议利用换热器加热低温富液或利用热泵生产蒸汽回用于系统自身。

2）贫液余热

贫液余热的介质为醇胺溶液，具有弱碱性，温度为69 ℃，余热节能潜力为14.65%～17.75%，该余热产生于贫富液换热器的出口，属于中间环节，69 ℃的贫液仍可用来加热低温富液，与系统匹配，余热回收价值较高，可利用性较高。对于贫液余热，可利用的技术包括热交换和热泵技术，考虑余热的特点和经济性，建议利用换热器加热低温醇胺富液。

3）压缩机冷却水余热

压缩机冷却水余热的介质为冷却水，温度为40 ℃，余热节能潜力3.67%～5.06%，该余热产生于压缩机系统末端，属于末端环节，40 ℃的冷却水与系统需热不匹配，余热有一定回收价值，可利用性一般。压缩机排气冷却水余热，虽品味较低，但数量较大，建议利用热泵生产供暖或生活热水。

4）沼液余热

沼液余热的介质为沼液，具有黏滞性，温度为55 ℃，余热节能潜力为42.44%～46.75%，该余热产生于固液分离末端，属于末端环节，与需热匹配可用来加热发酵液，回收价值高，余热可利用性较高。沼液余热可利用热交换或热泵技术进行热回收，建议用换热器或热泵加热低温发酵液。

5）锅炉尾气余热

锅炉余热的介质为烟气，具有弱酸性，温度为180 ℃，余热节能潜力为3.08%～3.73%，该余热产生于锅炉排气口，属于末端环节，可用来加热原料，余热有一定回收价值，可利用性较高。锅炉尾气余热温度高、余热利用技术成熟，可利用的技术有热交换、热泵技术和余热制冷，考虑到系统需热，建议直接通过换热器生产蒸汽或热水回用于系统。

2.3.2 余热可利用评价及建议

系统余热可利用性可采用五星级体系评价，评价指标包括：余热介质，余热温度，余热数量，中间环节或末端环节，是否与系统需热匹配。

余热可利用性判别指标体系：1）余热介质是否存在黏滞性、腐蚀性、酸碱性，存在为“—”，不存在为“★”；2）余热温度是否高于沼液温度，低于沼液温度为“—”，高于沼液温度为“★”；3）余热数量是否大于总余热的10%，小于为“—”，大于为“★”；4）余热产生于中间环节为“—”，产生于末端环节为“★”；5）与需热不匹配为“—”，与需热匹配为“★”。系统总余热的可利用性将通过5个指标的平均“★”数判定。

如表4所示，系统余热可利用性较高，回收价值较大。系统余热利用建议如图3。

表4 余热可利用性评价

注：“★”代表优势，“—”代表劣势；五颗星代表极高，四颗星代表高，三颗星代表较高，两颗星代表一般，一颗星代表低。

Note: “★” represent advantage, “—” represent disadvantage, five stars represent extremely high, four stars represent high, three stars represent relatively high, two stars represent common, one star represents low.

图3 余热潜在利用途径

3 结论与展望

1）该车用生物燃气工程需热量占工程总产能的30.01%～36.44%，用能较多；余热利用率低，只有部分贫液余热得以回收；系统余热主要由脱碳塔顶气余热、贫液余热、压缩机排气冷却水余热、沼液余热和锅炉尾气余热五部分组成。

2）系统最冷月和最热月总余热潜力分别为5.87×104MJ/d、4.79×104MJ/d，分别占总需热的74.8%和73.9%。其中沼液和贫液余热节能潜力较大，约占总节能潜力的80%左右。

3）余热可利用性分析指出系统余热可利用性较高，回收价值较大。建议塔顶气余热利用热泵技术生产蒸汽或热水，贫液余热利用换热器加热富液，压缩机冷却水余热升级生产热水，沼液余热利用高效换热器加热发酵液，锅炉余热利用换热器或热管生产蒸汽。

当前系统余热潜力大，但余热利用效率低，重要原因是余热品味较低，开发低品位余热利用技术是下一步研究的重点。另外，系统存在多种余热和需热，如何将系统多种余热和需热相互匹配，从自身减少加热公用工程量和冷却工程量仍有待进一步研究。

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Quantitive estimation and availability analysis of waste heat from vehicle biogas plant

Zhang Jia1,2,3,4,5, Xing Tao3,4,5, Sun Yongming3,4,5※, Kong Xiaoying3,4,5, Kang Xihui3,4,5, Lü Pengmei3,4,5, Wang Chunlong1,2, Li Jinping1,2

(1.,,730050,;2.,730050,;3.,,510640,; 4.510640,;5.,510640,)

Vehicle biogas, the product deriving from the organic waste anaerobic digestion accompanying with the purification and compression process, has the advantages of higher energy efficiency, environmentally friendliness, sustainability, and so on. The vehicle biogas plant has aroused attention from all walks of life and owned a broad prospect, because it can not only dispose organic waste, but also produce clean vehicle biogas. However, there were still several problems in its operation process, such as high operating costs, high energy consumption and low utilization rate of waste heat. In order to solve these problems, this paper establishes a model of vehicle biogas plant which produces 10 000 m3biogas daily. We firstly introduce the general situation of this model and calculate the potential of waste heat. What’s more, the availability of waste heat is evaluated. Finally, combined with the requirement of heat, the suggestion of the waste heat utilization is put forward. Results of analysis show that this plant needs a lot of thermal energy, approximately accounting for 30.01%-36.44% of biogas energy. Moreover, merely recycling a part of the CO2-poor MEA liquid waste heat after decarburization results in low utilization rate of waste heat. It also reveals that the main parts of the waste heat in the system are made up of 5 types, i.e. waste heat from stripper top gas for decarburization, CO2-poor MEA liquid waste heat after decarburization, waste heat of cooling water from compressor, waste heat in biogas slurry and waste heat of boiler exhaust gas. Besides, the low-grade waste heat has the characteristics of enormous quantity and stabilization. The main parts of heat required include the heat of the fermentation liquid, the heat of maintaining high-temperature anaerobic digestion and the heat of decarburization. The calculation of requirement of heat shows that the quantity of total heat required is 7.85×104MJ/d in the coldest month, and 6.48×104MJ/d in the hottest month. The calculation of waste heat indicates that the potential of total waste heat is respectively 5.87×104MJ/d in the coldest month, and 4.79×104MJ/d in the hottest month. The corresponding maximum energy-saving rate is 74.81% and 73.92%, respectively. The energy-saving potential of each part of waste heat in descending order of quantity is: waste heat of biogas slurry > waste heat of CO2-poor MEA liquid after decarburization > waste heat of stripper top gas for decarburization > waste heat of cooling water from compressor > waste heat of boiler exhaust gas. Additionally, the analysis of waste heat proves that waste heat from this project can be more effectively utilized and preferably collected. Based on the analysis above, we propose some suggestions about the utilization of waste heat: 1) It is recommended that the waste heat of stripper top gas is collected to drive heat pump rather than cycle in system. 2) Waste heat of CO2-poor MEA liquid can be used to warm the low-temperature CO2-rich MEA liquid via the heat exchanger. 3) We recommend the waste heat of compressor cooling water is adopted to produce hot water by the heat pump, which will be regarded as domestic hot water or heating hot water. 4) Waste heat of biogas slurry can be used to heat low-temperature fermentation liquid by heat exchanger. 5) Waste heat of boiler exhaust gas can produce stream by heat exchanger, which is applied into system itself.

gas; thermal energy; biomass; analysis of waste heat; calculation of waste heat; potential of energy-saving

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.17.031

TK11

A

1002-6819(2017)-17-0232-07

2017-04-12

2017-08-21

国家科技支撑（2015BAD21B03）；国家“863”计划课题(2014AA052801)；广东省科技计划项目（2015B020215011）；中科院技术服务网络计划（KFJ-Ew-STS-138）

张 佳，主要从事余热利用方向研究。兰州 兰州理工大学西部能源与环境研究中心，730050。Email：527111124@qq.com

孙永明，博士，研究员，主要从事生物质生化转化研究。广州 中国科学院广州能源研究所，510640。Email：sunym@ms.giec.ac.cn