保持厌氧消化温度的传热计算

2015-11-23张立奎

化学工程师 2015年12期

关键词：厌氧池池水热水

张立奎

（深圳市百斯特环保工程有限公司，广东深圳518055）

继续教育

保持厌氧消化温度的传热计算

张立奎

（深圳市百斯特环保工程有限公司，广东深圳518055）

在冬季，厌氧池污水温度降至10℃乃至以下，厌氧消化难以运行，因为低温阻碍厌氧消化进行，所以需要对厌氧池污水加热。这是个不稳定传热过程。文中提供了用外置式列管换热器，以饱和水蒸汽和热水加热厌氧池循环污水至稳定消化温度的传热过程计算及其计算程序，文末还以两个典型示例详述了计算过程。

厌氧消化池；消化池污水循环加热；不稳定状态传热；列管换热器加热循环污水

1 概述

在垃圾渗滤液及较浓有机废水治理过程中，常经过厌氧消化这一工艺环节。厌氧消化像其他生化处理工艺一样，受温度影响很大。常用的温度范围35～38℃，为中温消化，也有的研究指出，中温厌氧消化温度范围30～40℃，当温度低于最优下限温度，每降1℃消化率下降10%[1]。我国绝大部分地域处于温带、亚热带区域，到了冬季，厌氧池水温都在10℃，甚至更低的温度。在此温度下，厌氧菌处于“休眠期”，乃至部分“冻死”，厌氧消化几乎处于完全停滞状态，所幸这时污水量处于“淡季枯水期”，到了来年春季“旺水期”，由于水池中厌氧菌还没有完全从“冬眠期”苏醒过来，繁殖、生长非常缓慢，因此，消化不了大量来水，从而会影响下序工艺的治理。为此，有必要在冬季对厌氧池污水加热以保持正常温度，使厌氧菌即使是冬季，也能将有机物进行消化、降解。

1.1 厌氧池污水加热方式

厌氧池污水加热可用饱和水蒸汽（以下简称蒸汽）或热水加热。加热方式分：

（1）直接加热将蒸汽或热水直接通入厌氧池污水中。直接加热传热效果好，但蒸汽冷凝水或加热热水混合在污水中，造成污水排量增多和洁净水资源的浪费。此外通入的高温蒸汽或热水直接和污水接触还会将厌氧菌进行消杀。

（2）间接加热冷热两流体不直接接触,被金属壁分开,是通过金属间壁进行换热。由于两换热流体均存在一定对流热阻，污水流主体中厌氧菌基本接触不到较高的温度，不存在消杀问题，因此，间接加热无上述弊病。以下讨论间接加热情况。

1.2 加热设备

（1）内置式加热器在污水池内安置的加热器为内置式加热器，常用蛇（盘）管形式，其缺点:传热面积小，且由于池内污水流动性差，污水的传热膜系数小，因而传热速率低。此外在清除蛇管外壁污垢时，还必须将池内污水抽干，非常不便，因此使用受到限制。

（2）外置循环加热设备可制作成结构紧凑高效加热设备置于污水池外，靠水泵从污水池或罐抽取污水循环进出外换热器加热。由于污水在加热器有一定流速，因此，其传热膜系数较大，且循环水进出水池，会对池水起搅动作用，使池水温度趋于均一。还因为加热器在池外，便于维护和保养。在众多形式换热器中，笔者首选列管（管壳）式换热器（以下简称换热器），因其结构紧凑，又便于清污。在这种换热器中洁净的蒸汽或热水走壳程，不需清垢；污水走管程。在清理管内壁污垢时，只要将换热器两端封头卸下，钢丝刷挫动，蒸汽或压缩空气进行吹扫，十分简便。

本文阐述在冬季为使厌氧消化在正常温度范围内运行，在外置换热器中，用蒸汽或热水加热厌氧池循环污水至池温达到稳定消化温度时的传热过程计算。

2 不稳定传热算式

在厌氧污水池启始加热时，池内水温不断上升，因此，为一不稳定温度场。这一过程持续到池水最终为稳定消化温度止，以下讨论该启始段不稳定传热过程计算。

2.1 饱和蒸汽加热

图1为蒸汽加热外循环污水流程图。污水在换热器内行走两管程，蒸汽走壳程。值得指出：蒸汽加热，只利用其潜热，这是因为：（1）蒸汽发生相变时，潜热热焓＞＞冷凝水焓；（2）相变时冷凝传热膜系数＞＞液体水传热膜系数。所以加热蒸汽一经冷凝成水后，凝水必须及时排出，图1中疏水器就是这个作用。

图1 用蒸汽加热厌氧池污水示意图Fig.1 Circulation heating digester sewage with steam in the external heat exchanger

计算方法：对数平均温度差法，简称LMTD法[2，3]。

在厌氧池内因为有污水进、出,循环加热的污水进、出及产生气体（以甲烷为主）逸出,这些都搅动了池水，故池水温度可看成均一，为t，经换热器污水温度上升tθ。由于循环加热启始时，为不稳定温度场,因此，在使用传热速率方程及热负荷算式时，必须用其微分式。为了便于分析计算，将进出池污水流量、池内容水量、循环加热污水流量及周围气温均定成常数；换热流体物性参数：比热、密度随温度变动缓慢，取平均值，也可作为常数；在上述情况下，当换热器一定，其传热面积A及结构一定,故传热系数K随之恒定。

以池温t为基准温度,忽略池壁热阻，列水池热衡算式[5]：

Mcdt=Wc（tθ-t）dθ+L0c（t0-t）dθ+αF（ta-t）dθ（1）式中θ：时间，s或h；α：空气对流传热膜系数，W·（m2·K）-1；F：暴露空气中水池壁面，m2;t0：污水池进水温度，℃；tθ：出换热器污水温度，℃;ta：空气温度，℃;M：污水池内污水量，kg；L0、L：进、出污水池污水量，m3·h-1。W：循环加热污水量，m3·h-1。

应当指出：因为水池流出的污水及逸出的气其温度均为t，故不含在式（1）内。

为了减少式（1）中变量以便于积分，将变量以池水温度t表示：

由瞬时传热速率方程式，

式中Q：瞬时传热量，kJ;ψ：温差校正系数；A：传热面积，m2；K：传热系数，W·（m2·K）-1；△tm：传热温差，℃；θ：时间，s或h。

因为换热器壳程为蒸汽冷凝传热,蒸汽温度恒为T℃，蒸汽加热没有并流、逆流及折流区分，ψ=1。瞬时热负荷算式dQ=Wc（tθ-t）dθ

分离变量积分：

由式

2.2 热水加热

图2为热水加热外循环污水流程图：污水走两管程，热水走壳程。为了增大热水在壳程内传热膜系数，在壳程可增设折流挡板，图中示意为圆缺形挡板。

图2 用热水加热厌氧池污水示意图Fig.2 circulation heating digester sewage with hot water in the external heat exchanger

2.2.1 多管程换热计算方法：传热效率-传热单元数法，简称ε-NTU法[2,3,6]。

计算条件：除了热流体（热水）出换热器温度有变动外，其余条件与“2.1”所述相同。对多管程换热器，式（2）中温差校正系数ψ与冷、热两流体进、出温度有关，ψ=f（T，Tθ，t，tθ），其关系式复杂，且由于是不稳定温度场，ψ是随时间变动的，因此，不便于用LMTD法计算。对于此类问题，则采用工程上在换热器核算或计算两换热流体出口温度时所用的、可避免试差求解的ε-NTU法：若热流体热容流率较小，

即mhcp＜Wc，则热容流率比为传热单元数，式中mh：热水流量，m3·h-1；c，cp：污水、热水的比热，kJ·（kg·K）-1。按上述条件，K，A，W，mh，c，cp均恒为定值，故Rh，NTUh恒为定值。当两流体换热流向一定,传热效率εh=f（Ph，NTUh）恒定。又按传热效率定义其瞬时值：

εh可根据两换热流体流向，由Rh和NTUh从传热专著或手册εh-NTUh关联图中查取或相应解析式中算出[2，3]。对于单壳程两管程（1-2n型）换热器，其εh算式：

以池温t为基准温度，忽略池壁热阻，列水池热衡算式

Mcdt=Wc（tθ-t）dθ+L0c（t0-t）dθ+aF（ta-t）dθ

由冷、热流体热负荷微分式Wc（tθ-t）dθ=mhcp（T1-T）dθ带入上式得：

Mcdt=mhcp（T1-T）dθ+L0c（t0-t）dθ+aF（ta-t）dθ

上式中变量T，t，为减少变量数，将式（3）带入上式，分离变量积分得

2.2.2 单管程（逆、并流）换热器[2-5]当外置换热器不是多管程而是简单并、逆流时候，则可不用ε-NTU法（用也行较繁），仍旧可用LMTD法。现以热、冷两流体逆流换热为例进行算式推导：由热负荷和传热速率微分式：

消去同类项,经整理：

当换热器及两换热流体流量一定时，按照上述条件，B为常数。

为减少变量数代入换热流体热负荷算式

移向整理

以t为基准温度，列厌氧污水池热衡算微分式，忽略池壁热阻：

Mcdt=Wc（tθ-t）dθ+L0c（t0-t）dθ+aF（ta-t）dθ

将式（6）代入得

3 稳定传热计算

当厌氧池水温为恒定的消化温度t时，因加热蒸汽温度T或加热热水初温T1是一定的，进池的污水温度t0也是恒定的，故为稳定温度场传热，可直接用稳定传热方程式计算。

以池温t为基准，忽略池壁热阻，列水池热衡算式：式（6）中唯一未知数tθ可解得。

若是热水加热，热水出口温度T2由热衡算式得出：Q=Wc（tθ-t）=（T1-T2）传热温差及传热面积计算：

上式中的A，A'稳定传热状态下的传热面积，当已知A，A'后，由换热器工艺设计计算，可校核传热系数K，K'。这属于换热器设计中的工艺计算，此处不再赘述！可以此A，A'及K,K'作为上述厌氧污水池启动时不稳定传热过程计算中的初设值。

4 计算示例

4.1 计算程序

采取倒置计算法：先按照厌氧污水池已达到消化温度算出A，确定K，再算θ，最后调整：

（1）由给定的参数和消化温度（35～38℃），按稳定状态传热算出所需的传热面积A，并进行换热器工艺设计计算，校正K。

（2）根据加热条件，将A，K代入式（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）得出达到稳定消化温度所需时间θ。如θ值在符合要求的范围之内，计算结束；如θ值过大（常常为这种情况）需进行调整。

（3）调整方法

①调整换热器的加热温度：蒸汽加热，提高其饱和压力；热水加热，提高加热水的初温。调整后θ值缩短，但要计算达到消化温度后池温的升高是否在消化温度范围内，如超出，须将加热流体降至调整前的温度，即按照稳定状态传热进行加热。

②调整换热器结构以增加传热系数K：如在换热器壳程增设折流档板（对热水加热），使壳程热水湍流加剧，增大壳程传热膜系数；在管程增加程数，使管内流速加大，从而增加管程传热膜系数，这都使K增大。缺点是K增大，则A会减小，换热器工艺计算需重新进行。此外这样还会增加热、冷流体阻力，且在既定θ时间内，当达到消化温度后池温如继续上升，依然需再调整加热温度，因此，较繁。

4.2 应用示例

例1某厌氧消化池，采用0.10MPa（表压，下同）蒸汽（饱和温度120.2℃）加热，其流程见图1。污水容量1625m3，水温10℃，消化池有一半埋在地下，暴露于空气中的池壁面积有520m2,空气温度6℃，空气的对流传热膜系数11W·（m2·K）-1。进出池污水量均7m3·h-1，进池污水温度10℃。用泵外循环加热污水。水量40m3·h-1，欲使池中污水稳定到约36℃，计算所需的传热面积、时间及池温达到稳定状态的温度（忽略池壁热阻），要求完成升温到稳定段传热天数5～6d。污水比热、密度可按水计均：4.187kJ·（kg·K）-1，密度1000kg·m-3。

解：（1）按池水已达到36℃稳定状态进行传热计算由式（6）得：

得tθ=44.24℃

传热量Q=40×1000×4.187（44.24-36）=1380.4 kJ·h-1=383.3kW

传热温差120.2-120.2

取传热系数K=860 W·（m2·K）-1，则

忽略换热器工艺尺寸设计计算及K的校正。

（2）将池水加热到36℃消化温度所需时间用式（Ⅰ）计算：常数

池水达到稳定状态温度，为无限长时间加热池水温度：由式（Ⅰ-1）

tman==37.45℃与要求的36℃稍许大点，但仍在消化温度范围内。

然由于将池水加热到36℃时，天数不能满足5～6d要求，需重算。

重算θ值：将蒸汽压力提高至0.15MPa（相应饱和温度127.4℃）：

上述计算中b不变，a算式中120.2换成127.4得：a=0.41435，将a，b带入θ算式，得θ=131.4h=5.58d。池水达到稳定状态温度

由上：第2次计算加热天数符合要求，若任其加热下去，池水温度将会热至＞35～38℃，因此，当池水热至36℃时，需将加热蒸汽压力降回0.10MPa。

例2将《例1》中蒸汽加热改成热水加热，其它不变。热水走壳程，污水走两管程（如图2），加热水的流量30m3·h-1，初温70℃。欲使加热后的池水温度稳定到36℃，计算所需的传热面积、时间及达到稳定传热状态的温度，要求加热到消化温度天数5～6d。

解：（1）按池水已达36℃稳定状态进行传热计算由例1.计算知：当池水达到36℃，出换热器污水温度tθ=44.24℃，传热量Q=383.3kW加热水出换热器温度：由热衡算40×1000×4.187（44.24-36）=30×1000×4.187（70-T2）得T2=59.01℃。

传热温差：70→59.01

温差校正系数：

查图[2]：ψ=0.96

取传热系数K=550W·（m2·K）-1则传热面积

以上忽略换热器工艺尺寸设计计算及K的校正。

（2）将池水温度加热到36℃所需时间热流体热容流率与冷流体热容流率比较：

30×103×4.187＜40×103×4.187，热流体热容流率小，故按热流体热容流率比算：

将Rh，NTUh带入式（4）得：传热效率：

εh也可从相关书籍关联图中查取。由式（Ⅱ）：

Calculaton of heat transfer at keeping the temperature of anaerobic digestion

ZHANG Li-kui
（Shenzhen Best Environment Protection Engineering Co.,Ltd.,Shenzhen 518055，China）

In the winter the sewage temperature of anaerobic digester will drop to 10℃or even lower.Anaerobic digestion is difficult to run because lower temperature will impede anaerobic digestion，so it will be necessary to heat the sewage of anaerobic digester.This is an unsteady process of heat transfer.In the process the anaerobic digester sewage will be heated with the saturated steam and the hot water in the external shell-andtube heat exchanger until a steady digestion temperature is attained.This paper provides the calculation process and its programs of heat transfer.Also,two typical examples are provided to better demonstrate in detail the calculation processes in the latter of this paper.

anaerobic digester；digester sewage circulation heating；unsteady heat transfer；shell-and-tube heat exchanger heating circulation sewage