生物燃气热电联产系统能量利用效率分析*

刘泽庆，王 星，张瑞娜，毕珠洁，吴长淋

（上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232）

·检测与评价·

生物燃气热电联产系统能量利用效率分析*

刘泽庆，王 星，张瑞娜，毕珠洁，吴长淋

（上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232）

以某鸡粪厌氧工程热电联产为研究对象，对系统的热电供给侧和需求侧进行热力分析。研究发现：厌氧工程所采用的燃气内燃机+余热锅炉系统供热效率为44.4%，供电效率为36.6%，但是实际运行中余热锅炉蒸汽和缸套水仅用来加热物料及厌氧罐保温，有大量的蒸汽和缸套水没有得到有效利用，从需求侧计算，热效率仅为21.9%。建议使用余热锅炉蒸汽进行二次发电，增加鸡粪厌氧处理制取天然气设备，提高热力需求，进而提高综合热电效率。

鸡粪厌氧；热电联产；缸套水；厌氧罐

生物燃气俗称沼气，是一种发展很快的清洁可再生能源［1］。沼气热电联产系统采用沼气作为燃料，驱动燃气轮机或者燃气内燃机产生电能，高温烟气通过余热锅炉产生蒸汽，具有安全、环保等特点，是一种很有发展潜力的分布式能源［2-3］。

针对我国目前多数生物燃气工程热电联供效率低、发电余热利用率低等工程技术问题和产业化经济效益低、推广度低等产业化发展障碍，笔者以某鸡粪厌氧工程为例，研究系统能量优化技术。通过对生物燃气制备过程需能、热电联产系统产热和发酵系统余热的供需平衡测算，研究生物燃气发电系统高温烟气、缸套水等不同品相热源的余热回收利用技术，优化能级匹配，满足生物燃气制备过程自热平衡，形成气、电、热高效联产联供系统能量优化配置技术，实现生物燃气高值、高效利用，提升生物燃气工程综合效益。

1 项目背景及工艺简介

本研究对象为某鸡粪厌氧工程，以冬季工况为例。沼气项目能量利用如图1所示。

图1 沼气项目能量利用示意

经调研：鸡粪348 t/d，产气3.34×104m3/d，采用3台1 068 kW发电机组。鸡粪（20%TS，COD约1.0×105mg/L，总氮5 000 mg/L） 与冲洗污水（300 t/d）混合后先进水解沉砂池，然后进12个厌氧罐，固液分离后沼渣作为固态有机肥销售，沼液进入沼液池、再作为液态有机肥销售。沼气通过生物脱硫塔、双膜干式贮气柜、沼气火炬、沼气增压风机后，通过燃气内燃机发电机组发电。发电后烟气（522℃）经余热锅炉生产蒸汽（0.5 MPa，145℃）用于水解池直接加热，尾气180℃。内燃机余热产生的热水（缸套水，85℃）用于厌氧罐保温，换热后水温69℃。

2 发电系统缸套水用于厌氧发酵系统保温的热力学分析

2.1 罐体参数

该鸡粪厌氧消化工程，共设置了12个厌氧罐，设备冬季工况下罐体基本信息如下：单个厌氧罐增温盘管表面积为600 m2，盘管材质为UPVC；热水循环流量为25m3/h，平均每天运行5h，进出水温度为82℃、69℃。罐表面积1008m2，罐体内壁材料为镀锌板，罐体内壁厚为2.5～4.0 mm，罐体保温材料为挤塑板（导热系数为0.03 W/（m·℃）），厚度为150 mm。罐体最外层为彩钢瓦，厚度1 mm。罐内物料TS约为4%；厌氧罐进料温度为33℃，冬季气温为-3℃。

2.2 热平衡计算方法

罐体内物料温度较高（35～38℃），向周围空气对流散热，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，假设每次进料能及时与罐内原料混合，罐内发酵物料的温度均匀分布［4-5］。

2.2.1 罐体对空气的散热

由于罐体的直径远大于壁厚，可以按无限大平壁模型计算换热，平壁的两侧分别是搅拌流动的发酵物料和流动的空气，从内到外的传热过程依次是发酵物料与罐体内壁的对流换热，罐体及保温材料内的导热，保温材料外壁与环境空气的对流换热。其中传热方程为：

式中：Qe为罐体对空气的换热量，kW；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，W/（m·K）。

2.2.2 罐体从加热带的得热

缸套水通过加热带向罐内原料放热，此换热过程发酵物料与内壁的换热继续视为大平板对流换热，缸套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加热带通过保温材料向空气散热量，kW；kh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。

2.3 计算结果及分析

冬季气温较低，需要对冬季进行热力计算，假定为连续进料，计算结果如表1所示。从发动机余热换热器出来的高温热水（缸套水） 通过加热带向罐内物料放热，缸套水带入热量78.5 kW，其中51.5 kW为罐体得热，其余27 kW为加热带通过保温材料对空气的散热。经过计算水侧出口温度68.4℃，与反馈数据69℃较为接近，可以验证计算方法的准确性。

表1 厌氧罐热力计算

3 单台燃气内燃机发电机组热电效率

根据调研数据，单台燃气内燃机+余热锅炉热力计算结果如表2所示。

表2 单台燃气内燃机+余热锅炉热力计算

经过热力计算，缸套水输出热量为559.9 kW，余热锅炉输出蒸汽的热量为736.3 kW，热效率为44.4%，电效率为36.6%。

4 沼气发电系统热力分析

在热力计算的基础上，对整体热力系统进行分析。该沼气发电系统包括3台燃气内燃机、3台余热锅炉、12个厌氧罐、2个水解池。系统能量流动如图2所示。

缸套水总输出热量为1 677 kW，其中942 kW用于厌氧罐内物料加热及保温，其余735 kW没有得到有效利用，通过散热器进入到环境中。3台余热锅炉如果同时开启，输出蒸汽热量为2 208 kW，而水解池只需要976 kW的热量，所以在实际操作中余热锅炉为间歇式运行。从供给侧来讲，燃气内燃机的供热效率为44.4%，电效率为36.6%。但是从需求侧分析，有大量的缸套水和余热锅炉蒸汽没有得到很好地利用，热能利用效率为21.9%。建议使用余热锅炉蒸汽进行二次发电，增加鸡粪厌氧处理制取天然气设备，提高热力需求，进而提高综合热电效率。

图2 沼气项目能流示意

5 结论与建议

1）对系统的热电供给侧和需求侧进行热力分析。研究发现厌氧工程所采用的燃气内燃机+余热锅炉系统供热效率为44.4%，供电效率为36.6%，但是实际运行中余热锅炉蒸汽和缸套水仅用来加热物料及厌氧罐保温，有大量的蒸汽和缸套水没有得到有效利用，从需求侧计算，热效率仅为21.9%。建议使用余热锅炉蒸汽进行二次发电，增加鸡粪厌氧处理制取天然气设备，提高蒸汽和缸套水需求，进而提高综合热电效率。

2）针对生物质废弃物厌氧系统进料温度随季节变化大（5～20℃）、而厌氧发酵系统要求温度较高（35～38℃）的工程实际情况，建议利用厌氧发酵沼液余热加热水解池预处理进料，进一步提高系统的热效率。

［1］Balat M.Global bio-fuel processing and production trends［J］. Energy Explor Exploit，2007，25（3）：195-218.

［2］张胜杰.基于燃气内燃机的微型热电联产系统的性能研究［D］.重庆：重庆大学，2013.

［3］樊峰鸣，杜金宇.中小型沼气热电冷联产应用的探讨［J］.阳光能源，2010（1）：39-42.

［4］李超.严寒地区沼气池保温增温优化设计研究［D］.长春：吉林建筑大学，2015.

［5］马飞，刘宇.沼气发电站厌氧罐的热平衡与调节［J］.电力与能源，2013，33（6）：584-586.

Energy Utilization Efficiency of Biogas Heat and Power Production System

Liu Zeqing，Wang Xing，Zhang Ruina，Bi Zhujie，Wu Changlin
（Shanghai Environmental Sanitary Engineering Design Institute Co.Ltd.，Shanghai 200232）

In terms of the chicken manure anaerobic project with heat and power production，the supply side and demand side were analyzed.The results showed that the system of gas engine combined with waste heat boiler，the heat-supply efficiency was 44.4%and the power-supply efficiency was 36.6%.However，the steam and jacket water were just applied for heating materials and insulation of anaerobic tank during actual operation.They were not utilized efficiently.The heat-supply efficiency wasonly 21.9%from the demand side.It wasrecommended that the waste heat boiler steam can be used for secondary power generation，the equipment ofchicken manure treatment for natural gasproduction should be added，the demand for heat should be developed，thusthe thermoelectric efficiency will be improved.

chicken manure anaerobic；heat and power production；jacket water，anaerobic tank

X705

A

1005-8206（2017）01-0036-04

刘泽庆（1988—），工程师，研究方向为固体废物处理及资源化。

E-mail：liuzeq@huanke.com.cn。

国家科技支撑计划项目（2014BAD24B01）；上海市国资委项目（2013019）

2016-05-16