生物燃气热电联产系统能量优化*

刘泽庆，张瑞娜，刘帅，刘抒悦

（1.上海环境卫生工程设计院有限公司，上海200232；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300381）

生物燃气热电联产系统能量优化*

刘泽庆1，张瑞娜1，刘帅2，刘抒悦1

（1.上海环境卫生工程设计院有限公司，上海200232；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300381）

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。研究发现有大量的缸套水没有得到有效利用，同时出料沼液温度为36℃，可以用来加热厌氧进料，以实现热量的梯级利用。通过系统方案优化，增加了8个厌氧罐用于制取天然气，增加利用燃气内燃机缸套水能量628 kW，有效地减少了无效散热量。同时采用厌氧罐排出沼液加热进料技术，减少加热蒸汽使用量（525 kW），有效地提高了厂区热经济性。

鸡粪厌氧；热电联产；缸套水；厌氧罐

生物燃气燃烧后产生的CO2被植物通过光合作用再生成植物有机体，又转变为生物燃气发酵原料，因此生物燃气是一种发展很快的清洁可再生能源［1］。生物燃气热电联产系统采用生物燃气作为燃料，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］。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、燃气发电、余热锅炉等系统供需平衡测算，研究生物燃气发电系统高温烟气、缸套水、出料沼液等不同品相热源的余热回收利用技术，优化能级匹配。通过缸套水高效利用技术、厌氧罐排出沼液加热进料技术，实现生物燃气高值、高效利用，提升生物燃气工程的综合效益。

1 工艺简介及系统热力分析

本研究对象为某鸡粪厌氧工程，以冬季工况为例。经调研：348 t/d鸡粪、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（0.5MPa，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℃。

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。经过热力计算［4-5］，系统能量流动如图1所示。缸套水总输出热量为1 677kW，其中942kW用于厌氧罐内物料加热及保温，其余735kW没有得到有效利用，通过散热器进入到环境中。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，有大量的缸套水没有得到很好地利用，同时出料沼液温度为36℃，可以用来加热厌氧进料，以实现热量的梯级利用。拟通过在厌氧罐的进出料之间增设换热器，利用出料废热加热进料，减少蒸汽使用量。

图1 沼气项目能流

2 生物燃气发电系统能量优化研究

2.1 缸套水高效利用

由图1可见，即便在冬季，发动机缸套水仍有大量盈余。现拟通过二期工程，增设厌氧罐，沼气采用提纯工艺制天然气，厌氧罐采用一期工程的缸套水保温，提升全厂的热能利用效率。通过计算需增设的厌氧罐个数见表1，为保证在极寒天气厌氧罐保温，拟增加厌氧罐8个。

表1 增加厌氧罐数量计算

沼气制天然气工艺简介：选定的工艺路线可以使沼气提纯至天然气品质，并满足并网的要求。工艺上利用了不同气体在通过塑料膜时的不同速率。实质上，膜内气体分离的动力来自于气体进口端和渗透侧的压差。沼气应首先进行脱硫、压缩至所需的1.9 MPa工作压力，然后冷却装置冷凝。冷却后的气体经过三级膜处理，甲烷被截留在膜的压力侧，而二氧化碳、水、氨氮、硫化氢等则比较容易地穿过膜，从而实现天然气提纯。

2.2 厌氧罐排出沼液加热进料技术

2.2.1 换热器类型比选

1）板式换热器。板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3～5倍，占地面积为管式换热器的1/3，热回收率可高达90%以上。

2）列管式换热器。由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热2种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。

3）螺旋板式换热器。螺旋板式换热器与一般列管式换热器及板式换热器相比不易堵塞，尤其是泥沙、小贝壳等悬浮颗粒杂质不易在螺旋通道内沉积，主要体现在：①因为它是单通道，杂质在通道内的沉积一形成周转流就会提高至把它冲掉；②因为螺旋通道内没有死角，杂质容易被冲出。

2.2.2 节能改造方案及热力分析

一期工程和二期工程中，冲洗污水量、处理鸡粪量、出料沼液量见表2。换热器的一侧为出料沼液，一侧为冲洗污水。两侧的介质在流动传热的过程中易发生堵塞，宜选用螺旋板式换热器。经过热力计算选型，选用2台螺旋板式换热器，单台换热面积85.0 m3，配备2台污水泵、2台出料泵。单台换热器设计参数见表3。

表2 换热器介质流量

表3 单台换热器设计参数

3 能量优化后系统热力分析

冬季工况，全厂热力系统经过能量优化后，见图2，与优化前（图1）相比较，增加了8个厌氧罐用于制取天然气，增加利用燃气内燃机缸套水628 kW，有效地减少了无效散热量。一期和二期工程共20个厌氧罐，处理鸡粪580 t/d，冲洗污水500 t/d，从2℃加热至33℃需要蒸汽热量1 627 kW。采用厌氧罐排出沼液加热进料技术，可以减少加热蒸汽使用量（262.5 kW×2），节省蒸汽可以供办公室取暖等，有效地提高了厂区热经济性。

图2 系统优化后能流

4 结论

1）冬季工况，全厂热力系统经过能量优化后，增加了8个厌氧罐用于制取天然气，增加利用燃气内燃机缸套水628 kW，有效地减少了缸套水无效散热量。

2）一期和二期工程共20个厌氧罐，处理鸡粪580 t/d，冲洗污水500 t/d，从2℃加热至33℃需要蒸汽热量1627kW。采用厌氧罐排出沼液加热进料技术，可以减少加热蒸汽使用量（262.5 kW× 2），节省蒸汽可以供办公室取暖等，有效地提高了厂区热经济性。

［1］BalatM.Globalbio-fuelprocessingandproductiontrends［J］.Energy Explor Exploit，2007，25：195-218.

［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］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.

［5］刘泽庆，王星，张瑞娜，等.生物燃气热电联产系统能量利用效率分析［J］.环境卫生工程，2017，25（1）:36-38，42.

Energy Optimization of Biogas Cogeneration System

Liu Zeqing1，Zhang Ruina1，Liu Shuai2，Liu Shuyue1
（1.Shanghai Environmental Sanitation Engineering Design Institute Co.Ltd.，Shanghai200232；2.China Municipal Engineering North China Design Research Institute Co.Ltd.，Tianjin300381）

In terms of the chicken manure anaerobic project with heat and power production，the supply side and the demand side were analyzed.The resultsshowed that jacket water wasapplied for insulation of anaerobic tank during actual operation，which is not utilized efficiently.Meanwhile，the discharged biogas slurry with a temperature of 36℃can be used to heat anaerobic feed，in order to achieve cascaded utilization of energy.Through system optimization，8 anaerobic tanks for natural gas production were added，increasing the use of jacket water energy by 628 kW，effectively reducing invalid heat releasing.At the same time，the discharged biogasslurry heating feed technology wasused to reduce the use of heated steam（525 kW），effectively improving the thermal economy.

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

X706；TK6

B

1005-8206（2017）04-0077-03

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）

2017-03-26