沼气工程沼液余热定量评估及可用性分析

王鲁民 赵志斌 夏晓芳 张 亮

摘 要：以主要原料为牛粪的中温发酵沼气工程为研究对象，构建产气规模为1万m?/d的沼气工程模型。经分析，沼液回收热量占总需热量的35%，可利用性高，回收价值较大。

關键词：厌氧发酵；沼气；沼液；余热回收

中图分类号：S216.4 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180233221

随着我国城镇化水平的提高，畜禽养殖有机废弃物造成的环境污染问题日益凸显。沼气工程在处理有机废弃物的同时能够产生清洁能源生物天然气，在一定程度上缓解了我国城镇化进程中的环境、能源等问题，但在运行过程中的能耗高、热损大等问题依然存在。张佳等[1]以国内4个典型车用生物燃气工程为研究对象，通过对其进行余热和需热分析统计，发现沼液余热节能潜力最大，应重点回收。

本文以青岛地区某大型沼气工程运行数据为基础，该工程主要原料为牛粪，采用中温CSTR厌氧工艺，构建规模为2个5000m?厌氧发酵罐的沼气工程模型，厌氧发酵罐径高比为1，对沼液余热进行定量评估和可用性分析，为沼气工程沼液余热回收提供数据支持。

1 模型构建

相关研究表明，厌氧发酵过程中的主要热量消耗包括：发酵罐的热散失、蒸发及沼气外流导致的热量损失、将原料升温至发酵温度所需热量、发酵菌群体系进行生物代谢时的反应热等[2]。因蒸发及沼气外流导致的热损失与发酵菌群体系进行生物代谢时的反应热，其数值较小，且可互相抵消，构建模型热损失核算包括：发酵罐的热散失和将原料升温至发酵温度所需热量。

1.1 发酵罐热散失

厌氧发酵罐的热损失主要包括灌顶、管壁和罐底热散失，其中灌顶与罐壁部位主要是罐外层与空气之间的对流热散失Q1，罐底部位主要是罐底与土壤之间的热散失Q2，计算式如下。

式中，为发酵罐内体系温度37℃；为空气温度，即外界环境温度；为灌顶与空气接触面积288m2；为罐壁与空气接触面积；为发酵体系与空气间的罐壁板和保温层热阻之和；为空气对流传热系数；为罐底土壤温度，该温度基本恒定在20℃；为罐底与土壤接触面积264m2；为发酵体系与土壤间的罐底热阻之和。

1.2 原料升温热耗

原料升温热耗Q3计算式如下：

式中，为进料比热，4.2103j/（kg·℃）；为每日进料量，400t/d；为发酵罐内体系温度37℃；为进料温度，等于外界环境温度Ta。

1.3 沼液热量回收

沼液可供回收热量Qr计算式如下：

式中，为沼液比热，4.2103j/（kg·℃）；为每日沼液产量，387t/d；为流出体系沼液温度37℃；为余热回收后沼液温度，设定为土壤温度20℃。

2 结果分析

构建模型相关计算结果见表1所示。

根据表1计算结果数据，沼液每天可供回收的热量Qr为27632MJ，但因沼液在流出发酵罐过程中及在余热回收过程中有一定的热损失，其实际可供回收的热量约为70%[3]，即19342MJ/d。按照热泵工作4h/d计算，热泵输入功率为336kW，耗能量约为4838MJ。按照上述分析，每天实际沼液余热回收量与回收过程中的耗能量之差为14504MJ。分析结果见表2所示。

3 结论

以牛粪为原料，产气规模为1万Nm?的中温发酵沼气工程，其沼液余热回收净值为14503m?/d，需热量最大的月份为1月份，合计为64343MJ/d，该月沼液回收余热量占总需热量得23%；需热量最小的月份为8月份，合计为20254MJ/d，该月沼液回收余热量占总需热量得72%。

全年平均热损失为41900MJ/d，若按照沼气热值21MJ/m?计算，年需热量约相当于70万m?沼气。

沼液余热回收热量为14503m?/d，年回收热量约相当于25万m?沼气，占总需热量的35%，有较高的回收价值。

参考文献

[1]张佳，邢涛，孙永明，等.车用生物燃气工程范例余热定量评估及可利用性分析.农业工程学报，2017（9）：232-236.

[2]裴晓梅，石慧娴.太阳能-沼液余热式热泵高温厌氧发酵加热系统.同济大学学报，2012（2）：292-296.