李金平,曹 鵬,郭精韜,黃娟娟,王春龍

(1.蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點試驗室,甘肅 蘭州 730050;3.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,甘肅 蘭州 730050;4.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境問題的日趨嚴重,沼氣工程以能夠大批量處理廢棄物、生產(chǎn)清潔能源的優(yōu)點越來越受到重視[1]。中國沼氣事業(yè)近年來取得了世界矚目的成就。但是目前仍存在沼氣工程廢棄、閑置率較高的問題[2]。一方面是資金渠道單一,市場機制不健全[3-5];另一方面缺乏充足的熱源來保證全年恒溫發(fā)酵[6-8]。沼氣工程排料帶走了大量熱量,這部分熱量通常因直接排放而浪費掉,同時加熱進料負荷占沼氣工程總熱負荷的90%以上[9],因此利用沼液余熱加熱進料對沼氣工程穩(wěn)定運行具有重要作用。

國內(nèi)外沼液余熱的利用研究目前集中在沼液余熱換熱器的選擇和換熱機理分析[10-11]。Chen等[12]采用數(shù)值模擬方法研究了刮板式換熱器回收余熱的性能,得出回收沼液余熱不僅減少了恒溫發(fā)酵需熱量,而且提高了生物原料的凈產(chǎn)氣率。裴曉梅等[13]設(shè)計了太陽能-沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng),該系統(tǒng)沼液余熱回收的熱量占了厭氧發(fā)酵裝置總需熱量的70%?；ㄧR等[14]通過對比分析同等規(guī)模的瑞典高溫發(fā)酵和中國江蘇中溫發(fā)酵產(chǎn)氣性能,得出高溫發(fā)酵和回收找余熱都能提高發(fā)酵產(chǎn)氣效率。王淑霞等[15]通過能效比和凈產(chǎn)能分析沼氣工程的凈產(chǎn)能特性,得出回收沼液余熱可將沼氣工程平均發(fā)酵溫度從28.9 ℃升至36.5 ℃,同一進料濃度下,沼液余熱回收前后最大凈產(chǎn)能的增幅可達11.5%,其對應(yīng)的能效比增幅為53.1%。李金平等[16]結(jié)合沼液的流變特性設(shè)計了一種弓形結(jié)構(gòu)的回?zé)峄刭|(zhì)器,通過數(shù)值模擬得出系統(tǒng)沼液余熱回收量占系統(tǒng)總需熱量的61%,提高了沼氣工程系統(tǒng)穩(wěn)定性。

沼氣工程排料需固液分離后再完成余熱回收和沼液回流,因此選擇合理的固液分離裝置十分重要。目前國內(nèi)外沼氣工程固液分離采用的技術(shù)主要有離心式、壓濾式、篩分式3種,其中能耗低、可靠性高的螺旋擠壓式分離機在畜禽糞便處理及沼液沼渣分離領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛[17-18]。但是這幾種固液分離方式固定投資較高且需花費大量的維護成本,僅適用于200 m3以上的沼氣工程。中小型沼氣工程的排料往往在沉淀后選擇農(nóng)田消納和就近排放,但由于種植季節(jié)性原因,農(nóng)田無法完全消納的沼液不僅增加了排污成本,還造成了環(huán)境污染。

綜上所述,研發(fā)了一種帶有固液分離的回?zé)峄刭|(zhì)裝置,并通過試驗測試其增溫性能,可為中小型沼氣工程實際運行提供選擇依據(jù)。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

帶有固液分離的回?zé)峄刭|(zhì)裝置由不銹鋼主體、格柵、壓板、分液柱、保溫層、電葫蘆懸提裝置、自吸排污泵、攪拌器等組成。裝置呈屜型結(jié)構(gòu),從上至下分為沼渣層、進料層、沼液層,裝置中間均勻分布4根分液柱,分液柱固定在進料層底部,保證固液分離后的沼液經(jīng)分液柱流入沼液層,再通過自吸排污泵進行回質(zhì)。整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.保溫層; 2.不銹鋼主體; 3.壓板; 4.格柵; 5.分液柱;6.分液口; 7.回?zé)峄刭|(zhì)管道; 8.進料管道

1.2 工作原理

沼液的回質(zhì)是指將固液分離后的沼液按一定比例通入到發(fā)酵罐中進行再利用。沼液中含有大量的產(chǎn)甲烷菌和未完全分解的有機物,回質(zhì)后能夠提高有機物的分解率,加快產(chǎn)氣速率,增加沼氣產(chǎn)量。同時,沼液回質(zhì)對沼氣工程起到重要的節(jié)水減排作用。通過回質(zhì)可以減少40%的沼液排放和需用水。沼液的回?zé)嵋环矫媸腔厥栈刭|(zhì)沼液所保留的沼液余熱;另一方面是采取高效換熱方式回收剩余沼液中的熱量,提高進料溫度,實現(xiàn)廢熱利用,減少系統(tǒng)加溫負荷。

帶有固液分離的回?zé)峄刭|(zhì)裝置作業(yè)時,通過電葫蘆懸吊起頂層壓板,使出料排到格柵上方,格柵孔徑為70目。放下壓板,通過擠壓力和重力作用進行固液分離,分離后的沼液經(jīng)過4根分液柱流至沼液層,沼渣留在沼渣層,完成固液分離。完成固液分離后懸提沼渣層,將進料通入進料層,通過自吸排污泵將40%的沼液回至進料層中,完成回質(zhì)。剩余的沼液通過直接換熱的方式加熱進料,利用單螺桿泵將增溫后的進料通入發(fā)酵罐中。換熱后的在自吸排污泵的作用下通入外界,利用農(nóng)田消納。

圖2 回?zé)峄刭|(zhì)裝置原理示意圖

2 帶有回?zé)峄刭|(zhì)的太陽能恒溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡介

帶有回?zé)峄刭|(zhì)的太陽能恒溫沼氣工程位于甘肅省蘭州市七里河區(qū)魏嶺鄉(xiāng)綠化新村新能源循環(huán)農(nóng)業(yè)精準扶貧示范基地。沼氣工程由發(fā)酵罐、太陽能集熱器、進料池、儲熱水箱、儲氣罐等元件組成,系統(tǒng)示意圖如圖3所示。系統(tǒng)采用沼液余熱和太陽能聯(lián)合增溫,采用乙二醇和水的混合物作為系統(tǒng)循環(huán)介質(zhì)。

2.2 系統(tǒng)加熱負荷分析

系統(tǒng)總熱負荷主要由發(fā)酵罐維護結(jié)構(gòu)散熱負荷和加熱進料負荷構(gòu)成,沼氣帶走熱量和管道散熱損失忽略不計,其公式為

QH=Qs+Qj,

(1)

其中:QH為發(fā)酵系統(tǒng)總耗熱量(kJ);Qs為發(fā)酵罐圍護結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量(kJ);Qj為進出料帶走的熱量(kJ)。

1～2.循環(huán)水泵;3～9.球形閥門;10.溫度傳感器采集儀;11～19.溫度傳感器

(1) 發(fā)酵罐圍護結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量 發(fā)酵罐圍護結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量包括發(fā)酵罐頂部、側(cè)壁和底部的耗熱量3部分,其表達式為

Qs=Q1+Q2+Q3,

(2)

其中:Q1、Q2、Q3分別為發(fā)酵罐頂部、側(cè)壁、底部的傳熱耗熱量(kJ)。

發(fā)酵罐側(cè)壁采用圓柱形傳熱模型計算,頂部和底部采用平壁傳熱模型計算。

發(fā)酵罐頂部傳熱耗熱量為

(3)

發(fā)酵罐高4.8 m,直徑3.82 m,有效容積50 m3。發(fā)酵罐頂部、側(cè)部和底部各結(jié)構(gòu)層材料和相關(guān)參數(shù)見表1。

發(fā)酵罐底部傳熱耗熱量為

(4)

其中:Ts為發(fā)酵罐底部土壤溫度(℃);α3為發(fā)酵罐內(nèi)部沼液與罐底部壁面的對流換熱系數(shù)(W·m-2K-1);Ab為發(fā)酵罐底部面積(m2)。

表1 發(fā)酵罐材料及相關(guān)參數(shù)

發(fā)酵罐側(cè)壁散熱量為

(5)

其中:L為發(fā)酵罐高度(m);α4、α5分別為發(fā)酵罐壁與沼液、外壁與大氣的對流換熱系數(shù)(W·m-2K-1);rj為發(fā)酵罐各結(jié)構(gòu)層特征長度(m);As為發(fā)酵罐側(cè)壁面積(m2)。

發(fā)酵罐外圍護結(jié)構(gòu)每天散熱量為

∑Qs=86 400Qs=86 400(Q1+Q2+Q3)。

(6)

(2) 加熱進料熱負荷 加熱進料熱負荷是進料從初始溫度增溫到發(fā)酵溫度需要的加熱負荷,其計算公式為

Q2=Cpm1(Tw-Tin),

(7)

Cp=4.17(1-0.081 2TS),

(8)

ρs=0.036TS3-2.38TS2+14.6TS+1 000,

(9)

其中:Cp為料液的定壓比熱(kJ·kg-1K-1);m1為進料的質(zhì)量流量(kg/d);Tin為進料溫度(℃);ρs為料液密度(kg/m3),該工程料液含固率取8%。

蘭州不同月份的氣溫條件和土壤溫度以及2015年蘭州市花莊鎮(zhèn)沼氣工程實測進料溫度如表2所列。結(jié)合上述計算公式對發(fā)酵罐不同月份各部分加熱負荷進行計算,得出發(fā)酵罐在采取良好保溫措施的條件下,加熱進料熱負荷占系統(tǒng)總熱負荷的89.3%～93.2%。不同月份系統(tǒng)各部分加熱負荷如圖4所示。從圖4中可以看出,隨著外界環(huán)境溫度降低,系統(tǒng)總熱負荷增加較快。在冬季條件下,加熱進料負荷仍占據(jù)系統(tǒng)總熱負荷的89.3%以上。排料帶走大量熱量和進料溫度過低是導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因,因此設(shè)計合理高效的沼液余熱回收裝置并加熱進料對沼氣工程穩(wěn)定運行具有重要意義。

表2 蘭州不同月份氣溫條件下沼氣工程熱量計算

圖4 不同月份系統(tǒng)各部分加熱負荷

2.3 太陽能集熱系統(tǒng)計算

集熱器集熱量計算式為

(10)

其中:Q2為太陽能集熱器集熱量(kJ);Ae為太陽能集熱面積(m2);Ht為傾斜輻照量(MJ/m2);η為集熱器日平均集熱效率;ηs為管路損失效率,一般取0.2～0.3;f為太陽能保證率。14組太陽能集熱器在蘭州不同月份太陽能保證率為100%的集熱器傾斜面上月平均單日集熱量如表3所示。在冬季雨雪天氣較多,太陽輻射較弱的情況下,太陽能集熱陣列也能為系統(tǒng)提供261.4 MJ/d的熱量。

3 回?zé)峄刭|(zhì)試驗分析

3.1 試驗分析

根據(jù)沼液回質(zhì)小試試驗選擇40%的回質(zhì)比例進行回?zé)峄刭|(zhì)試驗,通過試驗回?zé)釙r長和進料溫度變化,計算進料溫度提升和回收熱量占系統(tǒng)維持37 ℃恒溫發(fā)酵所需熱量比重,確定回?zé)峄刭|(zhì)裝置對沼氣工程運行穩(wěn)定性和可靠性的提升。

表3 蘭州不同月份集熱器集熱量

沼氣工程沼液回?zé)峄刭|(zhì)運行時溫度變化如圖5所示,回?zé)峄刭|(zhì)裝置安裝在保溫效果良好的進料房內(nèi),故可維持較恒定的環(huán)境溫度。室內(nèi)溫度為18.3 ℃,新鮮牛糞溫度為18.7 ℃,自來水溫度為14.8 ℃,將適量的水與新鮮牛糞加入進料層,攪拌均勻后進料層溫度為16.2 ℃,發(fā)酵溫度為37 ℃的排料經(jīng)過出料管和固液分離后得到的沼液溫度為33.2 ℃。將40%比例的沼液通入進料層,其余的沼液留在沼液層加熱進料,回質(zhì)后進料層溫度為25.9 ℃,再換熱220 min后進料層溫度達到最大值26.6 ℃,沼液余熱回收加熱進料的熱量占維持37 ℃恒溫發(fā)酵所需熱量的51.9%。

3.2 冬季回?zé)峄刭|(zhì)試驗分析

冬季條件下回?zé)峄刭|(zhì)溫度變化如圖6所示,冬季室內(nèi)環(huán)境溫度可較穩(wěn)定的維持在3～5 ℃。進料置于室外,進料溫度接近外界環(huán)境溫度。

圖5 回?zé)峄刭|(zhì)試驗溫度變化

圖6 冬季條件下回?zé)峄刭|(zhì)溫度變化

試驗取0 ℃的新鮮牛糞作為冬季沼氣工程進料,符合工程實際運行條件,自來水管安裝在進料室內(nèi),出水水溫為3.2 ℃。將適量的自來水與牛糞混合均勻后進料層溫度為2.5 ℃,將40%比例的沼液通入進料層,混合均勻后進料層溫度為13.3 ℃,再回?zé)?80 min后進料層溫度達到18.9 ℃。沼液余熱回收的熱量占冬季沼氣工程維持37 ℃恒溫發(fā)酵所需熱量的47.2%。因此回?zé)峄刭|(zhì)在冬季具有良好的效益,有效提高了沼氣工程穩(wěn)定性。

3.3 回?zé)峄刭|(zhì)效益分析

回?zé)峄刭|(zhì)對沼氣工程的穩(wěn)定性和可靠性有著重要的影響,課題采用“能值分析法”對比分析了帶有回?zé)峄刭|(zhì)的太陽能恒溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)(系統(tǒng)Ⅰ)、傳統(tǒng)燃煤鍋爐加熱厭氧發(fā)酵系統(tǒng)(系統(tǒng)Ⅱ)以及燃煤鍋爐和太陽能聯(lián)合加熱厭氧發(fā)酵系統(tǒng)(系統(tǒng)Ⅲ)3種系統(tǒng)的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益[19]。通過太陽能值[20]和“能值轉(zhuǎn)換率”[21]來衡量系統(tǒng)內(nèi)各種能量。根據(jù)試驗運行記錄和資料收集可得3種加熱系統(tǒng)投資和運行費用。沼液排污處理費用國內(nèi)暫無標準,國外的處理費用折算為人民幣是185.8元/t[22]。

系統(tǒng)Ⅰ、系統(tǒng)Ⅱ、系統(tǒng)Ⅲ能值分析如表4所列,系統(tǒng)Ⅰ的初始投資比系統(tǒng)Ⅱ增加了61%,但系統(tǒng)Ⅰ利用太陽能和沼液余熱加熱沼氣工程,減少了每年5.56×1015sej的標煤,增加了3.61×1016sej的沼氣產(chǎn)量;每年節(jié)約1.7×1014sej的自來水和4.15×1016sej的排污處理費;回?zé)峄刭|(zhì)裝置操作簡單,每年可節(jié)省2.04×1016sej的勞動力和2.39×1014sej的設(shè)備維修費。比系統(tǒng)Ⅱ的年凈效益高130 287元。系統(tǒng)Ⅲ比系統(tǒng)Ⅱ增加了太陽能集熱陣列,初始投資增加了68.28%,利用燃煤鍋爐聯(lián)合太陽能加熱沼氣工程,減少了每年4.54×1015sej的標煤;該系統(tǒng)只需在冬季增加燃煤鍋爐,每年可節(jié)省6.8×1015sej的勞動力。比系統(tǒng)Ⅱ的年凈效益高14 210元。因此帶有回?zé)峄刭|(zhì)的太陽能恒溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

表4 系統(tǒng)Ⅰ、系統(tǒng)Ⅱ、系統(tǒng)Ⅲ能值分析

4 結(jié)論

(1) 發(fā)酵罐在采取良好保溫措施條件下,加熱進料負荷占系統(tǒng)總熱負荷的89.3%～93.2%。在環(huán)境溫度為18 ℃的條件下,回?zé)峄刭|(zhì)可將16.2 ℃的進料加熱至26.6 ℃,占恒溫發(fā)酵所需熱量的51.9%。在冬季條件下,回?zé)峄刭|(zhì)可將2.5 ℃的進料加熱至18.9 ℃,占冬季恒溫發(fā)酵所需熱量的47.2%。

(2) 系統(tǒng)維持37℃恒溫發(fā)酵所需熱量由沼液余熱和14組總集熱面積為53.9 m2的太陽能集熱陣列提供,該系統(tǒng)實現(xiàn)了100%的可再生能源供熱,可以保證沼氣工程在冬季37 ℃恒溫發(fā)酵。與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐加熱相比,初始投資增加了61%,年凈效益增加130 287元;與太陽能和燃煤鍋爐聯(lián)合加熱相比,初投資減少了7.28%,年凈效益增加116 077元。因此有回?zé)峄刭|(zhì)的太陽能恒溫發(fā)酵系統(tǒng)具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。