馬 飛，劉 宇

（上海齊耀動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201203）

我國(guó)農(nóng)村有著豐富的生物質(zhì)原料，以生物質(zhì)原料生產(chǎn)沼氣時(shí)我國(guó)“十二五”期間重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的新能源，可以解決農(nóng)村的部分用能。沼氣發(fā)電技術(shù)采用大型沼氣池產(chǎn)生的沼氣作為燃料，驅(qū)動(dòng)綜合發(fā)電裝置產(chǎn)生電能和熱能，具有節(jié)能、安全和環(huán)保等特點(diǎn)，并且有很好的經(jīng)濟(jì)性，是一種很有發(fā)展?jié)摿Ψ植际侥茉?。沼氣發(fā)電站主要由厭氧消化裝置、發(fā)電裝置及輔熱裝置組成，生物質(zhì)原料在厭氧消化池發(fā)酵時(shí)，為保證沼氣均勻持續(xù)地產(chǎn)生，需要一個(gè)溫度恒定的環(huán)境，而且當(dāng)溫度處于最優(yōu)消化溫度范圍時(shí)，沼氣產(chǎn)生速率與產(chǎn)氣量均達(dá)到最大。因此，厭氧消化池的溫度平衡對(duì)整個(gè)發(fā)電站的運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。本文將結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)沼氣發(fā)電站厭氧罐的熱平衡進(jìn)行計(jì)算，并分析熱平衡的調(diào)節(jié)方法。

1 工程實(shí)例

在實(shí)際沼氣發(fā)電站工程中，原料（鴨糞）先經(jīng)過(guò)除砂、調(diào)漿，同時(shí)利用燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的蒸氣在調(diào)漿池對(duì)進(jìn)料進(jìn)行初步加熱，然后進(jìn)入?yún)捬跸?，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過(guò)脫硫等一系列處理后，供給沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱產(chǎn)生的熱水用來(lái)給厭氧消化池加熱。厭氧罐單罐容積2 000m3，厭氧罐整體外部15cm聚氨酯發(fā)泡保溫，通過(guò)環(huán)繞在罐體外的加熱帶進(jìn)行加熱。單罐日進(jìn)料量100t，進(jìn)料濃度10%（鴨糞含量），共8個(gè)罐體。進(jìn)料加熱在調(diào)漿池進(jìn)行，每次400m3，加熱時(shí)間4h，再分別送到4個(gè)罐體。該項(xiàng)目的沼氣產(chǎn)量1000m3／h，采用兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組，沼氣的總用量48m3／h，發(fā)電輸出功率為1 063kW×2，最大余熱量為572kW，可以輸出170℃蒸汽1.2t／h。厭氧罐最終的平衡溫度與季節(jié)有關(guān)，平衡溫度可以按春秋、夏、冬三個(gè)季節(jié)的典型環(huán)境溫度計(jì)算。

2 熱平衡計(jì)算

罐體向周?chē)諝獾膶?duì)流換熱會(huì)損失一部分熱量，為了保持發(fā)酵溫度的穩(wěn)定，厭氧消化罐需要加熱。為了簡(jiǎn)化罐體對(duì)空氣散熱的計(jì)算，假設(shè)罐內(nèi)原料得到充分?jǐn)嚢?，每次進(jìn)料能及時(shí)與罐內(nèi)原料混合，罐內(nèi)原料的溫度均勻分布。

2.1 罐體對(duì)空氣的散熱

由于罐體的直徑遠(yuǎn)大于壁厚，可將其簡(jiǎn)化視為無(wú)限大平壁，平壁的兩側(cè)分別是攪拌流動(dòng)的原料和流動(dòng)的空氣，從內(nèi)到外的傳熱依次是原料與罐體內(nèi)壁的對(duì)流換熱，罐體及保溫材料內(nèi)的導(dǎo)熱，保溫材料外壁與空氣的對(duì)流換熱。其中傳熱方程為：

式中：k為換熱系數(shù)，kW／（m2·K）；A為換熱面積，包括罐體側(cè)壁及罐頂?shù)拿娣e，m2；tstf和tair分別為原料平均溫度、空氣平均溫度，℃；hstf和hair分別為原料與內(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)和外壁與空氣對(duì)流換熱系數(shù)，kW／（m2·K）；δc和δpu分別為罐體壁厚、保溫材料壁厚，m；λc和λpu分別為罐體材料和保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，分別取75kW／（m·K）與0.03kW／（m·K）。

其中對(duì)流換熱系數(shù)hstf和hair可以通過(guò)努謝爾數(shù)得到：

努謝爾數(shù)根據(jù)流體外掠平板對(duì)流換熱公式求得：

式中：Nu為層流、湍流的平均努謝爾數(shù)；Re為流體雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)。

厭氧罐周?chē)h(huán)境空氣的計(jì)算溫度及風(fēng)速取自《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)室外氣象參數(shù)》，其他物性參數(shù)取自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）數(shù)據(jù)庫(kù)，見(jiàn)表1：

罐內(nèi)原料的物性隨鴨糞含量、消化程序的不同而變化，為計(jì)算方便以水的物性參數(shù)代替，攪拌流動(dòng)速度取0.1m／s。

2.2 罐體從加熱帶的得熱

從發(fā)動(dòng)機(jī)余熱換熱器出來(lái)的高溫?zé)崴ㄟ^(guò)加熱帶向罐內(nèi)原料放熱，此換熱過(guò)程原料與內(nèi)壁的換熱繼續(xù)視為大平板對(duì)流換熱，計(jì)算方程與散熱方程相同。熱水側(cè)換熱視為管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，傳熱方程為：

式中：Qh和Qh′分別為加熱帶向罐體內(nèi)原料的傳熱量和罐體通過(guò)保溫材料向空氣散熱量，kW。kHz和kh′分別是加熱的換熱系數(shù)和散熱換熱系數(shù)，kW／（m2·K）；Ah為環(huán)繞罐體的加熱帶的換熱面積，m2；hw為水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，kW／（m2·K）；Δtm為平均溫差，℃；Δtmax和Δtmin為內(nèi)外流體的最大溫差和最小溫差，℃。

由于該方程組為非封閉方程組而且未知量較多，所以必須添加水側(cè)的進(jìn)出口熱平衡方程：

式中：Qw為水流帶入的熱量，kW；qw為進(jìn)水流量，kg／h；cp為定壓比熱容，J／（g·K）；Δtw為進(jìn)出口水溫差，℃。

先假設(shè)水側(cè)出口溫度，進(jìn)行試算，當(dāng)Qh＋Qh′與Qw之差足夠小時(shí)，可認(rèn)為計(jì)算達(dá)到平衡。整個(gè)系統(tǒng)熱平衡計(jì)算過(guò)程為：

1）假設(shè)罐內(nèi)原料溫度t0和水側(cè)出口溫度tw2，計(jì)算進(jìn)料后混合原料的溫度t1；

2）根據(jù)定性溫度，計(jì)算換熱方程的各參數(shù)，如Re、Nu、h、k，得到換熱量Q；

3）根據(jù)Qh＋Qh′與Qw之差調(diào)整水側(cè)出口溫度tw2，直至兩者誤差在0.1%以?xún)?nèi)；

4）按Δtetf＝Qw／（mstf·Cstf）得到原料在一次進(jìn)料周期內(nèi)的溫升；

5）對(duì)比t0′＝t1＋Δtstf與假設(shè)溫度t0之間的誤差，調(diào)整t0，再次計(jì)算，直至兩者相對(duì)誤差在0.05%以?xún)?nèi)時(shí)，計(jì)算完成，認(rèn)為此時(shí)系統(tǒng)熱量平衡。

表1 環(huán)境空氣的物性參數(shù)

2.3 罐內(nèi)原料溫升

對(duì)全年不同季節(jié)進(jìn)行計(jì)算，得到表1中的計(jì)算結(jié)果，其中夏季因環(huán)境溫度較高，熱水未對(duì)罐體進(jìn)行加熱，即Qh＝0，全部得熱量由蒸汽氣加熱進(jìn)料提供。

表2 厭氧罐熱平衡計(jì)算結(jié)果

可見(jiàn)在冬夏季，該沼氣發(fā)電站厭氧消化系統(tǒng)的熱平衡溫度在30～35℃之間，處于厭氧消化的最優(yōu)消化溫度范圍。其中典型季節(jié)冬季的系統(tǒng)能流圖如圖1所示，輸入的能源為原料鴨糞，產(chǎn)生的沼氣全部用于系統(tǒng)的沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)，最終輸出電能。過(guò)渡季因加熱量不變，而散熱量較少，厭氧消化溫度接近40℃，但并不會(huì)對(duì)厭氧消化產(chǎn)生過(guò)多不利的影響，而且整套系統(tǒng)的運(yùn)行方式不變，從工程角度與運(yùn)行控制角度，都是適合的運(yùn)行策略。

圖1 沼氣發(fā)電站冬季能流圖

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上計(jì)算過(guò)程也能方便地計(jì)算保持厭氧消化系統(tǒng)溫度穩(wěn)定時(shí)需要的熱水量，可以作為項(xiàng)目初期的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，為沼氣發(fā)電站熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型提供計(jì)算方法。