王 蘭， 鄧良偉， 王 霜， 張?jiān)萍t， 鄭 丹， 宋 立， 劉 刈， 蒲曉東， 王智勇

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041)

畜禽糞污沼氣發(fā)電工程中的加熱能量平衡分析

王 蘭， 鄧良偉， 王 霜， 張?jiān)萍t， 鄭 丹， 宋 立， 劉 刈， 蒲曉東， 王智勇

(農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041)

文章以江蘇某畜禽糞污沼氣發(fā)電項(xiàng)目為例，分析了畜禽糞污沼氣發(fā)電工程的中溫厭氧消化系統(tǒng)加熱能量供給及其影響因素。結(jié)果表明：該項(xiàng)目中，總加熱能量需求為213.39 GJ·d-1，主要為厭氧消化罐的增溫保溫(75%)和有機(jī)肥烘干(25%)，其中厭氧消化罐增溫保溫的熱量需求主要是物料增溫(85.41%～86.45%)、罐體散熱(12.63%～12.9%)和輸熱管散熱(0.68%～1.78%)。因此，當(dāng)發(fā)電余熱回收效率為47.4%，回收熱量為254.54 GJ·d-1時(shí)，沼氣發(fā)電余熱能夠滿(mǎn)足整個(gè)工程的加熱能量需求。在其它條件不變的情況，對(duì)影響沼氣工程加熱能量平衡的各主要因素進(jìn)行單因子分析，結(jié)果表明，要保證發(fā)電余熱至少滿(mǎn)足中溫厭氧消化增溫保溫能量需求，則進(jìn)料TS含量不應(yīng)低于6.17%，余熱回收效率不應(yīng)低于29.74%，沼氣產(chǎn)量達(dá)產(chǎn)比例不應(yīng)低于設(shè)計(jì)產(chǎn)量的62.74%，原料量不應(yīng)低于設(shè)計(jì)原料的18.63%，保溫系統(tǒng)保溫性能不應(yīng)低于設(shè)計(jì)的27.36%。

沼氣發(fā)電工程； 畜禽糞污； 發(fā)電余熱； 能量平衡

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，畜禽糞便資源豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)畜禽糞便排放量達(dá)32.1億噸[1]。沼氣發(fā)酵技術(shù)是目前最具前景的畜禽糞便資源化利用技術(shù)之一[2]，其利用有機(jī)廢棄物產(chǎn)沼氣，即可以有效削減有機(jī)污染，又可高效產(chǎn)沼氣，而沼氣的主要成分—甲烷，是一種重要的能源物質(zhì)[3]。

目前沼氣主要的利用方式有集中供氣、發(fā)電、注入天然氣管網(wǎng)、車(chē)用燃料、燃料電池、工業(yè)原料等[4]。沼氣發(fā)電作為一種分布式高品位能源利用技術(shù)，已成為沼氣利用的主要方式之一[5]。由于沼氣發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生大量余熱，余熱回收可供沼氣發(fā)酵過(guò)程升溫保溫、周邊居民取暖等，因此目前熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power generation, CHP)是歐洲乃至全世界沼氣應(yīng)用最主要的形式之一[5-6]。據(jù)EurObserv’ER統(tǒng)計(jì)，，在歐洲和德國(guó)CHP發(fā)電是沼氣應(yīng)用的主要形式，沼氣發(fā)電分別占沼氣總產(chǎn)量的80%和90%以上，而CHP發(fā)電分別占沼氣總發(fā)電量的62.2%和71.7%。

但是，在中國(guó)沼氣發(fā)電技術(shù)應(yīng)用卻屢屢受阻，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)僅有不到3%的沼氣用于發(fā)電[7]。據(jù)國(guó)家可再生能源中心統(tǒng)計(jì)，2014年，我國(guó)沼氣發(fā)電核準(zhǔn)容量為446.4 MW，沼氣發(fā)電并網(wǎng)容量為215.3 MW，占生物質(zhì)總發(fā)電并網(wǎng)容量的2.27%，若運(yùn)行小時(shí)數(shù)按2014年全國(guó)平均等效滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)算，則沼氣總發(fā)電量為2.4 TWh，占生物質(zhì)總發(fā)電量的5.8%，占可再生能源發(fā)電總量的0.19%，占全國(guó)總發(fā)電量的0.04%[8]。與德國(guó)相較，我國(guó)沼氣發(fā)電總量?jī)H為德國(guó)的7.8%?？梢?jiàn)，我國(guó)沼氣發(fā)電發(fā)展緩慢，發(fā)電量低，市場(chǎng)份額小，為我國(guó)可再生能源發(fā)展貢獻(xiàn)微弱。

綜合分析，導(dǎo)致我國(guó)沼氣發(fā)電技術(shù)應(yīng)用發(fā)展緩慢、發(fā)電量低的原因主要有以下2點(diǎn)。1) 政府鼓勵(lì)不足，方法不當(dāng)。我國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼主要是建池補(bǔ)貼，而終端產(chǎn)品補(bǔ)貼不足。對(duì)比德國(guó)，德國(guó)采用FiT新能源補(bǔ)貼政策，對(duì)沼氣發(fā)電上網(wǎng)每度電進(jìn)行補(bǔ)貼，事實(shí)證明該政策促使德國(guó)的沼氣產(chǎn)量提升了50%以上[9-10]。2)盡管我國(guó)沼氣技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，但是我國(guó)沼氣發(fā)電技術(shù)仍落后于歐美國(guó)家，且企業(yè)沼氣發(fā)電工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，沼氣發(fā)電工程由于發(fā)酵溫度低、產(chǎn)氣效率低、能源利用率低、余熱回收利用率低等，導(dǎo)致我國(guó)沼氣發(fā)電工程利潤(rùn)薄、難以為繼。筆者主要針對(duì)我國(guó)沼氣發(fā)電工程能源利用低的問(wèn)題，以江蘇某畜禽糞污沼氣發(fā)電項(xiàng)目為例，分別從沼氣發(fā)電工程能量衡算、原料配比、原料量設(shè)計(jì)、保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析探討，旨在為沼氣發(fā)電工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行等相關(guān)從業(yè)者提供依據(jù)。

1 沼氣發(fā)電工程的能量衡算

1.1 工程簡(jiǎn)介

研究對(duì)象為江蘇某畜禽糞污沼氣發(fā)電項(xiàng)目，該項(xiàng)目以豬場(chǎng)糞污、奶牛鮮糞以及養(yǎng)殖場(chǎng)污水為原料，日處理鮮畜禽糞便約每天500 t，總固體(TS)含量約18.7%； 養(yǎng)殖場(chǎng)沖洗污水每天500 t，總固體(TS)含量約1.8%。采用地上式中溫厭氧消化工藝，厭氧消化罐為完全混合式厭氧反應(yīng)器，總池容為24000 m3； 設(shè)計(jì)進(jìn)料物料TS含量為10.4%，日產(chǎn)沼氣25000 m3，全部用于發(fā)電，并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，日產(chǎn)電約6萬(wàn)kWh，日產(chǎn)有機(jī)肥33 t，日產(chǎn)沼液892 t，發(fā)電余熱回收用于中溫厭氧消化罐的增溫保溫和有機(jī)肥生產(chǎn)。其工藝流程圖和物料平衡圖如圖1和圖2所示。

1.2 沼氣發(fā)電系統(tǒng)中的能量供給

沼氣發(fā)電系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)的能量主要由厭氧消化罐產(chǎn)生的沼氣提供，而能量去向由生產(chǎn)的電能、發(fā)電余熱組成。發(fā)電余熱回收用于厭氧消化罐的增溫保溫以及有機(jī)肥的烘干。沼氣的甲烷含量一般為50%～70%，熱值為21～24 MJ·m-3[11]。表1羅列了目前國(guó)內(nèi)外主要的大中型沼氣發(fā)電機(jī)組在滿(mǎn)負(fù)荷情況下的能源利用效率。由此可見(jiàn)，沼氣發(fā)電機(jī)組的發(fā)電熱效率在28.7%～46.3%，余熱回收熱效率在42.8%～48.6%。其中大功率機(jī)組的發(fā)電熱效率往往大于小功率機(jī)組，而國(guó)外機(jī)組的發(fā)電熱效率通常在40%左右，往往比國(guó)產(chǎn)機(jī)組高7%左右[1]，余熱回收熱效率包括了煙道氣的余熱回收，往往大于40%[12-13]，總的能源利用率往往大于80%。項(xiàng)目選用2臺(tái)顏巴赫J(rèn)MS320GS-B.L機(jī)組，單機(jī)輸出功率為1063 kW，滿(mǎn)負(fù)荷情況下，發(fā)電機(jī)組效率為40.2%，余熱回收熱效率為47.4%。若沼氣甲烷含量按60%計(jì)，熱值為21.48 MJ·m-3，該項(xiàng)目可通過(guò)余熱回收裝置回收熱能254.54 GJ·d-1。

圖1 工藝流程圖

圖2 物料平衡圖

表1 國(guó)內(nèi)外主要沼氣發(fā)電機(jī)組熱效率

1.3 厭氧消化罐增溫保溫能量需求

中溫厭氧消化工藝是目前工程應(yīng)用最為廣泛的厭氧工藝，其反應(yīng)溫度通常為35oC，但很多地區(qū)的環(huán)境溫度難以達(dá)到該溫度，特別是冬季，因此需要對(duì)厭氧消化罐進(jìn)行增溫保溫。其能量需求(Q)主要包括：物料增溫所需熱量(Q1)、罐體散失熱量補(bǔ)償(Q2)、輸熱管道散失熱量補(bǔ)償(Q3)、沼氣排出和水蒸氣蒸發(fā)所帶走的熱量(Q4)，由于Q4數(shù)量很少，一般在工程上可不考慮[4, 14]。

由于各月份溫度差異大，因此增溫保溫所需熱量根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際溫度分月計(jì)算。該工程所在地區(qū)全年近12個(gè)月(2015年6月～2016年6月)的氣溫詳見(jiàn)表2，其中最高和最低平均氣溫為26.5℃和2℃，分別在8月和1月。

項(xiàng)目厭氧消化溫度為35℃，物料來(lái)料溫度為該工程所在地區(qū)月平均氣溫，因此需對(duì)物料進(jìn)行增溫，根據(jù)相關(guān)公式[4, 15]計(jì)算物料增溫所需熱量(Q1)，結(jié)果詳見(jiàn)圖3。由圖可知，在8月和1月，室外平均氣溫分別為26.5℃和2℃時(shí)，Q1達(dá)到最低和最高值，分別為36 GJ·d-1和138 GJ·d-1，全年物料增溫?zé)崃啃枨笃骄禐?82.4 GJ·d-1。

厭氧消化罐的保溫系統(tǒng)主要用于降低厭氧消化罐的熱量散發(fā)。厭氧消化罐的熱量散發(fā)取決于消化罐的結(jié)構(gòu)、材料、罐型、保溫結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目總共6座地上式焊接鋼結(jié)構(gòu)厭氧消化罐，每座厭氧消化罐的尺寸為直徑18.8 m，高度15 m，頂高3.76 m，有效容積4000 m3，罐頂、罐壁采用橡塑海綿為保溫材料，厚度分別為60 mm和120 mm，罐底以聚苯乙烯為保溫材料，厚度為120 mm。罐體散發(fā)的熱量主要包括罐頂、罐壁和罐底所散發(fā)的熱量，根據(jù)相關(guān)公式[4, 15]計(jì)算罐體散發(fā)熱量所需能量補(bǔ)償(Q2)，結(jié)果詳見(jiàn)圖3。由圖可知，在8月和1月，室外平均氣溫分別為26.5℃和2℃時(shí)，Q2達(dá)到最低和最高值，分別為5.4 GJ·d-1和20.6 GJ·d-1，全年厭氧消化罐保溫能量需求平均值為12.3 GJ·d-1。

表2 工程所在地區(qū)月平均氣溫表 (℃)

項(xiàng)目采用發(fā)電余熱進(jìn)行加熱，發(fā)電機(jī)余熱回收裝置熱水進(jìn)口溫度為90oC，出口溫度為70oC，平均溫度為80oC，管外溫度為氣溫，管道為DN50的鍍鋅鋼管輔以橡塑海綿為管道保溫，管道長(zhǎng)200 m，埋于地下0.5 m。根據(jù)相關(guān)公式[4, 15]計(jì)算輸熱管道散失熱量補(bǔ)償(Q3)，結(jié)果詳見(jiàn)圖3。由圖可知，在8月和1月，室外平均溫度分別為26.5℃和2℃時(shí)，Q2達(dá)到最低和最高值，分別為0.75 GJ·d-1和1.09 GJ·d-1，全年罐外管道熱量損失能量補(bǔ)償需求平均值為0.9 GJ·d-1。

綜上所述，筆者項(xiàng)目中厭氧消化罐增溫保溫能量需求(Q)在8月和1月，室外平均氣溫分別為26.5℃和2℃時(shí)，Q達(dá)到最低和最高值，分別為42.15 GJ·d-1和159.69 GJ·d-1，全年厭氧消化系統(tǒng)所需總熱量平均值為95.6 GJ·d-1。其中，物料增溫、罐體散熱和輸熱管道散熱分別占總能量需求的85.41%～86.45%，12.63%～12.9%，0.68%～1.78%。發(fā)電余熱完全能夠滿(mǎn)足全年厭氧消化罐增溫保溫能量需求(見(jiàn)圖3)。

1.4 有機(jī)肥烘干能量需求

如圖2所示，項(xiàng)目整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生沼渣78 t·d-1，含水率為70%，經(jīng)堆肥后，原料含水率降為35%，然后經(jīng)冷卻、圓盤(pán)造粒、回轉(zhuǎn)烘干、電子包裝等工藝流程制成成品有機(jī)肥出售[16-18]。回轉(zhuǎn)烘干機(jī)和熱風(fēng)爐的熱效率分別為50%和85%。沼渣生產(chǎn)有機(jī)肥過(guò)程中烘干所需熱量根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算[19]。各月份有機(jī)肥烘干所需總熱量詳見(jiàn)圖4。經(jīng)計(jì)算，在8月和1月，室外平均氣溫分別為26.5℃和2℃時(shí)，有機(jī)肥烘干所需熱量達(dá)到最低和最高值，因此最小、最大和平均值分別為48 GJ·d-1，53.7 GJ·d-1和50.6GJ·d-1。

綜上所述，江蘇某畜禽糞污沼氣發(fā)電項(xiàng)目全年厭氧消化罐增溫保溫以及有機(jī)肥烘干所需最大總熱量為213.39 GJ·d-1，其中前者占75%，后者占25%?？傂锜崃啃∮诎l(fā)電余熱所能回收的總熱量254.54 GJ·d-1，仍有41.15 GJ·d-1熱量結(jié)余。因此沼氣發(fā)電余熱回收總熱量足夠沼氣發(fā)電工程厭氧消化罐增溫保溫和有機(jī)肥烘干使用。

圖4 沼氣發(fā)電工程發(fā)電余熱利用能量供需平衡

2 沼氣發(fā)電工程加熱能量平衡的主要影響因素

2.1 進(jìn)水TS含量對(duì)沼氣發(fā)電工程加熱能量平衡的影響

進(jìn)水TS含量主要通過(guò)影響物料增溫所需熱量而影響沼氣工程的加熱能量平衡，而物料增溫所需熱量又是厭氧消化罐增溫保溫的主要需熱源。由圖3可知，筆者項(xiàng)目中，物料增溫所需熱量占厭氧消化罐的增溫保溫所需熱量的85.41%～86.45%。高濃度厭氧消化，進(jìn)料的TS含量一般在8%～10%，因此在物料增溫過(guò)程中有90%左右的能量用于增溫水分，而在產(chǎn)沼氣的過(guò)程中水分并不會(huì)產(chǎn)沼氣，從而提供能量供給，因此進(jìn)料的TS含量對(duì)沼氣發(fā)電工程能量平衡至關(guān)重要。如圖2所示，在無(wú)沼液回流，每天進(jìn)料TS總量為104 tTS·d-1，物料的TS產(chǎn)氣率為244 m3·t-1TSd-1，冬季最低氣溫為2oC的情況下，對(duì)該項(xiàng)目TS含量對(duì)沼氣發(fā)電工程能量平衡的影響進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖可知，當(dāng)原料TS含量達(dá)到6.17%時(shí)，沼氣發(fā)電余熱可滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫所需熱量，當(dāng)原料TS含量達(dá)到8.02%時(shí)，沼氣發(fā)電余熱可滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫和有機(jī)肥烘干所需熱量。

圖5 沼氣發(fā)電工程加熱所需熱量隨進(jìn)水TS含量的變化

圖6 沼氣發(fā)電工程加熱所需熱量隨發(fā)電余熱回收效率的變化

2.2 發(fā)電余熱回收效率對(duì)沼氣發(fā)電工程加熱能量平衡的影響

項(xiàng)目日產(chǎn)25000 m3沼氣，合537 GJ·d-1熱量， 全部用于發(fā)電和余熱回收，而最大總熱量需求和厭氧消化罐增溫保溫?zé)崃啃枨蠓謩e為213.39 GJ·d-1和159.69 GJ·d-1。據(jù)此，分析了發(fā)電余熱回收效率對(duì)沼氣發(fā)電工程能量平衡的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，當(dāng)余熱回收效率達(dá)到29.74%時(shí)，沼氣發(fā)電余熱僅夠厭氧消化罐增溫保溫所需熱量，當(dāng)余熱回收效率達(dá)到39.74%時(shí)，沼氣發(fā)電余熱才能滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫和有機(jī)肥烘干所需熱量?？梢?jiàn)，在同時(shí)回收缸套冷卻水和煙氣熱量的情況下，國(guó)內(nèi)外大部分發(fā)電機(jī)組的余熱回收效率均可滿(mǎn)足該項(xiàng)目的加熱需求。

2.3 沼氣達(dá)產(chǎn)比例對(duì)沼氣發(fā)電工程加熱能量平衡的影響

盡管沼氣工程在設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮多方面原因，但是事實(shí)上，大部分沼氣工程在運(yùn)行時(shí)均很難達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量。綜合分析，這主要是由于原料量不足、沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的發(fā)酵溫度、原料產(chǎn)氣率降低等原因造成。若進(jìn)水TS含量不發(fā)生改變，原料量減少不僅會(huì)導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量減少，而且會(huì)導(dǎo)致物料增溫?zé)崃啃枨蠛陀袡C(jī)肥烘干熱量需求的減少。但原料產(chǎn)氣率降低和發(fā)酵溫度不足僅會(huì)導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量減少，而整個(gè)工程的熱量需求不變。因此，文章分析了在原料量變化和不變的情況下，沼氣達(dá)產(chǎn)比例對(duì)沼氣發(fā)電工程能量平衡的影響，結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，在原料量不變的情況下，沼氣達(dá)產(chǎn)比例大于62.74%，則發(fā)電余熱可滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫使用，沼氣達(dá)產(chǎn)比例大于83.83%，則發(fā)電余熱可滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫和有機(jī)肥烘干使用。若沼氣產(chǎn)量達(dá)不到設(shè)計(jì)產(chǎn)量是由于原料量不足引起的，當(dāng)原料量大于設(shè)計(jì)原料量的18.63%時(shí)，則發(fā)電余熱可滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫的需求； 當(dāng)原料量大于設(shè)計(jì)原料量的34.6%，則發(fā)電余熱可滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫和有機(jī)肥烘干使用。

圖7 沼氣發(fā)電工程加熱所需熱量隨沼氣達(dá)產(chǎn)比例的變化

2.4 保溫系統(tǒng)性能對(duì)沼氣發(fā)電工程加熱能量平衡的影響

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于保溫材料性能、保溫層制作質(zhì)量等各種原因，往往導(dǎo)致保溫系統(tǒng)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目將厭氧消化罐的保溫系統(tǒng)視為一體，設(shè)計(jì)保溫系統(tǒng)視為最佳性能(100%)，將無(wú)保溫系統(tǒng)的情況視為最差性能(0%)，而厭氧消化罐罐頂、罐壁結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，罐底結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，罐外加熱管道采用鍍鋅鋼管，因此在最差性能情況下，系統(tǒng)各部分傳熱系數(shù)為構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算獲得，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，若整個(gè)工程保溫系統(tǒng)失效，相當(dāng)于厭氧消化罐和罐外加熱管道均無(wú)保溫，那么厭氧消化罐增溫保溫所需熱量為290 GJ·d-1，發(fā)電余熱全部用于厭氧消化罐增溫保溫，當(dāng)冬季室外溫度為2oC時(shí)，只能將厭氧消化溫度提升至31.8oC，由于溫度不足，沼氣產(chǎn)量難以達(dá)產(chǎn)，繼而發(fā)電余熱不足，形成惡性循環(huán)。當(dāng)項(xiàng)目保溫系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)的27.36%時(shí)，發(fā)電余熱可滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫?zé)崃抗┙o，當(dāng)保溫系統(tǒng)性能達(dá)到預(yù)設(shè)的68.48%時(shí)，發(fā)電余熱可滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫和有機(jī)肥烘干使用。由此可見(jiàn)，保溫系統(tǒng)對(duì)整個(gè)沼氣發(fā)電工程的加熱能量平衡至關(guān)重要，不容一絲馬虎。

圖8 沼氣發(fā)電工程加熱所需熱量隨保溫系統(tǒng)性能的變化

3 結(jié)論

文章以江蘇某畜禽糞污沼氣發(fā)電項(xiàng)目為例，對(duì)畜禽糞污沼氣發(fā)電工程的能量平衡進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

(1) 沼氣發(fā)電機(jī)組的發(fā)電熱效率和余熱回收效率是影響沼氣發(fā)電工程加熱能量平衡的關(guān)鍵因素之一。目前國(guó)外機(jī)組的發(fā)電熱效率通常在40%左右，往往比國(guó)產(chǎn)機(jī)組高7%左右，余熱回收熱效率包括了煙道氣的余熱回收，往往大于40%，總的能源利用率往往大于80%。項(xiàng)目選用的沼氣發(fā)電機(jī)組，余熱回收熱效率為47.4%，可回收熱能254.54 GJ·d-1。

(2) 項(xiàng)目沼氣發(fā)電余熱回收主要用于厭氧消化罐的增溫保溫和有機(jī)肥烘干。全年厭氧消化罐增溫保溫以及有機(jī)肥烘干所需最大總熱量為213.39 GJ·d-1，其中前者占75%、后者占25%，其小于發(fā)電余熱所能回收的總熱量254.54 GJ·d-1，仍有41.15 GJ·d-1熱量結(jié)余。因此發(fā)電余熱回收總熱量足夠滿(mǎn)足沼氣發(fā)電工程的需求。厭氧消化罐增溫保溫的熱量需求又以進(jìn)料的增溫為主，物料增溫、罐體散熱和輸熱管道散熱分別占總能量需求的85.41%～86.45%，12.63%～12.9%，0.68%～1.78%。

(3) 影響沼氣工程的加熱能量平衡的主要因素有：進(jìn)水TS含量、發(fā)電余熱回收效率、沼氣達(dá)產(chǎn)比例、保溫系統(tǒng)性能。在其它條件不變的情況，若要確保沼氣發(fā)電余熱足夠厭氧消化罐增溫保溫使用，則原料TS含量應(yīng)達(dá)到6.17%，余熱回收效率應(yīng)達(dá)到29.74%，在進(jìn)料量不變的情況下，沼氣達(dá)產(chǎn)比例應(yīng)大于設(shè)計(jì)沼氣產(chǎn)量的62.74%； 在進(jìn)料量變化的情況下，原料量應(yīng)大于設(shè)計(jì)原料量的18.63%，項(xiàng)目保溫系統(tǒng)性能應(yīng)達(dá)到預(yù)設(shè)的27.36%。若要確保沼氣發(fā)電余熱能夠滿(mǎn)足厭氧消化罐增溫保溫和有機(jī)肥烘干使用，則原料TS含量應(yīng)達(dá)到8.02%，余熱回收效率應(yīng)達(dá)到39.74%，在進(jìn)料量不變的情況下，沼氣達(dá)產(chǎn)比例應(yīng)大于設(shè)計(jì)沼氣產(chǎn)量的83.83%，在進(jìn)料量變化的情況下，原料量應(yīng)大于預(yù)設(shè)原料量的34.6%，保溫系統(tǒng)性能應(yīng)達(dá)到預(yù)設(shè)的68.48%。

項(xiàng)目能量平衡分析表明，沼氣發(fā)電余熱足夠整個(gè)發(fā)電工程加熱能量需求，其中物料增溫是整個(gè)項(xiàng)目需熱量最大的部分。良好的保溫系統(tǒng)性能、足夠的進(jìn)料TS含量、足夠的沼氣產(chǎn)量、足夠的原料以及良好的發(fā)電機(jī)組性能是保證該項(xiàng)目能量平衡的關(guān)鍵。

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Energy Balance Analysis of Power Generation Fueled by Biogas from Anaerobic Livestock Manure Fermentation /

WANG Lan, DENG Liang-wei, WANG Shuang, ZHANG Yun-hong, ZHENG Dan, SONG Li, LIU Yi, PU Xiao-dong, WANG Zhi-yong /

(Biogas Institute of Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China)

The heat balance and influence factors of biogas fueled power generation in livestock manure fermentation system were analyzed taking a project in Jiangsu province as an example. The results showed that the total heating energy requirement of this project was 213.39 GJ·d-1, including 25% of energy requirement for drying organic fertilizer, 75% for maintaining digester temperature (constitute of material heating 85.41%～86.45%, the heat loss of digester 12.63%～12.9%, and the heat loss of heat supply pipeline 0.68%～1.78%). So, the project could cover the energy requirement when its energy recovery efficiency was 47.4% with power generation of 254.54 GJ·d-1. And in order to ensure that the recovered energy was enough for maintaining digester temperature, the TS content of feeding material should be larger than 6.17%, the waste heat recovery efficiency should be larger than 29.74%, the actual biogas output should be larger than 62.74% of the designed output, the feeding quantity should be larger than 18.63% of the designed value, and the performance of system temperature maintaining should be larger than 27.36% of the designed.

biogas power generation project; livestock manure; waste heat recovery energy; energy balance

2016-08-30

項(xiàng)目來(lái)源： 國(guó)家自然科學(xué)基金(31500105)； 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金(CARS-36)

王 蘭(1987-)，女，漢族，四川人，研究實(shí)習(xí)員，主要從事廢水生物處理工作，E-mail:wanglandiy@sina.com

鄧良偉，E-mail: dengliangwei@caas.cn

S216.4； TK11； X713

B

1000-1166(2016)06-0065-07