張少鵬， 韓瑞萍， 陳晶晶， 吳佳軍， 周 俊， 王昌松

(1.南京工業(yè)大學 材料化學工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210009； 2.南京工業(yè)大學 生物與制藥工程學院，江蘇 南京 211816； 3.南京工業(yè)大學 生物能源研究所，江蘇 南京 211816)

秸稈沼氣發(fā)酵工程反應罐內(nèi)傳熱分析

張少鵬1， 韓瑞萍1， 陳晶晶1， 吳佳軍1， 周 俊2,3， 王昌松1

(1.南京工業(yè)大學 材料化學工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210009； 2.南京工業(yè)大學 生物與制藥工程學院，江蘇 南京 211816； 3.南京工業(yè)大學 生物能源研究所，江蘇 南京 211816)

文章針對國內(nèi)外廣泛關注的秸稈沼氣工程，基于熱力學原理，結(jié)合實驗和理論，對秸稈發(fā)酵系統(tǒng)中罐內(nèi)溫度分布進行了分析。結(jié)果表明，由于秸稈的加入，會導致體系內(nèi)部溫度不均勻性加重，8 wt%秸稈體系的總傳熱系數(shù)相比于純水體系降低了17%，其原因主要在與秸稈自身特性與換熱溫差；另外冷物料的直接進料會加劇罐內(nèi)溫度波動，進口物料的預熱處理和攪拌是解決秸稈發(fā)酵過程傳熱速率與效率低的主要方法。

沼氣工程； 熱力學； 秸稈； 傳熱速率與效率

我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生約7億噸農(nóng)作物秸稈，許多秸稈的不當處理，造成荒燒、河道阻塞和水體污染等較大的環(huán)境危害[1]。為了提高秸稈資源利用率，解決秸稈荒廢造成的環(huán)境問題，各類秸稈綜合利用技術(shù)都得到了快速發(fā)展[2]。其中以秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣的處理手段能耗最低，生態(tài)與經(jīng)濟效益最佳，是中國沼氣發(fā)展的主要方向之一[3-4]。

溫度是沼氣工程穩(wěn)定運行，保持高效產(chǎn)氣量的關鍵因素之一[5]。如在中溫( 35℃)條件下，玉米秸稈日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量、總干物質(zhì)(TS)和揮發(fā)性有機物(VS)消化率均優(yōu)于常溫(環(huán)境溫度)條件[6]。而且厭氧發(fā)酵反應時，操作溫度以穩(wěn)定為宜，波動范圍一般一天不宜超過±2℃，中溫或高溫厭氧發(fā)酵允許溫度變化范圍為(±1.5℃～2℃)[7]。但現(xiàn)有的秸稈發(fā)酵沼氣工程研究主要集中在原料預處理[8-10]、反應器結(jié)構(gòu)[11-13].、接種[14-15]、發(fā)酵過程相分離[16]和發(fā)酵條件控制[17]等方面，同時現(xiàn)有沼氣工程通常采用罐內(nèi)加熱的方式，存在結(jié)垢、傳熱速率慢等缺點[18-21]，但是由于成本低，運行簡單等因素，目前國內(nèi)沼氣工程增溫方式主要以內(nèi)部盤管加熱為主[22]。因此針對秸稈這一復雜發(fā)酵體系，罐內(nèi)傳熱能力更加得到抑制，但現(xiàn)有研究缺乏針對秸稈體系的沼氣工程傳熱分析。

筆者通過對南京工業(yè)大學浦口校區(qū)300 m3秸稈沼氣工程溫度的測量，結(jié)合實驗和熱力學理論，對比純水和秸稈體系，對發(fā)酵罐內(nèi)傳熱及影響因素進行分析；并探討了秸稈沼氣工程高效傳熱的解決方法。

1 實驗與理論分析

1.1 實際沼氣工程溫度測試

南京工業(yè)大學300 m3秸稈沼氣示范工程，進行了一系列相關溫度測試，如下圖1所示。

圖1 300 m3示范工程發(fā)酵工藝圖

1.2 實驗設計

實驗所用的原料主要分別為水和麥秸稈，其中麥秸稈預先粉碎到2 cm長度以下，秸稈體系固含量為8wt%。

如圖2所示在140 L發(fā)酵罐中布置溫度測點。本實驗的測溫點采取了2×8的分布方式，即在液體高度400 mm的140 L反應罐中，在縱向方位上從底部開始每隔50 mm由下至上布點，在同一層方向上分別是中心處，二分之一處由內(nèi)至外布點，總共為16個點。通過常州安柏精密儀器有限公司生產(chǎn)的AT4516多路溫度測試儀進行溫度控制，并通過電腦實時采集數(shù)據(jù)。

發(fā)酵罐內(nèi)加熱采用銅管作為內(nèi)盤管，方式為底部100 mm盤管加熱。通過500 L的上海路達實驗儀器有限公司生產(chǎn)的HWC-50恒溫循環(huán)水槽以

圖2 140 L發(fā)酵罐罐內(nèi)溫度點布置圖

60℃的水加熱；采用較大的恒溫水槽，因而水槽中溫度變化很小可忽略。

實驗中采用單因素的實驗方法，采用現(xiàn)實沼氣工程罐內(nèi)盤管底部加熱方式，分別研究了純水體系和秸稈發(fā)酵體系的溫度場分布規(guī)律。

1.3 換熱器傳熱基本公式

換熱器穩(wěn)態(tài)傳熱的基本方程：

Q=mCPΔt=KAΔTm

(1)

(2)

式中:m是流體質(zhì)量流量， kg·s-1;Cp為流體比熱容， J·kg-1K-1；Δt是冷流體進出口溫差，℃；ΔT是熱流體進出口溫差，℃；K是總傳熱系數(shù)， W·m-2℃-1；A為總換熱面積， m2;ΔTm是傳熱對數(shù)平均溫差，℃[23]。

有效能效率(ηE)公式：

(3)

式中：Qc和Qh分別代表流體吸熱與放熱量， kJ·h-1；T0為環(huán)境溫度，℃；T1，T2，t1，t2分別表示熱流體和冷流體的進出口溫度，℃；下標c和h分別代表冷熱流體[24]。

2 結(jié)果與討論

2.1 實際工程的數(shù)據(jù)

南京工業(yè)大學300 m3秸稈沼氣示范工程以秸稈為發(fā)酵原料，采用中高溫罐內(nèi)底部盤管加熱，罐體外保溫，通過一個半月對該發(fā)酵過程冷物料進料對發(fā)酵溫度的影響觀察，如圖3所示。

圖3 300 m3示范工程冷料進料對發(fā)酵罐溫度影響

從對上圖3示范工程直接冷物料進料對高溫發(fā)酵罐內(nèi)上下層溫度的影響分析可以看出，冷物料的直接進料導致罐內(nèi)進出料前后溫度波動>±1℃。溫度的波動擾亂了罐內(nèi)發(fā)酵菌群穩(wěn)定環(huán)境，影響沼氣工程的產(chǎn)氣量[25-26]。

2.2 不同體系下罐內(nèi)加熱傳熱影響

2.2.1 不同體系不同加熱位置對罐內(nèi)傳熱的影響

實驗中分別對純水體系和接近實際發(fā)酵環(huán)境的8 wt%含量的秸稈體系進行實驗，測定了兩種體系加熱溫度分布情況，實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 水體系下底部加熱不同層溫度場分布

圖5 秸稈體系下底部加熱不同層溫度場分布

圖4和圖5為對純水體系和8wt%秸稈體系進行底部加熱，罐內(nèi)不同層面溫度場分布圖?？梢钥闯?，在加溫過程中，發(fā)酵罐內(nèi)溫度均穩(wěn)定上升同時盤管上部由于是對流傳熱，而下部是傳導傳熱，因此在盤管上部的溫度明顯高于下部。但純水體系，盤管上部不同層面的溫度變化是一致的；而當秸稈加入時，被加熱料液每一層的溫度分布呈現(xiàn)不均勻性。這說明秸稈的加入影響了流體的對流，導致溫度分布不均勻。在實際的秸稈沼氣中，由于秸稈引起的溫度不均將進一步影響菌群生長和發(fā)酵效率。

2.2.2 加熱過程中傳熱速率和傳熱推動力—傳熱溫差

對實驗中不同加熱體系罐內(nèi)盤管底部加熱層(100 mm)溫度分布及溫升速率、盤管進出口溫差隨時間的變化按照公式(2)進行了分析，具體分析結(jié)果見下圖6和圖7。

圖6 純水與秸稈體系溫升速率v隨時間t變化

圖7 純水與秸稈體系傳熱溫差△T隨時間變化

從圖6可以看出，隨著加熱時間的延長，兩體系溫度升高。 在純水體系中隨著加熱時間延長罐內(nèi)溫度的升高并最終穩(wěn)定在50℃，系統(tǒng)熱量達到平衡，而秸稈體系還未達到平衡狀態(tài)。同時，兩體系的溫升速率隨時間顯著下降。但在180 min之前水的溫升速率大于秸稈的，而在180 min之后秸稈的升溫速率高于水的。

從圖7可以看出，秸稈體系傳熱溫差一直大于純水體系，但是隨著時間的變化，純水和秸稈的傳熱溫差差異逐漸變大，在180 min差異最大，也就是說180 min以后傳熱溫差引起的傳熱推動力起主導因素。

因此結(jié)合兩圖可以看出，在加熱起始階段，由于秸稈的加入，成為影響傳熱速率的主要因素；隨著加熱的進行，由于水的傳熱速率大，導致水體系的傳熱溫差迅速減小，此時固含量對傳熱速率的影響小于換熱溫差的影響，導致秸稈體系的傳熱速率高于水體系的。也就是說，在秸稈體系升溫過程中，秸稈含量和換熱溫差是影響升溫的主要因素。

2.2.3 總傳熱系數(shù)K

圖8是根據(jù)公式(1)按照熱力學第一定律對純水體系和TS為8 wt%的秸稈體系加熱過程的傳熱系數(shù)K的分析，從圖中可以看出相比純水體系，在相同的加熱條件下，由于秸稈的加入其溫度上升速率變緩，總傳熱系數(shù)K減小，當溫度達到穩(wěn)定時，總傳熱系數(shù)降低了約17%，穩(wěn)定在300 W·m-2K-1附近。

圖8 水體系和秸稈體系下加熱過程傳熱系數(shù)K的變化

2.3 討論

上述的實驗結(jié)果和熱力學分析表明，秸稈加入使得體系溫度不均勻，總傳熱系數(shù)下降；且秸稈含量和溫差是影響升溫的主要因素。而攪拌和進料預熱是改善和提高傳熱效率的有效手段[27-28]。

2.3.1 物料預熱處理對傳熱推動力的影響

先前的工作[28]基于熱力學第一、二定律對物料預熱處理的對傳熱能效進行了分析，得出物料預處理可極大地提高有效能的利用，降低罐內(nèi)加熱的不可逆性，減少能量的損耗。而對物料預熱處理對傳熱速率的影響缺乏，因此下面對秸稈體系物料預熱處理對傳熱的影響進行了分析。

以南京工業(yè)大學江浦校區(qū)300 m3秸稈沼氣示范工程為例。工程運行數(shù)據(jù)如下：環(huán)境溫度T0=15 ℃，物料進口溫度t1=19 ℃，出口溫度t2=37 ℃，物料流量為Vc=8.5 m3·h-1，盤管進水口溫度T1=60 ℃，出口溫度T2=40 ℃，熱水流量為Vh=8 m3·h-1。根據(jù)公式(1)可以得出，該示范工程罐內(nèi)盤管加熱熱效率ηa可達97%，熱損失QL為21401 kJ·h-1。

對于秸稈體系,在相同的工況下，在盤管加熱傳熱效率ηa不變(即傳熱效果相同)時,根據(jù)公式(2)和公式(3)分析了改變物料的進口溫度對罐內(nèi)加熱傳熱速率和效率的影響，如下表1所示。

表1 冷物料進口溫度(t1)對系統(tǒng)傳熱速率和效率影響

從表1可以看出，當提高冷物料的進口溫度時，罐內(nèi)盤管換熱不可逆性降低，有效能損失減少，有效能傳遞效率提高了約15%；而傳熱溫差減小了約7%，也就是說傳熱速率減小了，但是相較傳熱效率的提升，物料預熱處理可以顯著提高能量的利用率，最大化利用有限能量。

另一方面，物料預熱處理對維持發(fā)酵罐內(nèi)溫度的穩(wěn)定起到很好的作用[29]。通過對不同環(huán)境下冷物料進料對罐內(nèi)發(fā)酵溫度的影響理論分析，如下表2所示，可以看出隨著環(huán)境溫度的下降，冷物料無預熱直接進料導致罐內(nèi)溫度波動普遍大于±1℃，高溫發(fā)酵更明顯，僅有在高溫季節(jié)如夏季中溫發(fā)酵波動小。

表2 不同環(huán)境溫度下進料對罐內(nèi)發(fā)酵溫度波動影響(℃)

因此，物料預熱處理一方面可以提高有限能量的有效利用，另一方面可以保證罐內(nèi)發(fā)酵菌群穩(wěn)定的生存環(huán)境，從而保證沼氣工程的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)量。

2.3.2 攪拌對傳熱的影響

在發(fā)酵工程中，攪拌作為一種提高產(chǎn)氣產(chǎn)量和速率的方法被廣泛應用[30]。攪拌的介入加速了罐內(nèi)料液的流動，一方面可以強化傳熱速率，消除罐內(nèi)溫度不均，另一方面對高固含量的發(fā)酵體系物質(zhì)均勻性有著顯著增強，可促進生化反應的正常進行和沼氣的逸出，而且之前的文章分析認為[28]，低速的攪拌更有效和節(jié)能。

機械攪拌雖然在節(jié)能等方面有著優(yōu)勢，但目前機械攪拌還沒有在大容量厭氧反應罐內(nèi)應用，最主要的因素是由于機械攪拌的局部剪切力大[31]，對發(fā)酵微生物的生長發(fā)酵微生物不利，同時隨著發(fā)酵罐的放大，機械攪拌的攪拌作用削弱，特別是針對秸稈這類更易在發(fā)酵罐上層結(jié)殼的發(fā)酵原料，產(chǎn)氣速率和效率下降明顯[32]。而近幾年，由于秸稈問題的不斷嚴重化，秸稈發(fā)酵被放在日程上，但秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣速率低、產(chǎn)氣量不足的問題制約著秸稈發(fā)酵處理；其中在發(fā)酵過程結(jié)殼問題是一個影響產(chǎn)氣速率和產(chǎn)量的關鍵因素，因此，氣液水力聯(lián)合攪拌成為一種新的攪拌方式被各國所研究推廣[33]。

綜上所述，攪拌和原料進口預熱處理是解決秸稈發(fā)酵過程“固含量”和“換熱溫差”博弈的有效方法，可以極大提高秸稈發(fā)酵體系傳熱速率和減弱罐內(nèi)料液的溫度波動，從而提高沼氣的產(chǎn)量。雖然氣液水力攪拌可以很好起到物料攪拌均勻的作用，但是過程也存在能耗高等問題，因此關于秸稈體系的攪拌，如何更有效和節(jié)能，還需要進一步研究。

3 結(jié)論

筆者通過實驗與理論相結(jié)合，對沼氣工程秸稈體系的傳熱進行分析，得出如下結(jié)論：

(1)在秸稈體系加熱過程中，由于秸稈的影響，會導致系統(tǒng)中溫度不均勻；初期對傳熱速率的影響為秸稈(固含量)，后期為換熱溫差減少引起的傳熱速率下降； 8 wt%秸稈體系的總傳熱系數(shù)相比于純水體系的傳熱系數(shù)降低了17%。

(2)冷料對沼氣工程溫度波動影響很大，尤其是冬天或者高溫發(fā)酵的情況，溫度的波動會大于±1℃；進口物料的預熱處理和攪拌是解決秸稈發(fā)酵過程傳熱速率與效率低的主要方法。

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The Heat Transfer Analysis for Straw Biogas Fermentation System /

ZHANG Shao-peng1, HAN Rui-ping1, CHEN Jing-jing1, WU Jia-jun1， ZHOU Jun2,3， WANG Chang-song1/

(1.State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China; 2.School of Biotechnology and Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China; 3.Bioenergy Research Institute, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

As a widely concerned straw biogas plant, this paper analyzed the temperature distribution and heat transfer rate/efficiency in the reactor based on thermodynamics and experiments. It was found that the temperature inhomogeneity was aggravated inside the reactor due to the adding of straw. Comparing with the water system, the 8 %(wt)straw system reduced the total heat transfer coefficient (K) by 17%. The key reasons were because of straws’ itself characteristics and the heat transfer temperature difference(Δtm). In addition, cold feedings will increase temperature fluctuations within the tank.Preheating the feedings or stirring may solve the problem of low heat transfer rate and low efficiency for straw fermentation.

biogas plant; thermodynamics; straw; heat transfer rate and efficiency

2016-04-28

2016-06-07

項目來源： 國家重點基礎研究發(fā)展計劃 (2013CB733500-3/4)； 江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程。

張少鵬(1987-)，男，漢族，碩士研究生,主要從事生物質(zhì)發(fā)酵工程熱利用研究等工作，E-mail:Shaopeng2016@126.com 通信作者： 王昌松，E-mail:wcs@njtech.edu.cn

S216.4; X712

B

1000-1166(2017)03-0050-06