楊博然， 陳志光， 秦朝葵

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院燃?xì)夤こ萄芯克?，上?01804)

1 概述

目前中國沼氣產(chǎn)業(yè)處于高峰發(fā)展期，隨著沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，沼氣熱工制度有許多地方需要完善。尤其是進(jìn)料加熱造成的熱損占比很高[1-4]，且配套的加熱措施供熱量不足甚至沒有加熱措施，導(dǎo)致發(fā)酵溫度下降，產(chǎn)氣率低，同時，多數(shù)沼氣工程未對出料余熱加以回收，造成能源浪費(fèi)。為保證沼氣的高效生產(chǎn)，大量國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)酵罐的加熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，裴曉梅等人[5]為解決地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)需要打地埋井及敷設(shè)地埋管受地質(zhì)水質(zhì)局限等問題，構(gòu)建了太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠保證發(fā)酵池溫度(50±2)℃，沼液余熱回收量可達(dá)系統(tǒng)總需熱量的70%；張帥兵等人[6]針對天津市某養(yǎng)殖場沼氣工程設(shè)計了1套沼氣發(fā)酵罐排料余熱回收裝置，在冬季節(jié)能率仍能達(dá)到30%以上，有效減少了排料的熱量損失；花鏡等人[7]研究了高溫發(fā)酵的容積產(chǎn)氣率和余熱回收對沼氣工程凈產(chǎn)氣率的影響，在沼氣工程中增加余熱回收，可將沼氣凈產(chǎn)氣率從82%提高至90%；王曉超[8]、遲銘書[9]、苑建偉[10]、王飛[11]分別針對太陽能熱管加熱系統(tǒng)、太陽能—沼氣鍋爐聯(lián)合加熱系統(tǒng)以及農(nóng)村生態(tài)校園沼氣系統(tǒng)雙效增溫技術(shù)等進(jìn)行了研究；Rainier等人[12]根據(jù)氣候條件(環(huán)境溫度、太陽輻射、降雨強(qiáng)度等)，建立了用于預(yù)測半埋式厭氧消化器中的溫度變化的瞬態(tài)熱模型；Yiannopoulos等人[13]采用太陽能加熱系統(tǒng)對城市污水的沼氣發(fā)酵進(jìn)行加熱，研究結(jié)果表明即使在緯度高于50°的區(qū)域，使用太陽能亦可保證一年中大部分時間的操作溫度。

以上的研究主要針對瞬態(tài)條件下利用外界輸入能源加熱沼氣罐圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面，而對出料余熱回收提高進(jìn)料溫度及其全年運(yùn)行工況分析的研究卻很少。通過利用出料余熱回收技術(shù)維持沼氣溫度，既能提高能源利用率，又能增加沼氣產(chǎn)氣率，促進(jìn)沼氣產(chǎn)業(yè)化。因此合理設(shè)計余熱回收系統(tǒng)并使之能夠連續(xù)穩(wěn)定工作，對于維持沼液池溫度穩(wěn)定具有十分重要的意義。為此，以哈爾濱等地區(qū)為例對沼氣工程中溫發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計一套余熱回收裝置，并利用Dymola軟件建立熱泵模型進(jìn)行性能分析。利用該模型模擬熱泵系統(tǒng)回收余熱的動態(tài)過程并計算可回收的余熱量。最后確定污水源熱泵能夠提供的熱量與是否需要輔助熱源以及何時開啟輔助熱源，同時對污水源熱泵在全年的工作狀況進(jìn)行系統(tǒng)評價。

2 余熱回收裝置設(shè)計

① 大中型沼氣系統(tǒng)耗熱分析

本文以一個沼氣罐容積為1 000 m3的沼氣工程為研究對象，工藝流程見圖1。用于發(fā)酵的原材料首先進(jìn)入預(yù)處理間(部分沼氣工程的預(yù)處理工藝在室外進(jìn)行)進(jìn)行預(yù)處理。原材料應(yīng)與水相混合形成進(jìn)料，進(jìn)料中的含水量(體積分?jǐn)?shù))通?？蛇_(dá)到90%以上。從預(yù)處理間出來的進(jìn)料直接送入沼氣罐中進(jìn)行發(fā)酵，沼氣罐中設(shè)有加熱盤管，用于保證中溫發(fā)酵或高溫發(fā)酵，同時設(shè)有攪拌器，攪拌沼液以使罐內(nèi)溫度均勻。加熱盤管中的熱水由供熱鍋爐、熱泵、發(fā)電余熱或其他形式通過熱水交換器提供，為沼氣罐提供熱量。沼氣經(jīng)脫硫脫水(脫水裝置未畫出)后用于發(fā)電或其他用途，出料進(jìn)入固液分離器，分離出沼渣和沼液，沼渣可制作固體化肥，沼液可制作液體化肥。

圖1 沼氣工程工藝流程

② 設(shè)計參數(shù)

由于沼氣罐90%以上的耗熱為進(jìn)料耗熱[14]，在進(jìn)料的同時會溢出等量的出料。因而，對出料余熱進(jìn)行回收不僅有較大的工程實(shí)踐意義，同時減少了加熱所帶來的能耗及環(huán)境污染。余熱回收方案有裝設(shè)發(fā)電機(jī)、交叉換熱等，回收裝置有換熱器、余熱鍋爐、熱管及熱泵。大中型沼氣工程中，中溫發(fā)酵的沼氣罐出料溫度為35 ℃，屬于低溫余熱，可采用換熱器或熱泵回收。

余熱回收系統(tǒng)的流程見圖2。系統(tǒng)中采用污水源熱泵機(jī)組間接換熱方式，先由水在沼液池中取熱，再通過熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器提取水中熱量。冷凝器側(cè)蓄熱水箱中的熱水分別用于加熱進(jìn)料和沼氣罐。污水源熱泵選用蒸氣壓縮式熱泵。余熱回收系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)見表1。

圖2 余熱回收系統(tǒng)的流程

沼氣罐容積/m31 000沼液池直徑/m2.2沼液池的容積/m38熱泵COP5沼液池?fù)Q熱盤管水質(zhì)量流量/(kg·s-1)3.1沼液池?fù)Q熱盤管水流速/(m·s-1)1沼液池?fù)Q熱盤管內(nèi)直徑/mm60蒸發(fā)器側(cè)吸熱量/kW65蒸發(fā)器類型板式蒸發(fā)器傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)1 300蒸發(fā)器平均換熱溫差/℃5蒸發(fā)器換熱面積/m210蒸發(fā)器板片數(shù)量/片100冷凝器類型板式冷凝器水流速/(m·s-1)0.8冷凝器傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)900冷凝器換熱面積/m218冷凝器板片數(shù)量/片180壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速/(r· min-1)2 900熱泵工質(zhì)質(zhì)量流量/(kg·s-1)0.36

續(xù)表1

③ 模擬初始條件

本文選用Dymola軟件對余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行模擬。整個系統(tǒng)模型由沼液池、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥、壓縮機(jī)組成。該系統(tǒng)的特殊之處在于在沼液池中增加了一個換熱盤管，從沼液中吸收熱量再向蒸發(fā)器放熱，這樣可避免了沼液對蒸發(fā)器的腐蝕，延長了蒸發(fā)器使用壽命。

在Dymola軟件中通過建立上述模型，拖動調(diào)用各部件并將各部件按順序依次連接構(gòu)成整個熱泵系統(tǒng)，余熱回收系統(tǒng)模型軟件截圖見圖3。同時，將各部件的設(shè)計參數(shù)輸入各部件。進(jìn)行模擬，即可得到余熱回收過程中各參數(shù)隨時間的變化。部件的設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 部件的設(shè)計參數(shù)

3 余熱回收系統(tǒng)性能分析

① 沼氣工程總耗熱量計算方法

沼氣工程中針對沼氣罐的總耗熱計算主要分為罐體散熱的計算以及進(jìn)料加熱量的計算。對于進(jìn)料加熱量的計算，可做如下假設(shè)。

a.沼氣罐進(jìn)料主要為水，計算時其物性參數(shù)取水的熱物性參數(shù)。

b.沼氣罐內(nèi)壁面溫度取料液溫度，對中溫發(fā)酵取35 ℃。

c.忽略發(fā)酵料液產(chǎn)熱，同時認(rèn)為沼氣罐內(nèi)溫度分布因機(jī)械攪拌而比較均勻。

d.管道散熱損失忽略不計。

e.每天在0:00，4:00，8:00，12:00，16:00，20:00分6批等量進(jìn)料。

實(shí)際工程中對進(jìn)料采取一定保溫措施，使進(jìn)料溫度在凝固點(diǎn)以上，故進(jìn)料時刻的進(jìn)入進(jìn)料池的溫度取max(ta-2 ℃,0 ℃)，ta為環(huán)境溫度，以最大限度接近沼氣工程的實(shí)際情況。

罐體散熱量根據(jù)傳熱學(xué)公式，分別計算罐壁和罐頂?shù)膶α鲹Q熱量與罐底與土壤的導(dǎo)熱量。沼氣罐罐體材料參數(shù)見表3，具體計算式見文獻(xiàn)[15]。

表3 沼氣罐罐體材料參數(shù)

② 污水源熱泵系統(tǒng)工作性能

在本研究中假設(shè)每4 h換料一次，每次出料7.5 t，因此沼液在沼液池中停留4 h后全部排出，每批出料余熱回收的時間為4 h。沼液池和進(jìn)料池均為埋地式，計算時忽略與環(huán)境的熱交換。哈爾濱地區(qū)，典型周期內(nèi)，4 h中熱泵系統(tǒng)各參數(shù)的變化見圖4～9。

圖4 熱泵制熱量及壓縮機(jī)功率

圖5 沼液池中沼液溫度

圖6 蒸發(fā)器側(cè)水的進(jìn)出口溫度

圖7 冷凝器側(cè)水的進(jìn)出口溫度

圖8 熱泵系統(tǒng)COP

圖9 熱泵系統(tǒng)過熱度

由圖4可以看出，利用設(shè)計的熱泵系統(tǒng)，在4 h內(nèi)，熱泵制熱量由70 kW逐漸降到47 kW，這是由于沼液池中沼液溫度不斷降低，蒸發(fā)器側(cè)吸熱量也隨之降低的緣故。同時也表明污水源熱泵系統(tǒng)提供的熱量占據(jù)所需熱量的大部分。壓縮機(jī)功率從23 kW降到17 kW，平均20 kW。

由圖5可以看出，沼液池中沼液溫度在4 h內(nèi)由35 ℃逐漸降低到17.7 ℃，隨時間積分計算，可知4 h內(nèi)從每批出料中回收的熱量為545.0 MJ，每日回收3 270 MJ。

由圖6、7可以看出，蒸發(fā)器側(cè)水的進(jìn)出口溫差未能達(dá)到設(shè)計值，導(dǎo)致熱泵制熱量未能達(dá)到設(shè)計值。因此，冷凝器側(cè)出口水溫在開始能達(dá)到45 ℃，之后逐漸下降到43.4 ℃。

由圖8、9可以看出，污水源熱泵系統(tǒng)的COP為2.7～3.0，過熱度在3 K左右，說明熱泵系統(tǒng)工作穩(wěn)定，COP較高，可以連續(xù)不斷地正常工作，保證余熱回收過程的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

該污水源熱泵系統(tǒng)模型還可用于確定輔助熱源的開啟時間。以哈爾濱4月27日為例，該日各時刻總耗熱量與熱泵制熱量對比見圖10。可以看出，在0:30—7:00，熱泵制熱量小于總耗熱量，需開啟輔助熱源。

圖10 哈爾濱4月27日總耗熱量與熱泵制熱量對比

為觀察該熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)的適應(yīng)性，將哈爾濱、大連和濟(jì)南的各月平均總耗熱量繪制在一起，見圖11。

依據(jù)逐時氣象參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)罐體參數(shù)，用MATLAB軟件編寫程序，即可算出罐體總耗熱量及進(jìn)料總耗熱量，對比圖4、圖11中的哈爾濱地區(qū)總耗熱量可以看出，在6—8月，熱泵系統(tǒng)始終能滿足沼氣罐所需熱量，且有部分剩余，此時可選擇壓縮機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行或者仍保持全負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)壓縮機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行時，沼氣罐內(nèi)溫度將高于35 ℃，此時沼氣產(chǎn)量會略有升高。在4月、5月、9月、10月，污水源熱泵不能時刻滿足所需熱量，此時需要配備輔助熱源，并在一定的時間內(nèi)開啟。在1月、2月、3月、11月、12月，輔助熱源需一直開啟。

根據(jù)以上分析可以看出，本文設(shè)計的污水源熱泵用于哈爾濱時，在6—8月可完全滿足供熱需求，在4月、5月、9月、10月，輔助熱源需選擇性開啟，其開啟時間可通過對比當(dāng)天各時刻的總耗熱量與熱泵制熱量確定。在1月、2月、3月、11月、12月，輔助熱源需一直開啟。

圖11 哈爾濱、大連、濟(jì)南各月平均總耗熱量

將該污水源熱泵應(yīng)用于大連時，由圖11可以看出，在5—9月份，該系統(tǒng)始終能滿足沼氣罐所需熱量，且有部分剩余，將使沼液溫度略有升高，提高沼氣產(chǎn)量。在4月、10月、11月，該系統(tǒng)不能時刻滿足所需熱量，需在一定時刻開啟輔助熱源，其開啟時間可通過對比當(dāng)天各時刻的總耗熱量與熱泵制熱量確定。在1月、2月、3月、12月，輔助熱源需一直開啟。

將該污水源熱泵應(yīng)用于濟(jì)南時，在5—10月份，該系統(tǒng)始終能滿足所需熱量，且有部分剩余。尤其在6—8月，制熱量約為所需熱量的2倍，此時可使壓縮機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行。在2—4月及11月時，該系統(tǒng)不能時刻滿足所需熱量，需在一定時刻開啟輔助熱源，其開啟時間如前所述。在1月、12月，輔助熱源需一直開啟。

③ 污水源熱泵系統(tǒng)余熱回收評價

為對污水源熱泵全年的工作情況進(jìn)行系統(tǒng)評價，針對哈爾濱地區(qū)，探究污水源熱泵制熱量及占總耗熱量的比例，并計算全年制熱量大于總耗熱量的時間。

不同月份熱泵制熱量占總耗熱量平均比例見表4。其中壓縮機(jī)功率為20 kW時，污水源熱泵采用原設(shè)計參數(shù)。壓縮機(jī)功率為33 kW時，蒸發(fā)器及冷凝器換熱面積、壓縮機(jī)氣缸容積、膨脹閥最大流通面積是原設(shè)計參數(shù)2倍。不同月份不同壓縮機(jī)功率的熱泵制熱量大于總耗熱量的時長及時長占比見表5。

表4 不同月份熱泵制熱量占總耗熱量平均比例

表5 不同月份不同壓縮機(jī)功率的熱泵制熱量大于總耗熱量的時長及時長占比

從表4可以看出，采用壓縮機(jī)功率為20 kW的熱泵，5—9月，熱泵制熱量遠(yuǎn)多于總耗熱量，沼液溫度會有所升高，沼氣產(chǎn)量略有升高。10月至轉(zhuǎn)年4月，熱泵制熱量占總耗熱量的75%左右，1月份熱泵制熱量占總耗熱量的72%，說明即使在最冷的月份，熱泵制熱量也能提供大部分熱量。全年壓縮機(jī)功率分別為20 kW、33 kW時，熱泵制熱量占總耗熱量比例分別為105%、150%。

由表5可以看出，壓縮機(jī)功率為20 kW時，全年的制熱量大于總耗熱量的時長占比僅為40%，這是由于冬季進(jìn)料耗熱較大，熱泵制熱量一直不能滿足所需熱量，此時應(yīng)使用輔助熱源補(bǔ)充供熱。由表5還可以看出，采用功率為33 kW的壓縮機(jī)，每月的制熱量總量均大于總耗熱量，而全年中制熱量大于總耗熱量的時長占比卻只有73.7%。11月至轉(zhuǎn)年3月，熱泵制熱量大于總耗熱量的時長占比在50%左右，而對比每月的制熱量與總耗熱量，發(fā)現(xiàn)二者大致相平。

為進(jìn)一步確認(rèn)此時的工作狀態(tài)，繪制了壓縮機(jī)功率為33 kW時，1月1日總耗熱量與制熱量的對比，見圖12。哈爾濱冬季環(huán)境溫度低于0 ℃，進(jìn)料溫度取0 ℃，因此進(jìn)料加熱量基本相同，而進(jìn)料加熱量占總耗熱量的大部分，罐體散熱變化不大，因此圖中總耗熱量保持平穩(wěn)，而熱泵制熱量每4 h重復(fù)一次。從圖中可以看出，熱泵制熱量與總耗熱量的總量基本一致，因此沼液溫度將在35 ℃上下波動。因此，當(dāng)熱泵部件參數(shù)為原設(shè)計值2倍，壓縮機(jī)功率為33 kW時，可基本滿足中溫發(fā)酵。

圖12 壓縮機(jī)功率為33 kW時，1月1日總耗熱量與熱泵制熱量的對比

④ 小結(jié)

當(dāng)污水源熱泵采用前文的設(shè)計參數(shù)時，壓縮機(jī)功率為20 kW，熱泵在最冷的1月能保證所需熱量的72%，然而此時小時不保證率較高，需設(shè)置輔助熱源。當(dāng)污水源熱泵部件參數(shù)采用原設(shè)計值兩倍時，壓縮機(jī)功率為33 kW，雖然在1月小時保證率僅為50%，但熱泵制熱量與總耗熱量總量基本一致，沼液將在35 ℃上下波動，可基本滿足中溫發(fā)酵。但此時熱泵在夏季的供熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所需熱量，且COP相比20 kW時有所降低。

實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析對熱泵進(jìn)行選型。大中型沼氣工程中溫發(fā)酵容積產(chǎn)氣率按1.3 m3/(m3·d)計算，則1 000 m3的中溫厭氧發(fā)酵罐年產(chǎn)氣量為474 500 m3，年產(chǎn)能9 684 545 MJ(按體積分?jǐn)?shù)甲烷60%，二氧化碳40%，15 ℃計算溫度)。熱泵制熱量為33 kW時，耗能與產(chǎn)能之比僅為10.7%。沼氣價格為0.9 元/m3時，電費(fèi)占沼氣收益的31%。

在實(shí)際工程中，由于供熱量與總耗熱量的不均勻性，沼液溫度會發(fā)生波動，進(jìn)而總耗熱量與熱泵制熱量也會發(fā)生變化，總耗熱量與制熱量的變化又會進(jìn)一步導(dǎo)致沼液溫度的變化；沼液溫度、總耗熱量、制熱量耦合影響，使得實(shí)際結(jié)果會與該計算結(jié)果有所偏差。

4 結(jié)論

① 根據(jù)對大中型沼氣工程中溫發(fā)酵系統(tǒng)的研究，依照哈爾濱等地區(qū)氣象條件計算總耗熱量，在此基礎(chǔ)上為減少沼氣罐出料的熱量損失，設(shè)計了一套污水源熱泵余熱回收系統(tǒng)。應(yīng)用Dymola軟件對該系統(tǒng)模型的余熱回收效率進(jìn)行模擬分析，評價了污水源熱泵全年的工作狀況。

② 對哈爾濱地區(qū)，在周期為4 h的進(jìn)出料循環(huán)中，污水源熱泵系統(tǒng)的COP為2.7～3.0，過熱度在3 K左右，熱泵系統(tǒng)工作穩(wěn)定，制熱性能系數(shù)較高。對哈爾濱地區(qū)，11月至轉(zhuǎn)年3月，輔助熱源需一直開啟； 6—8月，壓縮機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行； 4、5、9、10月，根據(jù)總耗熱量與熱泵制熱量，確定輔助熱源開啟時間。

③ 在哈爾濱地區(qū)，采用壓縮機(jī)功率為20 kW的熱泵系統(tǒng)，最冷的1月能夠補(bǔ)償72%的總耗熱量，但小時不保證率較高，需設(shè)置輔助熱源；采用壓縮機(jī)功率為33 kW的熱泵系統(tǒng)，制熱量與總耗熱量大體持平，可基本滿足中溫發(fā)酵，但該熱泵在6—8月提供的熱量超過所需熱量的兩倍，且COP相比壓縮機(jī)功率為20 kW時有所降低。