生物燃氣熱電聯產系統能量優化*

劉澤慶，張瑞娜，劉帥，劉抒悅

（1.上海環境衛生工程設計院有限公司，上海200232；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300381）

生物燃氣熱電聯產系統能量優化*

劉澤慶1，張瑞娜1，劉帥2，劉抒悅1

（1.上海環境衛生工程設計院有限公司，上海200232；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300381）

以某雞糞厭氧工程熱電聯產為研究對象，對系統的熱電供給側和需求側進行熱力分析。研究發現有大量的缸套水沒有得到有效利用，同時出料沼液溫度為36℃，可以用來加熱厭氧進料，以實現熱量的梯級利用。通過系統方案優化，增加了8個厭氧罐用于制取天然氣，增加利用燃氣內燃機缸套水能量628 kW，有效地減少了無效散熱量。同時采用厭氧罐排出沼液加熱進料技術，減少加熱蒸汽使用量（525 kW），有效地提高了廠區熱經濟性。

雞糞厭氧；熱電聯產；缸套水；厭氧罐

生物燃氣燃燒后產生的CO2被植物通過光合作用再生成植物有機體，又轉變為生物燃氣發酵原料，因此生物燃氣是一種發展很快的清潔可再生能源［1］。生物燃氣熱電聯產系統采用生物燃氣作為燃料，驅動燃氣輪機或者燃氣內燃機產生電能，高溫煙氣通過余熱鍋爐產生蒸汽，具有安全、環保等特點，是一種很有發展潛力的分布式能源［2-3］。筆者以某雞糞厭氧工程為例，研究系統能量優化技術。通過對生物燃氣制備、燃氣發電、余熱鍋爐等系統供需平衡測算，研究生物燃氣發電系統高溫煙氣、缸套水、出料沼液等不同品相熱源的余熱回收利用技術，優化能級匹配。通過缸套水高效利用技術、厭氧罐排出沼液加熱進料技術，實現生物燃氣高值、高效利用，提升生物燃氣工程的綜合效益。

1 工藝簡介及系統熱力分析

本研究對象為某雞糞厭氧工程，以冬季工況為例。經調研：348 t/d雞糞、產氣3.34×104m3/d，采用3臺1 068 kW發電機組。雞糞（20%TS，COD約1.0×105mg/L，總氮5 000 mg/L）與沖洗污水（300 t/d）混合后先進水解沉砂池，然后進12個厭氧罐，固液分離后沼渣作為固態有機肥銷售，沼液進入沼液池、再作為液態有機肥銷售。沼氣通過生物脫硫塔、雙膜干式貯氣柜、沼氣火炬、沼氣增壓風機后，通過燃氣內燃機發電機組發電。發電后煙氣（522℃）經余熱鍋爐生產蒸汽（0.5MPa，145℃）用于水解池直接加熱，尾氣180℃。內燃機余熱產生的熱水（缸套水，85℃）用于厭氧罐保溫，換熱后水溫69℃。

沼氣發電系統包括3臺燃氣內燃機、3臺余熱鍋爐、12個厭氧罐、2個水解池。經過熱力計算［4-5］，系統能量流動如圖1所示。缸套水總輸出熱量為1 677kW，其中942kW用于厭氧罐內物料加熱及保溫，其余735kW沒有得到有效利用，通過散熱器進入到環境中。從供給側來講，燃氣內燃機的供熱效率為44.4%，電效率為36.6%。但是從需求側分析，有大量的缸套水沒有得到很好地利用，同時出料沼液溫度為36℃，可以用來加熱厭氧進料，以實現熱量的梯級利用。擬通過在厭氧罐的進出料之間增設換熱器，利用出料廢熱加熱進料，減少蒸汽使用量。

圖1 沼氣項目能流

2 生物燃氣發電系統能量優化研究

2.1 缸套水高效利用

由圖1可見，即便在冬季，發動機缸套水仍有大量盈余。現擬通過二期工程，增設厭氧罐，沼氣采用提純工藝制天然氣，厭氧罐采用一期工程的缸套水保溫，提升全廠的熱能利用效率。通過計算需增設的厭氧罐個數見表1，為保證在極寒天氣厭氧罐保溫，擬增加厭氧罐8個。

表1 增加厭氧罐數量計算

沼氣制天然氣工藝簡介：選定的工藝路線可以使沼氣提純至天然氣品質，并滿足并網的要求。工藝上利用了不同氣體在通過塑料膜時的不同速率。實質上，膜內氣體分離的動力來自于氣體進口端和滲透側的壓差。沼氣應首先進行脫硫、壓縮至所需的1.9 MPa工作壓力，然后冷卻裝置冷凝。冷卻后的氣體經過三級膜處理，甲烷被截留在膜的壓力側，而二氧化碳、水、氨氮、硫化氫等則比較容易地穿過膜，從而實現天然氣提純。

2.2 厭氧罐排出沼液加熱進料技術

2.2.1 換熱器類型比選

1）板式換熱器。板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換。它具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方便、應用廣泛、使用壽命長等特點。在相同壓力損失情況下，其傳熱系數比管式換熱器高3～5倍，占地面積為管式換熱器的1/3，熱回收率可高達90%以上。

2）列管式換熱器。由殼體、傳熱管束、管板、折流板和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內部裝有管束，管束兩端固定在管板上。進行換熱的冷熱2種流體，一種在管內流動，稱為管程流體；另一種在管外流動，稱為殼程流體。

3）螺旋板式換熱器。螺旋板式換熱器與一般列管式換熱器及板式換熱器相比不易堵塞，尤其是泥沙、小貝殼等懸浮顆粒雜質不易在螺旋通道內沉積，主要體現在：①因為它是單通道，雜質在通道內的沉積一形成周轉流就會提高至把它沖掉；②因為螺旋通道內沒有死角，雜質容易被沖出。

2.2.2 節能改造方案及熱力分析

一期工程和二期工程中，沖洗污水量、處理雞糞量、出料沼液量見表2。換熱器的一側為出料沼液，一側為沖洗污水。兩側的介質在流動傳熱的過程中易發生堵塞，宜選用螺旋板式換熱器。經過熱力計算選型，選用2臺螺旋板式換熱器，單臺換熱面積85.0 m3，配備2臺污水泵、2臺出料泵。單臺換熱器設計參數見表3。

表2 換熱器介質流量

表3 單臺換熱器設計參數

3 能量優化后系統熱力分析

冬季工況，全廠熱力系統經過能量優化后，見圖2，與優化前（圖1）相比較，增加了8個厭氧罐用于制取天然氣，增加利用燃氣內燃機缸套水628 kW，有效地減少了無效散熱量。一期和二期工程共20個厭氧罐，處理雞糞580 t/d，沖洗污水500 t/d，從2℃加熱至33℃需要蒸汽熱量1 627 kW。采用厭氧罐排出沼液加熱進料技術，可以減少加熱蒸汽使用量（262.5 kW×2），節省蒸汽可以供辦公室取暖等，有效地提高了廠區熱經濟性。

圖2 系統優化后能流

4 結論

1）冬季工況，全廠熱力系統經過能量優化后，增加了8個厭氧罐用于制取天然氣，增加利用燃氣內燃機缸套水628 kW，有效地減少了缸套水無效散熱量。

2）一期和二期工程共20個厭氧罐，處理雞糞580 t/d，沖洗污水500 t/d，從2℃加熱至33℃需要蒸汽熱量1627kW。采用厭氧罐排出沼液加熱進料技術，可以減少加熱蒸汽使用量（262.5 kW× 2），節省蒸汽可以供辦公室取暖等，有效地提高了廠區熱經濟性。

［1］BalatM.Globalbio-fuelprocessingandproductiontrends［J］.Energy Explor Exploit，2007，25：195-218.

［2］張勝杰.基于燃氣內燃機的微型熱電聯產系統的性能研究［D］.重慶：重慶大學，2013.

［3］樊峰鳴，杜金宇.中小型沼氣熱電冷聯產應用的探討［J］.陽光能源，2010（1）:39-42.

［4］馬飛，劉宇.沼氣發電站厭氧罐的熱平衡與調節［J］.電力與能源，2013，33（6）：584-586.

［5］劉澤慶，王星，張瑞娜，等.生物燃氣熱電聯產系統能量利用效率分析［J］.環境衛生工程，2017，25（1）:36-38，42.

Energy Optimization of Biogas Cogeneration System

Liu Zeqing1，Zhang Ruina1，Liu Shuai2，Liu Shuyue1
（1.Shanghai Environmental Sanitation Engineering Design Institute Co.Ltd.，Shanghai200232；2.China Municipal Engineering North China Design Research Institute Co.Ltd.，Tianjin300381）

In terms of the chicken manure anaerobic project with heat and power production，the supply side and the demand side were analyzed.The resultsshowed that jacket water wasapplied for insulation of anaerobic tank during actual operation，which is not utilized efficiently.Meanwhile，the discharged biogas slurry with a temperature of 36℃can be used to heat anaerobic feed，in order to achieve cascaded utilization of energy.Through system optimization，8 anaerobic tanks for natural gas production were added，increasing the use of jacket water energy by 628 kW，effectively reducing invalid heat releasing.At the same time，the discharged biogasslurry heating feed technology wasused to reduce the use of heated steam（525 kW），effectively improving the thermal economy.

chicken manure；heat and power production；jacket water；anaerobic tank

X706；TK6

B

1005-8206（2017）04-0077-03

劉澤慶（1988—），工程師，研究方向為固體廢物處理及資源化。

E-mail:liuzeq@huanke.com.cn。

國家科技支撐計劃項目（2014BAD24B01）

2017-03-26