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紅泥膜沼氣池沼氣工程是處理規模化畜禽養殖糞污有效方  。近年來,隨著國家對畜禽養殖糞污排放的要求越來越嚴格,國內規模化紅泥膜沼氣池沼氣工程日益增多2。溫度是影響紅泥膜沼氣池沼氣工程糞污處理效率以及厭氧消化產氣的關鍵因素之一-4。一般而言,規模化紅泥膜沼氣池沼氣工

程采用中溫發酵,其適宜的溫度范圍是35℃  40℃5。在國內大部分地區,全年溫度變化很大,要使紅泥膜沼氣池沼氣工程常年穩定高效運行,有必要采用適當的增溫保溫方法對紅泥膜沼氣池沼氣工程的厭氧消化溫度進行嚴格控制,使紅泥膜沼氣池沼氣工程的發酵溫度保持在中溫發酵的

溫度范圍內6  紅泥膜沼氣池沼氣工程傳統的加熱方式為熱水循環加熱法,  所采用的熱源主要包括電熱膜、太陽能集熱器化石  能源熱水鍋爐、紅泥膜沼氣池沼氣鍋爐、紅泥膜沼氣池沼氣發電余熱等”。近  年來,生物質固體成型燃料的制備技術日趨成熟,成  本逐漸下降。生物質顆粒燃料能量密度與中質  煙煤相當;燃燒時CO2零排放,NO3和SO2等的排  放量遠小于煤;燃燒特性明顯得到改善,提高了利用  效率,連續自動運行條件下,燃燒效率通常能達到  86%以上m。基于以上優點,生物質顆粒燃料熱水  鍋爐逐漸在紅泥膜沼氣池沼氣工程供熱中占有了一席之地  這幾種加熱方式中,紅泥膜沼氣池沼氣鍋爐加熱消耗紅泥膜沼氣池沼氣,不  利于紅泥膜沼氣池沼氣的高值化利用“。紅泥膜沼氣池沼氣發電余熱需要為  紅泥膜沼氣池沼氣工程配備發電機組,并且在當前的技術條件下國產紅泥膜沼氣池沼氣發電機組能量利用效率較低,而進口紅泥膜沼氣池沼氣發電機組則投資較高,不適宜中小規模紅泥膜沼氣池沼氣工程使用。太陽能是一種清潔能源,常年運行費用較低,但它在陰天或者晚上無法工作具有不連續性為了實現連續供熱,需要擴大集熱面積和熱量存儲裝置,導致了供熱系統初投資增加4。生物質顆燃料熱水鍋爐初始投資較低,但常年需要生物質顆粒燃料,運行費用較高4。

生物質能太陽能互補供熱系統紅泥膜沼氣池沼氣工程供熱  是近年來興起的一種供熱方式“。該系統通過將  生物質顆粒燃燒器和太陽能集熱器聯合組成一個供  熱系統,充分利用生物質能與太陽能的優勢,為厭氧  消化罐提供穩定的熱源,同時盡量降低運行成本與  初始投資。太陽能集熱器面積的增加,可以減少  生物質顆粒燃燒器的運行時間,降低運行成本。但  是增加太陽能集熱器面積的同時,也增加了初投  資。實現經濟效益的最大化,需要對系統中各部  分設計參數進行優化16-1。

本文擬建立紅泥膜沼氣池沼氣工程的生物質能太陽能互補  供熱系統的經濟分析模型并結合實例利用線性規  劃方法對供熱系統進行優化,為生物質能太陽能互補供熱系統的設計提供參考。

1研究實例與熱量需求

1.1研究實例

以河北省保定市年出欄4500頭的奶牛場為例,年產生糞便2.95萬噸,設計CSTR發酵罐1座,容積5000m3,直徑為30m,高度為8m,設計停留時間為27天。發酵罐內采用罐內盤管加熱的方式。1.2熱平衡計算

厭氧消化需要保持一定的溫度厭氧微生物才能

夠保持活性,這就要求厭氧消化罐獲得的熱量必須  大于損失的熱量,才能保證整個系統的溫度恒  定。一般而言,厭氧消化罐每日損失的熱量主要  是每天新增投料所需熱量以及厭氧消化罐每日散  熱。厭氧消化過程中的生物化學發熱量較小,可忽略不計。  厭氧消化罐投料損失的熱量計算公式(1)為2:  Q,=cm(To-Tp)  式中:c為料液的比熱容(新鮮料液質量分數約  為8%,取水的比熱),4.2kJkg℃-;m為紅泥膜沼氣池沼氣池  的新鮮料液流量,660×103kg·d-;T。為紅泥膜沼氣池沼氣發酵  罐內料液的溫度,35℃;T,為新鮮料液的溫度,℃  厭氧消化罐散熱損失的熱量計算公式(2)

Q2=(S1a1+S2a2+S3a3)(Ta-T)(2)  式中:S,S2,S3為發酵罐頂面積、側壁面積與底  面積,分別為706m2,754m2與706m2;a1,a2,a  為發酵罐頂、側壁與底部的傳熱系數,分別為2.63  W·m2℃-,0.32W.m2℃-與0.48W·m-2℃  T。為紅泥膜沼氣池沼氣發酵罐內料液的溫度,35℃;T為環境溫

紅泥膜沼氣池沼氣工程總需熱量Qx為物料升溫與發酵罐散  熱損失兩部分之和19

Qn.Q+Q2  紅泥膜沼氣池沼氣工程熱量平衡計算結果如表1所示。全年  中,華北地區紅泥膜沼氣池沼氣工程的散熱量相差較大,隨外界環  境溫度的升高而升高。其中1月份環境溫度最低  散熱量最大,為330.02kW;7月份的環境溫度最  高,散熱量最低,為139.18kW

2生物質能-太陽能互補供熱系統

2.1系統設計  本研究中所使用的生物質能太陽能互補供熱  系統如圖1所示。該系統中,太陽能集熱器、生物質  顆粒燃燒器及厭氧消化罐通過蓄熱水箱相連接,并  在控制單元的控制協調下自動運行。  生物質顆粒燃燒器全功率間歇運行,當蓄熱水  箱上部溫度T大于設定溫度時燃燒器停止運行,小  于設定溫度則開始運行。太陽能集熱器出水口溫度  T與蓄熱水箱底部溫度T2溫差超過7℃時,太陽能  集熱器循環水泵開始循環;當溫差小于3℃時停止  循環。供熱設備將熱量儲存在蓄熱水箱中,并通過換熱裝置將熱量傳遞至供熱終端。

2.2系統優化

在生物質能太陽能互補供熱系統中,太陽能集熱器面積的增加可以減少生物質顆粒的使用,降低運行成本,但是會增加系統的初投資。而減少太陽能集熱器面積,則降低系統的初始投資,但生物質顆粒燃燒量增大,運行成本提高。因此該系統在初投資和運行成本之間存在矛盾4。本文通過建立系統的經濟優化模型,對系統中主要裝置的參數進行優化設計

2.2.1目標函數

系統優化的目標是降低供熱系統每年的費用,  即將年運行成本和初投資平均到使用年限的每一年

相加為目標函數Fm,目標函數取最小值時的  參數為最優設計參數。Fm如下:

F  ines+ Operation

式中:Fm為系統的初投資,元、下m為  的運行成本,元;n為系統的使用年限,15a  其中,系統的初投資包括生物質顆粒燃燒動及  配套鍋爐、太陽能集熱器、蓄熱水箱、循環水  其他管道儀表等,其計算式如下

Finest=f burner 1000+S. xN+Vonk XN,+Leur Sy

式中:Pbm為生物質顆粒燃燒器的功率,  N為生物質顆粒燃燒器的價格,150元kW

為太陽能集熱器的面積,m;N為太陽能集熱考價格,100元m2:N為蓄熱水箱的價格要元·m-3;為水泵等附件的投資,500元

系統的運行成本包括燃燒生物質顆粒燃料的費用,系統的水泵、風機等的用電費用、人工費、系的  維護費用等。其中生物質顆粒燃料費用每月差朦  大,需按月計算,其他費用按年計算。計算姐式6)

m=∑:21F1+Fm+Fam+F  式中:F為燃燒動力費,元;Fm為人  000元;Fm為系統的維護費用,500元。月  質顆粒燃料的費用F,當F1<0時取0,計算城

式中:Q為i月份的紅泥膜沼氣池沼氣工程所需熱量,k;E為i月份傾斜表面月平均日太陽輻射量,kJ·m-2  d2;m為太陽能集熱器的集熱效率,0.5:m為生物  質顆粒燃燒器的燃燒效率,0.9;73為鍋爐熱效率效  率,0.8;s為生物質鍋爐用盤管換熱器的換熱效  率,0.9;7為采暖用盤管換熱器的換熱效率,0.9;n  為i月份的天數,d;qm為生物質顆粒燃料的熱值,  kJ·kg-;N。為生物質顆粒燃料的價格,0.5

2.2.2約束條件

生物質顆粒燃燒器的功率應大于太陽能集熱器  不運行條件下厭氧消化罐的最大耗熱功率,即  Pbm×n3×7s×n6≥Qm  (9  式中:Qm為厭氧消化罐的最大耗熱功率,kW。  生物質顆粒燃燒器間歇運行,生物質鍋爐間歇  運行時間內與太陽能熱水器共同為厭氧消化罐提供  熱量,還應當使蓄熱水箱蓄熱,蓄熱水箱內水溫不應超過蓄熱水箱的溫度上限,其約束如下:

C.×pn×Vak△T

E×Somn×m1Qnn  ≥t2(Pbm×7,×n6+3600×t  )×3600

式中p為水的密度,1000gm3;Va為蓄熱水箱容積,m3;C。為水的比熱容,4200kJkg1℃-;△T為蓄熱溫差,15℃;t2為生物質顆  粒燃燒器設計的最短運行時間,0.5h;E為年平均  日太陽總輻照量,MJ·m-2d-;t,為平均日照時間,

生物質鍋爐間歇運行中一個周期的停止運行時  間不能過短,如果停止運行的時間過短則不符合燃  燒器的工作特性。在一個周期中停止運行的時間是  由蓄熱水箱的容積,太陽能集熱器的面積來決定的31,其約束如下:  C×pn×Vank×△r  ≥t1  (11)

m×3600  該系統以生物質顆粒燃燒器為主要熱源,限制

2.2.4優化方法

使用軟件Excl(2010)建立數學模型,通過改  變Pm,S與Vm,以目標函數為目標,約束條件為約束,使用規劃求解工具進行求解計算。

3結果分析

通過計算得知,當生物質能太陽能互補供熱系  統中生物質顆粒燃燒器的功率為509.3kW,太陽能集熱器(由清華陽光生產)面積為1775.6m2,蓄熱水箱(由清華陽光生產)容積取10.48m3時,目標函  數取得最小值。此時,初投資為1871695.59元,年運行成本為169735.77元。一年4月~9月中,氣溫較高,厭氧消化罐散熱較少,耗熱量較低。相比其余幾個月份,日照強度較大,日照時間較長。因此,在4~9月由太陽能加熱器所提供的熱量即可保證  厭氧消化罐所需熱量。這幾個月份內生物質顆粒鍋  爐基本不需要運行,只需做應急加熱使用。

3.1初投資分析

在生物質能-太陽能互補供熱系統的初投資中,太陽能集熱器的投資占的比例最大,為94.9%;生  物質顆粒燃燒器的投資占的比例是4.08%;蓄水箱與水泵等附件投資所占的比例分別為0.25%和0  80%。隨著生物質顆粒燃燒器生產技術的不斷成熟  以及生產規模的擴大,其成本會較大幅度地降低,從  而能加速生物質能太陽能互補供熱系統的推廣3.2運行成本分析  生物質能太陽能互補供熱系統運行成本主要  包括生物質顆粒燃料費用、燃料動力費、系統維護  費、人工費。在運行成本中,生物質顆粒燃料費用占

75.26%,人工費占14.14%,燃料動力費占7.07%

系統維護費占3.53%  3.3加熱方式對比分析  學當前紅泥膜沼氣池沼氣工程中常用的加熱方式主要包括:沼  氣熱水鍋爐生物質鍋爐、太陽能等方式。本研究條

厭氧消化罐需熱量6973119.96MJ·a  目紅泥膜沼氣池沼氣熱水鍋爐為單一熱源,則年需要消耗紅泥膜沼氣池沼氣20.68%。以08元,Nm紅泥膜沼氣池沼氣計,則年運行成本高  達316960元。若單獨使用生物質鍋爐為熱源,則年  需消耗生物質顆粒燃料633t·a1,運行成本為  316500元。這兩種加熱方式下年運行成本均高于  生物質能太陽能互補供熱系統。若使用太陽能系  統為熱源,則需要太陽能熱水器面積為31476  m2,初投資額為314.47萬元,遠高于生物質能太陽  能互補供熱系統優化后的結果,不適合中小規模紅泥膜沼氣池沼氣工程

結論

對紅泥膜沼氣池沼氣工程的生物質能太陽能互補供熱系統中的  設計參數進行了優化。結果表明對于華北地區  5000m3的厭氧消化罐可設計成燃料鍋爐功率為  09.3kW,太陽能集熱器面積為1775.6m2,蓄熱水  箱容積為10.48m3,此時系統的經濟性最優,初投  資為1871696元,年運行成本為169736元,折合年費用為294515元。  (2)在生物質能太陽能互補供熱系統中,太陽  能集熱器的投資比例最大,占到了總投資的  94.9%;生物質顆粒燃燒器占4.08%;運行成本中  生物質顆粒燃燒為用占75.26%,人工費占4.14%,燃料動力費占7.07%,系統維護費占3.53%。  (3)與紅泥膜沼氣池沼氣熱水鍋爐、生物質鍋爐相比,生物質  能太陽能互補供熱系統充分利用太陽能運行成本  低的優勢,減少了運行成本;與太陽能系統相比,生物質能太陽能互補供熱系統彌補了太陽能不穩定與初始投資高的缺點。因此,生物質能太陽能互補供熱系統適合于中小規模的紅泥膜沼氣池沼氣工程,具有廣泛的推廣價值。

摘自《中國沼氣》第4期 趙凱 馮晶 孟海波 李冰峰 羅娟 于佳動 黃開明

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