大中型沼气工程余热回收系统及模拟分析

作者：杨博然，陈志光，秦朝葵

第一作者单位：同济大学机械与能源工程学院燃气工程研究所

摘自《煤气与热力》2019年8月刊

1   概述

目前中国沼气产业处于高峰发展期，随着沼气产业的发展，沼气热工制度有许多地方需要完善。尤其是进料加热造成的热损占比很高^［1-4］，且配套的加热措施供热量不足甚至没有加热措施，导致发酵温度下降，产气率低，同时，多数沼气工程未对出料余热加以回收，造成能源浪费。为保证沼气的高效生产，大量国内外学者对发酵罐的加热系统进行了研究，裴晓梅等人^［5］为解决地源热泵式沼气池加温系统需要打地埋井及敷设地埋管受地质水质局限等问题，构建了太阳能—沼液余热式热泵高温厌氧发酵加温系统，系统能够保证发酵池温度（50±2）℃，沼液余热回收量可达系统总需热量的70％；张帅兵等人^［6］针对天津市某养殖场沼气工程设计了1套沼气发酵罐排料余热回收装置，在冬季节能率仍能达到30%以上，有效减少了排料的热量损失；花镜等人^［7］研究了高温发酵的容积产气率和余热回收对沼气工程净产气率的影响，在沼气工程中增加余热回收，可将沼气净产气率从82%提高至90%；王晓超^［8］、迟铭书^［9］、苑建伟^［10］、王飞^［11］分别针对太阳能热管加热系统、太阳能—沼气锅炉联合加热系统以及农村生态校园沼气系统双效增温技术等进行了研究；Rainier等人^［12］根据气候条件（环境温度、太阳辐射、降雨强度等），建立了用于预测半埋式厌氧消化器中的温度变化的瞬态热模型；Yiannopoulos等人^［13］采用太阳能加热系统对城市污水的沼气发酵进行加热，研究结果表明即使在纬度高于50°的区域，使用太阳能亦可保证一年中大部分时间的操作温度。

本文以一个沼气罐容积为1000 m³的沼气工程为研究对象，工艺流程见图1。用于发酵的原材料首先进入预处理间（部分沼气工程的预处理工艺在室外进行）进行预处理。原材料应与水相混合形成进料，进料中的含水量（体积分数）通常可达到90%以上。从预处理间出来的进料直接送入沼气罐中进行发酵，沼气罐中设有加热盘管，用于保证中温发酵或高温发酵，同时设有搅拌器，搅拌沼液以使罐内温度均匀。加热盘管中的热水由供热锅炉、热泵、发电余热或其他形式通过热水交换器提供，为沼气罐提供热量。沼气经脱硫脱水（脱水装置未画出）后用于发电或其他用途，出料进入固液分离器，分离出沼渣和沼液，沼渣可制作固体化肥，沼液可制作液体化肥。