發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合增溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、    發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合增溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用    陶三奇+謝虎+王鵬軍摘要：車庫(kù)式干發(fā)酵沼氣系統(tǒng)在冬季運(yùn)行過(guò)程中，由于溫度低而影響厭氧菌的活力，造成系統(tǒng)產(chǎn)氣量大幅下降。為保障其冬季穩(wěn)定產(chǎn)氣，試驗(yàn)以長(zhǎng)江中下游地區(qū)為例設(shè)計(jì)出一套發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合增溫系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)增溫?zé)嶝?fù)荷、發(fā)電機(jī)組余熱回收率、太陽(yáng)能熱效率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算得出，系統(tǒng)的中溫發(fā)酵最大負(fù)荷為1月，負(fù)荷量為23 630.4 mj；510月只需要太陽(yáng)能供熱就可基本實(shí)現(xiàn)中溫發(fā)酵環(huán)境；1112月、14月系統(tǒng)需要發(fā)電余熱補(bǔ)充增溫。經(jīng)工程試驗(yàn)表明，100 t物料在冬季由13.3 增溫到35.0 ，

2、至少須提供熱量17 680.6 mj，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)10 d可實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)物料中溫發(fā)酵，并能夠維持中溫發(fā)酵水平。關(guān)鍵詞：發(fā)電余熱；太陽(yáng)能；設(shè)計(jì)；耦合；增溫系統(tǒng)；熱效率： s210.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼： a：1002-1302（2016）05-0380-03近年來(lái)，隨著農(nóng)村能源開發(fā)利用政策的不斷深入，沼氣的開發(fā)利用也越來(lái)越受到重視。但是，冬季環(huán)境溫度低，使得冬季沼氣的產(chǎn)量減少，嚴(yán)重影響沼氣的生產(chǎn)。因此，沼氣生產(chǎn)必須在厭氧發(fā)酵過(guò)程中采取增溫措施進(jìn)行熱量補(bǔ)充1。目前，主要增溫方式有生物質(zhì)鍋爐增溫、太陽(yáng)能增溫、電加熱鍋爐增溫、地源熱泵增溫等2-3，單一增溫方式的存在受天氣影響大、成本較高、自動(dòng)化程度低、受地理位置限制

3、等缺點(diǎn)4，而采用組合加熱方式可解決這一缺點(diǎn)5。沼氣發(fā)電余熱加熱實(shí)現(xiàn)了廢棄資源的再利用，節(jié)能環(huán)保，且費(fèi)用僅分別為燃?xì)忮仩t加熱、太陽(yáng)能加熱方式的60%和12%6。太陽(yáng)能為綠色能源，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)資源豐富，利用太陽(yáng)能可減少污染的排放和能源消耗，是未來(lái)發(fā)展的重要方向7。本系統(tǒng)采用沼氣發(fā)電余熱和太陽(yáng)能，設(shè)計(jì)出一套發(fā)電余熱與太陽(yáng)能為熱源、采用電加熱為輔助的沼氣車庫(kù)耦合增溫系統(tǒng)，利用定溫控制，通過(guò)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)完成熱能的采集和傳輸，熱水通過(guò)換熱管對(duì)料液進(jìn)行增溫。為預(yù)防太陽(yáng)能增溫的不穩(wěn)定性和發(fā)電機(jī)偶然性故障，系統(tǒng)在蓄熱水箱內(nèi)設(shè)計(jì)電加熱系統(tǒng)作為增溫系統(tǒng)的外輔助增溫，以提高增溫系統(tǒng)整體穩(wěn)定性8。1耦合增溫系統(tǒng)組

4、成及工作原理增溫系統(tǒng)由發(fā)電余熱-太陽(yáng)能耦合供熱環(huán)路組成（圖1），其中，發(fā)電余熱熱源與太陽(yáng)能增溫相互補(bǔ)充，最大利用太陽(yáng)能熱源，實(shí)現(xiàn)增溫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。發(fā)電余熱-太陽(yáng)能耦合系統(tǒng)作為增溫系統(tǒng)中主要熱量來(lái)源，通過(guò)發(fā)電余熱與太陽(yáng)能集熱器耦合的方法為發(fā)酵庫(kù)提供穩(wěn)定的熱量；發(fā)電機(jī)組內(nèi)循環(huán)冷卻水通過(guò)缸套水熱交換器預(yù)熱，外循環(huán)冷卻水通過(guò)廢氣熱交換器預(yù)熱后進(jìn)入蓄熱水箱，實(shí)現(xiàn)熱量交換9。陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)能集熱器收集熱量，通過(guò)換熱器與蓄熱水箱進(jìn)行熱量互換，通過(guò)換熱管實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵物料的增溫；太陽(yáng)能不充分時(shí)，系統(tǒng)主要利用發(fā)電余熱增溫。系統(tǒng)根據(jù)溫度傳感器所測(cè)值，通過(guò)控制閥門和循環(huán)泵來(lái)控制集熱水箱、蓄熱水箱和發(fā)酵庫(kù)內(nèi)熱量交換，發(fā)

5、酵庫(kù)內(nèi)換熱方式采用盤管輻射散熱。增溫系統(tǒng)蓄熱水箱內(nèi)設(shè)有電加熱系統(tǒng)，作為增溫系統(tǒng)穩(wěn)定性的補(bǔ)充，當(dāng)發(fā)酵庫(kù)內(nèi)物料產(chǎn)氣率不高、發(fā)電余熱增溫不能滿足需求、太陽(yáng)能集熱器水溫在40 以下時(shí)，電加熱系統(tǒng)啟動(dòng)。電加熱設(shè)為手/自動(dòng)聯(lián)合控制方式，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電加熱系統(tǒng)關(guān)閉；發(fā)電機(jī)停止運(yùn)行，開啟電加熱手動(dòng)開關(guān)；當(dāng)發(fā)酵庫(kù)需要增溫，太陽(yáng)能集熱器溫度又低于40 時(shí)，電加熱開關(guān)自動(dòng)閉合，電加熱系統(tǒng)運(yùn)行增溫?？刂葡到y(tǒng)采用s7-200 可編程邏輯控制器（plc）與力控組態(tài)軟件結(jié)合，及時(shí)監(jiān)控和采集發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)。2系統(tǒng)增溫負(fù)荷量的計(jì)算2.1發(fā)酵池增溫負(fù)荷發(fā)酵池增溫負(fù)荷是指在某一室外溫度下，為達(dá)到要求的發(fā)酵池內(nèi)溫度，加熱系統(tǒng)在一

6、定時(shí)間內(nèi)須向發(fā)酵池供給的熱量。干式發(fā)酵在發(fā)酵前3 d進(jìn)行有氧堆肥，自身內(nèi)部將產(chǎn)生微生物熱，因此，干式發(fā)酵庫(kù)加溫負(fù)荷主要有進(jìn)料吸收熱量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱、沼液加熱量和內(nèi)部微生物熱組成10，計(jì)算公式為：q=q1+q2+q3-q4。式中：q為發(fā)酵庫(kù)需要補(bǔ)充的能量，q1為進(jìn)料吸收熱量，q2為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失，q3為每日沼液噴淋后，沼液需加熱的熱量，q4為內(nèi)部微生物自產(chǎn)熱，單位均為mj（下同）。由于內(nèi)部微生物自產(chǎn)熱影響較小，所以不作考慮，從而計(jì)算公式為：q=q1+q2+q3。2.1.1進(jìn)料吸熱量進(jìn)料吸熱量是指一定時(shí)間內(nèi)使物料溫度由進(jìn)料溫度升到適宜發(fā)酵溫度所要補(bǔ)充的熱量，計(jì)算公式為：q1=m1cp（t-t1）

7、。式中：m1為進(jìn)料質(zhì)量，kg/月；cp為進(jìn)料熱容量，kj/（kg·k）；t為設(shè)計(jì)溫度，；t1為進(jìn)料溫度，5。表1為根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)料溫度數(shù)據(jù)計(jì)算出的進(jìn)料吸熱量q1的數(shù)據(jù)2.1.2維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱及沼液增溫?zé)崃勘景l(fā)酵車庫(kù)頂部?jī)?chǔ)氣采用帶有彈性的紅泥塑料，溫室大棚雙層保溫，四壁采用100 mm聚氨酯保溫板，發(fā)酵庫(kù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱的計(jì)算公式為：q2=kft 。式中：q2為維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量；k為傳熱系數(shù)，w（m2·k）；f為換熱面積，m2；t為室內(nèi)外溫差，11。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每天需要噴淋1次沼液，每次噴淋2 t，所以沼液達(dá)到中溫所需要的熱量q3見表2。2.2太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)熱負(fù)荷太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)通過(guò)集熱管實(shí)

8、現(xiàn)太陽(yáng)能熱量的采集和傳輸，由溫度傳感器定溫控制，使集熱器內(nèi)熱水通過(guò)溫差循環(huán)泵與蓄熱水箱進(jìn)行換熱。增溫系統(tǒng)中太陽(yáng)能增溫系統(tǒng)可以提供的熱量計(jì)算公式為：q太=ac×jt××（1-l）/f。式中：ac為太陽(yáng)能集熱板面積，本系統(tǒng)采用真空管集熱器，試驗(yàn)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱器面積為50 m2；jt為傾斜輻射量，mj；為集熱器日平均集熱效率，集熱器設(shè)置方向?yàn)檎希瑑A角取45°12，日平均集熱效率取55%；l為管路及熱水箱損失效率，系統(tǒng)取0.213；f為太陽(yáng)能保證率14。由表3可知，系統(tǒng)在14月、1112月需要發(fā)電機(jī)補(bǔ)充的熱量，每月日均補(bǔ)充熱量分別是474.3、422.6、23

9、3.6、130.4、153.0、408.6 mj，其他月份可利用太陽(yáng)能加熱實(shí)現(xiàn)沼氣工程中溫厭氧發(fā)酵。 2.3沼氣發(fā)電余熱回收系統(tǒng)熱負(fù)荷機(jī)組廢氣、煙氣的熱量可通過(guò)熱交換系統(tǒng)進(jìn)行熱量回收，對(duì)發(fā)電余熱的回收利用既可以實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)電應(yīng)用，又可以減少能源的浪費(fèi)。發(fā)酵庫(kù)總?cè)莘e為160 m3，原料體積占發(fā)酵池體積的70%，其中原料中固體占30%，液體占70%。設(shè)計(jì)發(fā)酵溫度取35 ，干物質(zhì)產(chǎn)氣率為0.3 m3/kg15，設(shè)計(jì)日理論產(chǎn)氣量最少為100 m3，全部用于沼氣發(fā)電，沼氣中甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為60%，其余為二氧化碳和水等物質(zhì)，按60%ch4含量計(jì)算，1 m3沼氣燃燒放熱23.85 mj，沼氣燃燒可產(chǎn)生熱量q

10、熱=2 385 mj；沼氣發(fā)電與煙氣回收產(chǎn)生的余熱利用率約為45%，則每天發(fā)電余熱回收為q余=0.45×q熱= 1 073.3 mj。除去水箱和管道等散熱損失，發(fā)電機(jī)組余熱每日提供熱量q剩=596.2 mj16-17，這可以滿足14月、1112月份發(fā)電機(jī)每日需要補(bǔ)充的熱量。2.4庫(kù)內(nèi)加熱水管計(jì)算及系統(tǒng)選型發(fā)酵庫(kù)采用循環(huán)增溫系統(tǒng)，可經(jīng)過(guò)多次循環(huán)實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)中溫發(fā)酵。沼氣發(fā)酵增溫系統(tǒng)通常采用不銹鋼管和pert鋁塑管。不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)=15 w/（m2·k），pert管導(dǎo)熱系=0.48 w/（m2·k）18；交換同量熱量的條件下，pert管換熱長(zhǎng)是不銹鋼管長(zhǎng)的10倍，不銹鋼

11、管價(jià)格卻是pert管的45倍。因此，小型沼氣工程可采用價(jià)格較高的不銹鋼管，但在大中型沼氣工程中，因供熱面積大且需要均勻增溫，同時(shí)盡可能減少初期投入，宜采用pert管，根據(jù)庫(kù)內(nèi)容積4×4×10 m3、以底部為基準(zhǔn)每根管路間距300 mm、發(fā)酵庫(kù)壁鋪設(shè)9根計(jì)算，共需要pert管長(zhǎng)度為250 m。3增溫系統(tǒng)控制器3.1控制器程序設(shè)計(jì)沼氣工程系統(tǒng)運(yùn)行中，庫(kù)內(nèi)溫度傳感器將庫(kù)內(nèi)物料溫度值傳入plc，當(dāng)溫度35 時(shí)，發(fā)電機(jī)冷卻水內(nèi)循環(huán)，增溫系統(tǒng)不工作，當(dāng)溫度<35 時(shí)，增溫系統(tǒng)開始運(yùn)行；蓄熱水箱內(nèi)溫度達(dá)到40 時(shí)，電磁閥開、循環(huán)泵運(yùn)行，蓄熱水箱水溫低于35 時(shí)，停止循環(huán)；系統(tǒng)中當(dāng)太

12、陽(yáng)能集熱器內(nèi)水溫與蓄熱水箱內(nèi)水溫溫差值達(dá)到5 時(shí)，電磁閥開、循環(huán)泵開啟，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器水溫低于蓄熱水箱溫度時(shí)，電磁閥關(guān)閉，循環(huán)泵停止，通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)溫度交換；沼氣發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，水箱水開始循環(huán)，為發(fā)電機(jī)降溫的同時(shí)給蓄熱水箱增溫，最終發(fā)酵庫(kù)內(nèi)溫度達(dá)到中溫發(fā)酵增溫（圖2）。發(fā)酵庫(kù)需要增溫時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)增溫系統(tǒng)不運(yùn)行、太陽(yáng)能集熱器水溫在40 以下，可以手/自動(dòng)啟動(dòng)電加熱系統(tǒng)，從而保持庫(kù)內(nèi)發(fā)酵溫度的穩(wěn)定性。3.2溫度信號(hào)采集系統(tǒng)中溫度信號(hào)采集系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)（pc）與西門子 s7-200 plc通過(guò)pc/ppi編程電纜連接起來(lái)，根據(jù)需要的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，選用cpu 224cn 14輸入/10輸出和溫度擴(kuò)展

13、模塊em 235 4模擬量輸入/1模擬量輸出，將模擬量擴(kuò)展模塊em235與plc連接起來(lái)，構(gòu)成一套溫度模擬量采集系統(tǒng)（圖3）。將pt 100溫度傳感器采集到的溫度值，通過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)換為模擬電流420 ma（對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍為6 40032 000），從ch1（a+和a-）輸入，通過(guò)plc數(shù)據(jù)處理，在pc上力控軟件界面中以數(shù)字和溫度曲線形式顯示。系統(tǒng)設(shè)定采集溫度范圍為-10100 ，溫度采集標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)（stl）程序?yàn)椋?系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果系統(tǒng)于2014年11月初啟動(dòng)，利用發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合增溫，并對(duì)系統(tǒng)的增溫效果進(jìn)行測(cè)定，每日產(chǎn)沼氣全用于發(fā)電，天氣良好，發(fā)酵物料溫度為13.3 。結(jié)果表明，為實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)

14、中溫發(fā)酵，至少需供熱量q供=17 680.6 mj。工程試驗(yàn)時(shí)采用2個(gè)庫(kù)作增溫對(duì)比，東庫(kù)不加熱，西庫(kù)增溫加熱，運(yùn)行 10 d 時(shí)，西庫(kù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵庫(kù)中溫發(fā)酵，庫(kù)內(nèi)產(chǎn)氣達(dá)到最佳，而東庫(kù)溫度幾乎變化不大；沼氣干發(fā)酵物料開始發(fā)酵時(shí)為好氧發(fā)酵過(guò)程，生物內(nèi)產(chǎn)熱，溫度升高很快，東西庫(kù)溫度均上升；西庫(kù)采用增溫系統(tǒng)，溫度出現(xiàn)持續(xù)上升，但由于產(chǎn)氣，升溫速率放緩，后期由于發(fā)電余熱提供熱量，庫(kù)內(nèi)溫度又有所提升并趨于穩(wěn)定；東庫(kù)無(wú)外來(lái)熱量補(bǔ)充，又因維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱，因此溫度逐漸下降并趨于穩(wěn)定（圖4）。5結(jié)論以發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合，同時(shí)采用電加熱為輔助增溫系統(tǒng)對(duì)干式厭氧發(fā)酵庫(kù)物料增溫，系統(tǒng)在510月可完全由太陽(yáng)能提供熱量，實(shí)現(xiàn)

15、中溫發(fā)酵，14月、1112月可利用耦合發(fā)電余熱進(jìn)行發(fā)酵庫(kù)內(nèi)物料增溫。對(duì)發(fā)酵庫(kù)利用增溫系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，10 d實(shí)現(xiàn)發(fā)酵庫(kù)中溫發(fā)酵，并能維持庫(kù)內(nèi)35 。該增溫系統(tǒng)率先運(yùn)用于國(guó)內(nèi)干式沼氣工程發(fā)酵系統(tǒng)中，取得良好的試驗(yàn)效果，并投入到工程運(yùn)用。發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合增溫系統(tǒng)一方面針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富的特點(diǎn)，在利用太陽(yáng)能資源的同時(shí)，將發(fā)電余熱的廢棄資源回收再利用，減少了能源投入，提高了經(jīng)濟(jì)性；另一方面，耦合增溫系統(tǒng)克服了單一增溫系統(tǒng)的缺點(diǎn)，再加上電加熱輔助增溫的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了增溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了發(fā)酵庫(kù)內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)酵溫度。參考文獻(xiàn)：1李嚴(yán). 恒溫式沼氣池自動(dòng)增溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)j. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)

16、，2013（5）：161-162，189.2徐振軍. 復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的沼氣熱泵供能特性研究j. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（7）：144-147.3韓捷，向欣，李想. 干法發(fā)酵沼氣工程無(wú)熱源中溫運(yùn)行及效果j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（9）：215-219.4石惠嫻，王韜，朱洪光，等. 地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（2）：268-273.5游煜成，石惠嫻，裴曉梅，等. 電鍋爐輔助空氣源熱泵干式車庫(kù)發(fā)酵加溫系統(tǒng)j. 建筑節(jié)能，2014，42（3）：9-14. 6蒲小東，鄧良偉，尹勇，等. 大中型沼氣工程不同加熱方式的經(jīng)濟(jì)效益分析j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26

17、（7）：281-284.7邱凌，梁勇，鄧媛方，等. 太陽(yáng)能雙級(jí)增溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的增溫效果j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011（增刊1）：166-171.8秦國(guó)棟，樓平，吳湘蓮. 太陽(yáng)能集熱、空氣源熱泵和電加熱并聯(lián)式沼氣發(fā)酵增溫系統(tǒng)研究j. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（5）：187-191，194.9寇巍，鄭磊，曲靜霞，等. 太陽(yáng)能與發(fā)電余熱復(fù)合沼氣增溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（24）：211-217.10裴曉梅，石惠嫻，朱洪光，等. 太陽(yáng)能-沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)j. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40（2）：292-296.11石惠嫻，黃超，朱洪光，等. 基于

18、熱泵加溫系統(tǒng)的沼氣池經(jīng)濟(jì)保溫層厚度確定j. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（22）：215-221.12盧奇，周建偉. 全國(guó)主要城市晴天逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與太陽(yáng)能集熱器最佳傾斜角度的模擬計(jì)算j. 建筑科學(xué)，2012，28（2）：22-26.13processing，archiving and distributing earth science dataeb/ol. 2015-02-10. https：/.14裴曉梅，張迪，石惠嫻，等. 太陽(yáng)能-地源熱泵沼氣池加熱系統(tǒng)集熱面積優(yōu)化j. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（1）：122-128.15石利軍，黃淼，劉慧芬，等. 干物質(zhì)濃度對(duì)牛糞秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響j.