王春龍， 張 涵， 李金平， 吳文君， 趙立磊

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補供能系統(tǒng)重點實驗室， 蘭州 730050； 3.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 蘭州 730050)

我國沼氣工程發(fā)展迅速，在沼氣工程的運行中選擇合適并且穩(wěn)定的溫度是沼氣工程高效產(chǎn)氣的重要保證[1-2]，目前我國的沼氣工程主要采用中溫或常溫發(fā)酵[3-4]。為維持發(fā)酵罐穩(wěn)定的運行溫度，必須對發(fā)酵罐的熱損失進行研究，選擇合理的保溫及增溫手段[5]。大中型沼氣工程的加熱主要有以下熱源：熱水鍋爐、沼氣鍋爐、太陽能集熱器、太陽能溫室、沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)、電加熱、地源熱泵加熱等[5-8]。

目前對于沼氣工程發(fā)酵罐散熱情況的研究有很多，但無論是模擬計算還是小型試驗研究大多停留在僅針對罐內(nèi)向外通過導(dǎo)熱和對流的形式散熱，對太陽輻射導(dǎo)致表面升溫影響散熱的研究幾乎沒有[9-11]。但筆者在實地實驗時發(fā)現(xiàn)，太陽直射下發(fā)酵罐表面溫度最高可達67℃，其對散熱影響不可忽略。為此，本文對其進行研究，從而使發(fā)酵罐的散熱分析更為準(zhǔn)確，為沼氣工程能耗分析提供更準(zhǔn)確依據(jù)。

1 北京嘉孚熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣工程概況

1.1 系統(tǒng)簡介

嘉孚熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣工程位于北京市順義區(qū)嘉孚科技有限公司循環(huán)農(nóng)業(yè)生態(tài)園內(nèi)，占地約2.5畝，沼氣站根據(jù)其功能分為原料貯存與管理區(qū)、原料預(yù)處理與厭氧發(fā)酵區(qū)、沼氣處理與利用區(qū)和沼液后處理區(qū)四部分，發(fā)酵工藝采用37℃恒溫厭氧發(fā)酵，日處理牛糞4～5 t，產(chǎn)沼氣450 m3，沼液沼渣16～20 t，所產(chǎn)沼氣全部用于熱電聯(lián)產(chǎn)，所發(fā)電量用于園區(qū)生產(chǎn)，發(fā)電余熱用于加熱發(fā)酵罐和酸化池，沼液沼渣經(jīng)固液分離后一部分用于回質(zhì)，充分利用其中有機物，其余用于園區(qū)農(nóng)業(yè)施肥和生產(chǎn)有機基質(zhì)。

1.1.1 原料貯存與管理區(qū)

主要包括秸桿青貯倉和管理控制用房。秸稈青貯倉占地168 m2，農(nóng)作物粉碎后儲存于用于發(fā)酵。沼氣工程原設(shè)計采用多種原料混合厭氧發(fā)酵，由于目前沼氣工程無專人運行，為簡化操作，沼氣工程采用牛糞為單一原料發(fā)酵，青儲間尚未投入使用。為避免冬季運行時發(fā)電余熱不足以保證發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定，青儲間頂部設(shè)有24組50管橫排真空管式太陽能熱水器進行供熱。極端條件下可能出現(xiàn)發(fā)電機無法運行且連續(xù)陰雨天氣，為此，本工程還備有10HP熱泵兩臺，可獨立承擔(dān)系統(tǒng)最大熱負荷。管理控制用房共有3間，分別為化驗室、辦公室和電氣控制室，每間24 m2。

1.1.2 原料預(yù)處理與厭氧發(fā)酵區(qū)

主要包括原料預(yù)處理池、一體化厭氧發(fā)酵罐、泵房等，該部分是沼氣站的核心，相對集中，通過地下管道與泵房設(shè)備互相連接。

原料預(yù)處理池容積為90 m3，中心配有雙扇葉攪拌泵，新鮮牛糞由進料口倒入，再與沼液和水按比例混合調(diào)制后進行酸化。酸化時間為24～48小時，酸化后料液由潛污泵打入發(fā)酵罐進行厭氧發(fā)酵。一體化厭氧發(fā)酵罐集發(fā)酵儲氣于一體，發(fā)酵部分容積464 m3，有效容積374 m3。

1.1.3 沼氣處理與利用區(qū)

沼氣處理主要包括沼氣水封、汽水分離器、脫硫和二次脫水裝置組成，沼氣處理后由地下管道輸送至利用區(qū)；沼氣利用區(qū)由一臺威邇徠德公司生產(chǎn)GXC50S-BG型特殊氣體熱電聯(lián)供機組及其附屬設(shè)施組成，機組額定電功率50 kW，額定熱功率74 kW。

1.1.4 沼液后處理區(qū)

主要包括沼液緩沖池、集水池、調(diào)蓄池等，沼液由位于發(fā)酵罐上部的出料口溢出，儲存于24 m3的緩沖池中，然后泵入固液分離機，分離后沼渣用于園區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或生產(chǎn)有機基質(zhì)，稀沼液一部分回流至酸化池充分利用其中有機物和菌種，其余稀沼液泵入沼液調(diào)蓄池中儲存，用于園區(qū)灌溉。

1.2 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)

發(fā)酵罐高6 m，直徑9.93 m。罐頂為雙膜式儲氣柜，儲氣容積為180 m3。儲氣柜由外膜、內(nèi)膜和底膜組成，外膜構(gòu)成儲氣柜外球體形狀，內(nèi)膜與底膜圍成內(nèi)腔儲存沼氣，儲氣柜設(shè)有防爆風(fēng)機把空氣輸送進外膜與內(nèi)膜之間的空間，維持沼氣儲氣壓力[12]，同時在惡劣天氣條件下保護外膜。一體式雙膜儲氣柜具有良好的保溫性能，可抵御嚴寒、風(fēng)雪的惡劣天氣。發(fā)酵罐側(cè)壁與底部的材料和相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)酵塔材料及相關(guān)參數(shù)

2 發(fā)酵罐散熱模型與計算

2.1 發(fā)酵罐散熱模型

發(fā)酵罐散熱模型見公式(1)：

Q=Qt+Ql+Qw+Qb[5]

(1)

式中：Q為發(fā)酵罐整體熱量損失，MJ·d-1；Qt為發(fā)酵罐整體散熱，MJ·d-1；Ql為發(fā)酵罐進出料熱損失，MJ·d-1；Qw為發(fā)酵罐內(nèi)水分蒸發(fā)帶走熱量，MJ·d-1；Qb為發(fā)酵罐沼氣帶走熱量，MJ·d-1。

熱損中罐體散熱和進出料熱損失為最主要部分，水分蒸發(fā)和沼氣帶走的熱量占比很小，國內(nèi)外研究時[13-14]通常忽略。進出料熱損失占比最大，汪國剛[15]提出物料提溫占厭氧發(fā)酵系統(tǒng)總熱量需求的80%～88%，對此可采用回?zé)岬姆绞綔p小熱損失。

(2)

式中：cs為沼液的比熱容，J·kg-1℃-1；min為發(fā)酵罐日進料質(zhì)量，kg；tf為發(fā)酵罐內(nèi)沼液溫度，℃；tin為發(fā)酵罐進料溫度，℃。

根據(jù)研究，沼液TS在15%以下時比熱可按水計算[16]，北京嘉孚沼氣工程設(shè)計每日進料20 t。進料料液由牛糞、水和過濾后沼液混合而成，混合攪拌后儲存于地下的進料池中酸化24～48小時后泵入發(fā)酵罐中，進料料液溫度可參考地溫。由此可計算發(fā)酵罐進出料熱損失。

熱量的傳遞共有3種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，沼氣罐的散熱與這3種形式均相關(guān)，計算時主要考慮熱傳導(dǎo)和熱對流。由于沼氣工程采用中溫發(fā)酵，罐內(nèi)溫度維持在37℃±1℃的范圍內(nèi)，因此罐體大多數(shù)時間均在向外散熱。罐體散熱由3部分組成：

Qt=Q1+Q2+Q3[10]

(3)

式中：Qt為發(fā)酵罐整體散熱，MJ·d-1；Q1為發(fā)酵罐頂散熱，MJ·d-1；Q2為發(fā)酵罐側(cè)壁散熱，MJ·d-1；Q3為發(fā)酵罐底散熱，MJ·d-1。

罐頂位置內(nèi)部為沼氣，熱量的傳遞過程為內(nèi)部沼氣冷面向下的自然對流換熱-多層介質(zhì)導(dǎo)熱-外部空氣強制對流換熱或自然對流換熱。對于輻射散熱，此處暫時不考慮。沼氣工程正常運行時，產(chǎn)氣量和發(fā)電機用氣量基本平衡，可看做儲氣量不變，內(nèi)膜位置沒有改變，內(nèi)外膜之間為空氣，假設(shè)內(nèi)外膜之間溫度與外界環(huán)境溫度相同。為簡化計算，將頂部看做平板，因此散熱量可按下式計算[17]：

(4)

式中：Az為貯氣膜傳熱面積，m2；tf為料液溫度，℃；ta為大氣溫度，℃；δz為貯氣膜厚度，m；λz為貯氣膜導(dǎo)熱系數(shù)，取0.6 W·m-2K-1[18]；hamb1為頂部空氣對流換熱系數(shù)，W·m-2K-1；hbiogas1為頂部膜內(nèi)沼氣對流換熱系數(shù)，W·m-2K-1。

罐壁位置主要為料液，沼氣所占高度很小，所以按照料液層高度計算散熱量，熱量的傳遞過程為內(nèi)部沼液對流換熱-罐體多層介質(zhì)導(dǎo)熱-外部強制或自然對流換熱，計算公式如下[17]：

(5)

式中：H為罐內(nèi)料液高度，m；ha為側(cè)壁外部空氣對流換熱系數(shù)，W·m-2K-1；δ為側(cè)壁聚苯乙烯保溫板厚度，因為內(nèi)外不銹鋼板相對保溫層厚度十分小，導(dǎo)熱系數(shù)很大，計算時可忽略；hs為側(cè)壁內(nèi)料液對流換熱系數(shù)，W·m-2K-1。

罐底散熱為內(nèi)部對流換熱-平板導(dǎo)熱，平板導(dǎo)熱可參照建筑地面散熱計算熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)。

(6)

式中：λt為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，取0.93 W·m-2K-1；A0為反應(yīng)器當(dāng)量直徑，根據(jù)反應(yīng)器底層各層厚度和導(dǎo)熱系數(shù)計算，m；r為反應(yīng)器內(nèi)半徑，m[18-19]。

2.2 發(fā)酵罐散熱計算

根據(jù)中央氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)所得當(dāng)?shù)丨h(huán)境數(shù)據(jù)及發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)物性參數(shù)，計算可得發(fā)酵罐耗能情況，如表2所示。

表2 發(fā)酵罐不同月份耗能情況

由表2可知，日熱損2月份最大，為3320 MJ，8月份最小，為1292 MJ。月?lián)p失最大為一月份，為10200 MJ。熱損中占比最大的為進出料熱損，比例為86%～93%，這與其他學(xué)者研究結(jié)果一致，由此可見，對于恒溫厭氧沼氣工程，回?zé)崾直匾?，?yōu)秀的回?zé)嵩O(shè)計可減小能耗40%以上[20]。由于進料池位于地下，溫度月變化相比氣溫變化小，所以冬季進出料熱損占比較夏季小。發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)散熱中，罐壁占比最大，這與豎壁散熱面積大，內(nèi)部沼液換熱系數(shù)大有關(guān)，因此罐體保溫中罐壁保溫最為關(guān)鍵，良好的保溫將大大減小發(fā)酵罐能耗。

3 太陽照射引起的散熱變化計算

太陽能是一種清潔無污染的能源，且十分豐富。我國大部分地區(qū)日照豐富，發(fā)酵罐在太陽直射下表面溫度上升明顯，金屬罐體夏季表面溫度最高處可達60℃以上[21]。由于保溫層熱傳導(dǎo)性能差，而內(nèi)部溫度仍處于原來狀態(tài)，這將大大影響發(fā)酵罐向外散熱，考慮太陽照射引起的表面溫度變化會使發(fā)酵罐散熱計算更加精確，減少初投資的不必要浪費。

由于地日軌道是一個橢圓，太陽輻射會隨著日地距離的變化而變化，1981年世界氣象組織儀器和觀測方法委員會第八屆大會，經(jīng)討論后建議采用1367 kW·m-2為日地平均距離處太陽常數(shù)值，其精度為±0.5%。不同日期大氣層外太陽輻射可按下式計算[22]:

(7)

式中：N為自1月1日期算的日序數(shù)。

太陽輻射經(jīng)過大氣層的吸收、反射和散射以后，到達發(fā)酵罐表面，一部分被發(fā)酵罐罐體吸收，另一部分被反射回去。目前對于建筑物尤其是橋墩的輻射溫度效應(yīng)研究有很多，但是針對發(fā)酵罐的研究目前并不多見。發(fā)酵罐表面接受到的短波輻射qФ為：

qφ=IDφ+Idβ+Irβ[22]

(8)

式中：IDφ為斜面所接受到的直接輻射強度，kW·m-2；Idβ為斜面上的天空散射強度，kW·m-2；Iγβ為地表短波反射到斜面上的輻射強度，kW·m-2。

3.1 直接輻射

地面上太陽直接輻射強度受到大氣成分和海拔高度等影響，Kehlbeck和Elbadry[23-24]等人對此研究后提出了太陽入射角為φ的斜面直接輻射公式：

IDφ=IDcosφ

(9)

ID=I00.9tukam

(10)

式中：ka為大氣相對氣壓，數(shù)值隨海拔高度變化，見表3，北京嘉孚沼氣工程地面海拔34 m，ka按1計算；tu為林克氏混濁度系數(shù),表征大氣渾濁程度，可按下面經(jīng)驗公式計算，m為大氣光學(xué)質(zhì)量，為太陽高度角βs的正弦值的倒數(shù)。

(11)

Atu和Btu為經(jīng)驗參數(shù)，分別表示不同大氣狀況下林克氏混濁度系數(shù)的年平均值和變化幅度[22]，其值見表4。

表3 不同海拔高度的大氣相對氣壓[22]

表4 林克氏渾濁度系數(shù)

3.2 大氣散射

太陽輻射進入大氣層后與水蒸氣、灰塵顆粒、氣溶膠等互相作用，一部分能量會均勻地輻照在地面上，地面物體的接收量只與表面傾角有關(guān)。任意斜面上的大氣散射強度為：

(12)

式中[22]：βn為斜面的法向量與水平面的夾角；IdH為水平面上的散射強度，可按下式計算：

IdH=(0.271I0-0.294ID)sinβs[22]

(13)

3.3 地面反射

到達地面的總輻射中，有一部分被地面反射回大氣，稱為地面反射輻射Irβ，見下式：

(14)

式中[22]：re為地面反射率，定義為太陽反射輻射與太陽入射輻射之比。它表征地面對太陽輻射的吸收和反射能力[25]。北京嘉孚沼氣工程發(fā)酵罐周圍均是水泥地面，re取0.263[26]。

3.4 日照輻射計算

北京嘉孚沼氣工程地點位于東經(jīng)116.63°，北緯40.18°。根據(jù)上述公式計算結(jié)果如圖1所示，日均輻射和日均吸收輻射最大為6月，最小為12月，由于天數(shù)原因發(fā)酵罐表面月總輻射量和有效吸收輻射最大為七月，最小為12月。在冬季最冷的1月份發(fā)酵罐表面月吸收輻射占總熱損的41.6%，在氣溫最高的7月，發(fā)酵罐表面月吸收輻射是月總熱損的2.12倍，若表面吸收的太陽能都能有效地利用于加熱罐內(nèi)料液，能夠大大減小增溫能耗，減小運行費用。但是由于發(fā)酵罐外部存在保溫層，熱量向內(nèi)傳遞熱阻較大，吸收的太陽輻射使表面不銹鋼保護層迅速增溫后，熱量主要向空氣以對流換熱的形式散失掉，能夠有效傳導(dǎo)到罐體內(nèi)部的比例十分小。

對于罐體，頂部為雙膜式儲氣柜，內(nèi)外膜之間為空氣，并且為維持內(nèi)膜壓力，膜間空氣會定期排入排出，因此可認為頂面吸收太陽輻射的能量全部散失到空氣中，此部分能量不能有效傳遞到罐內(nèi)。太陽輻射對于發(fā)酵罐散熱的影響主要位于罐體豎壁。輻射吸收發(fā)生于罐壁最外層的不銹鋼層，不銹鋼層升溫后向外界環(huán)境及內(nèi)部導(dǎo)熱，根據(jù)兩者導(dǎo)熱溫差及熱阻可計算內(nèi)外兩個方向的導(dǎo)熱量。結(jié)果如圖2所示，在冬季由于太陽輻射弱、散熱量大，太陽輻射對發(fā)酵罐散熱的影響非常小，12月份減小散熱量僅為3.77%，夏季日照時間長、太陽輻射強、散熱量小，太陽輻射對發(fā)酵罐散熱的影響變大，七月份可減小24.70%的散熱量。

圖1 發(fā)酵罐表面太陽輻射量和吸收量

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，冬季太陽輻射對發(fā)酵罐散熱的影響非常小，而發(fā)酵罐保溫的主要是針對冬季寒冷情況下進行設(shè)計，因此結(jié)果對發(fā)酵罐的保溫設(shè)計及初投資的影響可忽略。夏季太陽輻射對發(fā)酵罐散熱的影響變大，可有效減少維持罐內(nèi)恒溫的供熱量，減小運行費用。計算太陽照射對發(fā)酵罐散熱的影響，能夠更加準(zhǔn)確的確定夏季運行工況，對于精確計算運行費用和投資回報期也十分有意義。

圖2 發(fā)酵罐日散熱量

4 實驗驗證

筆者于2017年3月～2017年5月期間在北京嘉孚沼氣工程對實際運行情況進行了測試，對各項運行參數(shù)進行了記錄，實驗儀器見表5。主要測試內(nèi)容為：

(1)環(huán)境參數(shù)：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、太陽輻射強度、風(fēng)速。

(2)發(fā)酵及沼氣儲存系統(tǒng)：發(fā)酵罐內(nèi)溫度(上下兩層)、發(fā)酵罐表面溫度(沿圓周平均分布10個測點)、進料池溫度、進料池液位、加熱盤管進出口溫度、加熱盤管流量、料液物化成分(TS，VS，COD，pH值，氨氮含量)。

以上參數(shù)大部分由型號為Agilent 34970A的數(shù)據(jù)采集儀進行采集記錄，采集儀的掃描時間間隔設(shè)置為10 s，發(fā)酵罐內(nèi)溫度、進料池溫度測試儀器為自帶數(shù)顯pt100傳感器，加熱盤管流量為手持式超聲波流量計，發(fā)酵罐表面溫度為紅外熱像儀，采用人工手記。料液物化參數(shù)、沼氣成份每天定時取樣測試。室外溫度傳感器位于室外陽面通風(fēng)且避免太陽照射的位置，室外風(fēng)速傳感器固定于化驗室屋頂周圍無遮擋物，太陽輻射儀位于化驗室屋頂且周圍沒有遮擋，以利于接收太陽輻射，利用指南針南向定位，并進行固定。

根據(jù)能量守恒原則分析發(fā)酵罐內(nèi)熱量流動，發(fā)酵罐散熱的實驗計算公式如下：

Qt=Qs-Ql-Qm

(15)

式中:Qs為發(fā)酵罐盤管供熱量，MJ·d-1；Qm為發(fā)酵罐內(nèi)料液溫度升高蓄熱量，MJ·d-1。

(16)

表5 實驗儀器

Qm=cmtankΔT

(17)

式中[27]：vcoil為加熱盤管熱水流量，m·s-1；Dcoil為加熱盤管內(nèi)徑，81 mm；tcoil-in為加熱盤管進口溫度，℃；tcoil-out為加熱盤管出口溫度，℃； τ為記錄時間間隔；mtank發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液質(zhì)量，kg； △T為發(fā)酵罐內(nèi)1天溫度升量，℃。

圖3 室外環(huán)境溫度和發(fā)酵罐內(nèi)平均溫度

圖4 計算散熱量和測試散熱量

通過計算，結(jié)果如圖3所示，罐內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在37℃附近，進料時會造成罐內(nèi)溫度下降，但由于夏季進料溫度高，影響不大。散熱量如圖4所示，5天內(nèi)實際散熱量為88.6～174.7 MJ·d-1，接近太陽照射后的計算散熱量為48.6～96.7 MJ·d-1，誤差為44.6%～51.8%，可以看出誤差較大，但是變化趨勢基本一致，這是因為計算多為理想狀態(tài)下，忽略了部分細節(jié)，例如沒有考慮外界風(fēng)速和內(nèi)部攪拌的影響。若將計算散熱量乘以修正系數(shù)1.90，結(jié)果誤差保持在8.6%以內(nèi)，結(jié)果修正后可以接受。

5 結(jié)論

發(fā)酵罐內(nèi)物料熱容巨大，散熱緩慢，溫度變化平緩且結(jié)構(gòu)簡單，可以利用一維穩(wěn)態(tài)模型對發(fā)酵罐的散熱進行分析計算，結(jié)合實際運行情況對計算結(jié)果進行修正后可對發(fā)酵罐的熱量散失過程進行合理計算和預(yù)測。對于北方保溫良好的發(fā)酵罐熱損，進出料熱損占比最大，占80%以上，采用回?zé)峒夹g(shù)十分必要。罐體結(jié)構(gòu)散熱中，罐壁散熱量占比最大，需良好保溫。太陽照射對于發(fā)酵罐散熱存在一定影響，冬季影響較小，可忽略不計，夏季太陽照射最大可減小24.70%的散熱量?？紤]太陽照射，對系統(tǒng)運行費用和投資回收期的計算更加精確，兩者的減小將加大沼氣工程的推廣力度。