PDF《寒冷地区能量自给型沼-电-热泵系统模式探索》

3 能流分析与能量自给途径 原料进入沼气系统,经过发酵、收集、输运、燃烧、排放、散热等过程,最终以能量的形式而被加以 利用,这些复杂过程都伴随着能量的转化、转移与损 耗.对各个子过程进行能流分析,即分析能量输入、 输出、损失、转化等过程的品质和数量变化,才能真 正全面地了解沼气这一新能源的生产过程,才能实现 沼气生产的能量自给和高产高效.沼气池体能流的数 学模型为: ? ? ? ? ? ? ? ? r i o r r a g dt cV Q qV cVt cVt d cVt KA t t ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1) 式中:Q -池体增温加热量, kW;

t -温度, ℃;

? - 时间,s;

? -密度,kg/m3 ;

c -比热容,kJ/(kg℃);

V - 体积,m3 ,V ? -沼气流量,m3 /s;

q -单位体积反应热 强度, kW/m3 ;

K -池体结构散热系数, kW/(m2 ℃);

A - 池体结构散热面积,m2 ;

下标:r -池体的;

i -进料的;

o -出料的;

g -沼气抽气的. 通过能流分析发现以下现象: (1) 池体结构耗热量: 采用简单的池体保温措施 (500mm 苯板外保温) ,即可将池体向大气或大地的 散热损失降低到很小的比例,一般为总热损失的 3% 左右. (2)出、进料耗热量:出料热损失(或进料加热 量)是沼气系统热损失的最大部分,占到 90%以上. 因此利用出料废热来对进料进行加热,才是降低池体 增温能耗的正确出路. (3) 总耗热量的影响: 一个产气率 1.76m3/(m3d) 的沼气池,池体增温总耗热量与所产沼气热值的比例 高达三分之一以上(如果产气率较低,这一比例还将 更高) .也就是说,消耗

1 份热能,通过沼气系统转换 可获得

3 份热能, 如果消耗的这

1 份热能来源于沼气、 或煤、 或电, 那么实际的沼气收益只有

2 份甚至更少. 如果这

1 一份热能来源于太阳能或出料废热回收,沼 气的收益才真正是

3 份. (4) 出料废热回收: 如果出料废热可以完全回收, 并用之加热进料,那么进、出料是热平衡的,也就避 免了 90%以上的热损失.增温只需维持池体结构散热 即可,即只需要提供 3%的池体结构耗热量. (5) 如何实现能量自给: 利用出料废热加热进料, 没有消耗沼气、煤、电、太阳能,而3%的池体结构耗 热通过厌氧反应自身放热(沼气池厌氧消化过程的反 应热随处理的物料不同而已,转化人、禽畜粪便为甲 烷所产生的反应热,一般为发酵料液有效能量[16.915kJ/kg]的3% [4]) 就可满足 (如果利用烟气余热 那也是绰绰有余) . 也就是说, 池体保温良好时, 池体结构散热极小, 给沼气池增温,实际上就是加热进料.用回收出料废 热来加热进料,可实现池体进出的能量平衡,达到沼 气系统能量自给的目的,获得最大限度的沼气收益. 能量自给型沼气工艺的目标:采取沼液回热措施,在 池体增温加热量

0 Q ? 的条件下,满足池体反应温度 变化

0 r dt d? ? .

4 沼-电-热泵模式――热能总量最大化 沼气有多种用途,例如炊事、照明、发电、贮粮、 保鲜、养蚕等等.沼气的充分利用应视农村具体情况 而定.本文针对寒冷地区蔬菜大棚和畜舍禽舍需要采 暖越冬的特点,以热能利用最大化为目标,提出了沼- 电-热泵(MEHP:methane-electricity-heatpump mode) 模式.MEHP 模式的工艺流程如图

1 所示.MEHP 模 式的主要特点在于: 水泵 照明 禽舍 畜舍 食堂 沼气净化 办公楼 创收 物质传递 能量传递 货币传递 图例: 鲜禽畜粪调配池 CSTR池 固液分离 沼渣 沼液 干化场 有机肥加 工车间 包装外卖 沼液 回热器 沼液 贮液池 蔬菜 大棚 贮气柜 供气 发电机组 废气回热器 电力 热泵 二级加热器供热空调根叶藤杆卫生热水Figure 1. Self-energizing system model of methane-electricity-heatpump 图1. 能量自给型沼-电-热泵系统模式 (1)利用沼液回热器回收出料废热用于加热进 料,实现沼气池进、出能量平衡和自给. (2) 利用沼气发电. 发电的烟气废热和冷却余热 用于蔬菜大棚或畜舍禽舍的冬季采暖和卫生热水供 应. (3)利用电力驱动土壤源(或水源、空气源)热泵,提取大量土壤低位热能用于蔬菜大棚或畜舍禽舍 的冬季采暖. (4)热回收不足的部分(二级加热器)可由烟气 废热或热泵补偿供给,故可分为热泵补偿和烟气补偿 两种方式,热泵补偿的系统原理如图