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中型养殖场沼气综合利用系统的运行模式和选型优化

来源: http://www.huiguo.net.cn/    发表日期:2015-09-10    浏览:1496

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沼气综合利用系统集成了太阳能、沼气锅炉和沼气热电联产3个给厌氧反应器加热的系统

养殖场沼气工程可以降低粪便污水中的有害物质、气味,减少甲烷的排放等优点。然而如今已使用的沼气工程普遍没有加热设备,在温度低的季节厌氧反应器内沼液温度较低,造成危害物去除率低下,废弃物累积,环境污染,而且产气率低和产气量不稳定,对沼气综合利用产业化造成影响。因此,为了保证厌氧反应器在不同季节都有相近的、高效的处理污水能力和稳定的产气能力,必须在工程中加入供热设备,保证厌氧反应器内沼液温度达到适宜的温度(38°C±2°C) 。

本论文设计的沼气综合利用系统集成了太阳能、沼气锅炉和沼气热电联产3个给厌氧反应器加热的系统。3个加热系统可以单独或联合运行为厌氧反应器加热,不同加热运行方式具有不同的运行效果,找到本设计的最佳运行模式和选择合适的设备容量是系统的关键。因此笔者建立了以初始投资收益率为目标函数的优化模型,对3个加热系统在不同季节的运行模式进行模拟优化,指导系统运行及设备选型。

1 沼气综合利用系统介绍

1.1 对象养殖场简介

设计研究以浙江嘉兴市某养猪场为数据来源。该养猪场现存栏母猪650头,年出栏商品肉猪大约是1万头,实际存栏量为5000头,每天产生1t的鲜猪粪,猪粪含水量为82%。养殖场的平均热负荷是36.7kW(主要用于冬季保育室保温),基本用电负荷为26.25kW。

1.2 系统流程

沼气综合利用系统流程见图1。

厌氧反应器内所产沼气首先进入储气罐,再经过后面的沼气净化设备、增压设备,可以供给沼气锅炉和沼气发电机。沼气锅炉的热水用来给厌氧反应器供热保温;而沼气发电机在发电同时利用余热给厌氧反应器供热保温。系统中还增加了太阳能热利用系统,用来研究系统的供能效果和经济性。

沼气锅炉的热水直接送入厌氧反应器的加热盘管,发电机组的余热利用指的是烟气余热利用,通过一个烟气-水换热器来实现热量传递,太阳能热利用系统通过一个水-水换热器实现热量传递,属于间接换热。

沼气综合利用系统中太阳能集热器、发电机组和沼气锅炉这三大主要设备都要给厌氧反应器供热。当单个供热设备能够满足供热需求时,由该设备单独供热;当单个设备不能满足供热需求时,可以采用两个供热设备或3个供热设备串联运行,给厌氧反应器提供热量,系统运行模式非常灵活。然而对厌氧反应器的不同加热运行模式具有不同的运行经济效果,找到本设计的最佳运行模式是关键。

1.3 沼气工程热、电负荷

根据上述养殖场排污情况选用3个200m3的标准厌氧反应器,采用全混合厌氧工艺(CSTR),容积率为85%,进料浓度为8%,水力停留时间(HRT)为24d,厌氧反应器的产气率一般为0.8。为了把厌氧反应器内的沼液保持在(38°C±2°C)范围内,就必须考虑厌氧反应器的热负荷。厌氧反应器的热负荷主要包括上下盖的散热量、周匝壁的散热 量以及每天进料所需的热量。当然由于不同季节环境温度的高低,散热量和进料温度不同,故不同季节厌氧反应器的热负荷也在变化。表1为本工程不同季节厌氧反应器的热负荷。


沼气工程中有各种泵、风机及电动机需要耗电, 经过调查沼气工程用电设备情况可得基本用电负荷为10.25kW。

2 系统优化模型

以投资收益率的最大化为目标函数,以太阳能集热器面积和发电机可用沼气量为变量,以满足厌氧反应器的热负荷为约束条件,建立优化模型。由于各个季节的热负荷不同导致设备在不同季节运行功率不同,优化模型以不同季节为对象分别进行设备运行功率的优化,最后综合各个季节的运行功率和热电负荷等因素选定系统各设备容量。下面首先介绍优化模型的建立,系统投资收益率Z计算公式如式(1)所示:

Z=(F2 -F1)/F1,(1)

式中:A为初始投资中平均到每个季度的初始投资额度,元;F2为季度纯收益,元。

初始投资中平均到每个季度的初始投资额度F1包括太阳能集热系统的投资、发电机组的投资、沼气锅炉的投资和厌氧反应器改造费用,计算公式如公式(2)所示:

F1= (A1+B1+C1+D)/4(2)

式中:A1为太阳能集热器的投资,元;B1为发电机组的投资,元;C1为沼气锅炉的投资,元;D为厌氧反应器改造费用,元。

季度纯收益F2等于发电机组发电为养殖场节省的电费和系统为养殖场提供的热水的当量节省费用减去运行费用,计算公式见公式(3):

F2 =(A2+B2+C2-E)xn2/4(3)

式中:A2为太阳能集热器为养殖场提供的热水的当量节省费用,元;B2为发电机组发电为养殖场节省的电费,元;C2为沼气锅炉为养殖场提供热水的当量节省费用,元;E为系统年运行费用,包括人工费和设备维护费等,元;n2为工程使用年限,年。

当沼气综合利用系统只为厌氧反应器供热的情况下,A2和C2都是0,因为热量被沼气综合利用系统内部消耗,而没有被养殖场所用。

太阳能集热器的投资A1的计算方法见公式(4),发电机组的投资B1计算方法见公式(5),沼气锅炉的投资C1计算方法见公式(6):

A1=P太阳能xA (4)

式中:P太阳能为太阳能集热器的单价,元• m-2;xA为集热器面积,m2。

B1=P发电机xB (5)

式中:P发电机为发电机单价,元•kW—1;xB为发电机的运行功率,kW。

C1 =P锅炉xC(6)

式中:P锅炉为锅炉单价,元•KW-1;xC为锅炉的运行功率,kW。

发电机组发电为养殖场节省的电费的计算方法见公式(7),太阳能集热器和沼气锅炉为养殖场提供热水的当量节省费用为用燃煤锅炉提供相同热量的燃煤费用。

B2=Q沼气发电P沼气发电P电XnlXn2(7)

式中:Q沼气发电为用于沼气发电的沼气量,m3;P沼气发电为每立方沼气发电量,kWh • m-3;P电为电价,元• kWh—1; n1为每个季度的天数;n2为工程使用年限,20年。

优化模型的约束条件为厌氧反应器的热需求量Q,计算公式见公式(8):

Q = xAQ太阳能n太阳能+ Q沼气发电Q沼气n烟气余热率n烟气换热器效率+ (Q沼气产量-Q沼气发电)*Q沼气n锅炉(8)

式中:Q太阳能为当地当时太阳日辐射强度,MJm-2d-1;n太阳能为太阳能热转换效率;n烟气换热器效率为发电机组热回收量与烟气热量之比;

n锅炉为锅炉换热效率;Q沼气产量为沼气总产量,480m3;n烟气余热率为发电机组烟气热量与发电机组所用沼气总热量之比;Q沼气为沼气热值MJm-3。


3 模型优化结果

根据上文优化模型,利用表2中的计算参数取值,得出沼气综合利用系统各个季节的优化结果,见表3。


由于一定要保证厌氧反应器的供热,且冬季厌氧反应器的需热量最大,因此优化结果中沼气锅炉在冬季的运行功率最大,为36.8kW,冬季剩余沼气不多,因此发电机组的运行功率仅为18.9kW。而夏季厌氧反应器的需热量最少,发电机组发电时的烟气余热已经能够满足厌氧反应器的加热需求,因此夏季沼气锅炉不需要运行,发电机组的运行功率为32.2kW。春秋季介于冬季和夏季之间。太阳能集热器由于设备价格费比较贵,优化结果显示太阳能集热器的设置面积为0。

从初始投资收益率来看,由于夏季发电量较多, 产生的收益大,夏季的初始投资收益率可达到14.1;而冬季沼气锅炉消耗大量沼气来加热厌氧反应器,因此初始投资收益率仅为4.6;春秋季介于两者之间。

按照模拟优化的结果和市场上常见型号来选型,太阳能集热器面积选择0m2;因为发电机组夏季的运行功率最大,考虑到能源利用效率,将尽可能多的沼气用来发电,所以发电机组选择35kW合适;同理,锅炉冬季的运行功率最大,考虑到能够保障厌氧反应器保温所需热量,所以锅炉选择40kW合适。

4 结论

文章设计了集成太阳能、沼气锅炉和沼气热电联产3个加热系统的沼气综合利用系统为沼气工程的厌氧反应器加热保温。通过建立优化数学模型,对3个系统不同季节的运行方式进行优化,从而进行设备选型。优化的结果显示,太阳能由于成本过高不适于应用,冬季沼气锅炉运行功率较大,夏季发电机组运行功率较大,春秋季各设备运行效率居中。因此,沼气锅炉根据冬季运行功率进行选型,发电机根据夏季运行功率进行选型。

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