发电余热与太阳能耦合增温系统设计与应用

发电余热与太阳能耦合增温系统设计与应用
摘要：车库式干发酵沼气系统在冬季运行过程中，由于温度低而影响厌氧菌的活力，造成系统产气量大幅下降。

为保障其冬季稳定产气，试验以长江中下游地区为例设计出一套发电余热与太阳能耦合增温系统，对该系统增温热负荷、发电机组余热回收率、太阳能热效率等关键参数进行理论计算得出，系统的中温发酵最大负荷为1 月，负荷量为23 630.4
MJ; 5—10月只需要太阳能供热就可基本实现中温发酵环境；
11 —12月、1 —4月系统需要发电余热补充增温。

经工程试验表明，100 t物料在冬季由13.3 C增温到35.0 C,至少须提供热量17 680.6 MJ,系统经过10 d可实现库内物料中温发酵，并能够维持中
温发酵水平。

关键词：发电余热；太阳能；设计；耦合；增温系统；热效率
中图分类号：S2 1 0 . 7文献标志码：A 文章编号：
1002-1302（2016）05-0380-03 近年来，随着农村能源开发利用政
策的不断深入，沼气的开发利用也越来越受到重视。

但是，冬季环境温度低，使得冬季沼气的产量减少，严重影响沼气的生产。

因此，沼气生产必须在厌氧发酵过程中采取增温措施进行热量补充[1]。

目前，主要增温方式有生物质锅炉增温、太阳能增温、电加
热锅炉增温、地源热泵增温等[2-3] ，单一增温方式的存在受天气影响大、成本较高、自动化程度低、受地理位置限制等缺点[4] ，
而采用组合加热方式可解决这一缺点[5] 。

沼气发电余热加热实现了废弃资源的再利用，节能环保，且费用仅分别为燃气锅炉加热、太阳能加热方式的60%和12%[6] 。

太阳
能为绿色能源，在长江中下游地区资源丰富，利用太阳能可减少污染的排放和能源消耗，是未来发展的重要方向[7] 。

本系统采用沼气发电余热和太阳能，设计出一套发电余热与太阳能为热源、采用电加热为辅助的沼气车库耦合增温系统，利用定温控制，通过太阳能集热系统完成热能的采集和传输，热水通过换热管对料液进行增温。

为预防太阳能增温的不稳定性和发电机偶然性故障，系统在蓄热水箱内设计电加热系统作为增温系统的外辅助增温，以提高增温系统整体稳定性[8]。

1耦合增温系统组成及工作原理
增温系统由发电余热-太阳能耦合供热环路组成（图1），其中，发电余热热源与太阳能增温相互补充，最大利用太阳能热源，实现增温系统运行稳定。

发电余热-太阳能耦合系统作为增温系统中主要热量来源，通过发电余热与太阳能集热器耦合的方法为发酵库提供稳定的热量；发电机组内循环冷却水通过缸套水热交换器预热，外循环冷却水通过废气热交换器预热后进入蓄热水箱，实现热量交换[9] 。

阳光充足时，太阳能集热器收集热量，通过换热器与蓄热水箱进行热量互换，通过换热管实现对发酵物料的增温；太阳能不充分时，系统主要利用发电余热增温。

系统根据温度传感器所测值，通过控制阀门和循环泵来控制集热水箱、蓄热水箱和发酵库内热量交换，
发酵库内换热方式采用盘管辐射散热。

增温系统蓄热水箱内设有电加热系统，作为增温系统稳定性的补充，当发酵库内物料产气率不高、发电余热增温不能满足需求、太阳能集热器水温在40 C以下时，电加热系统启动。

电加热设为手/ 自动联合控制方式，当发电机运行时，电加热系统关闭；发电机停止运行，开启电加热手动开关；当发酵库需要增温，太阳能集热器温度又低于40 C时，电加热开关自动闭合，电加热系统运行增温。

控制系统采用S7-200 可编程逻辑控制器（PLQ与力控组态软件结合，及时监控和采集发酵系统内数据。

2系统增温负荷量的计算
2.1 发酵池增温负荷发酵池增温负荷是指在某一室外温度下，为达到要求的发酵池内温度，加热系统在一定时间内须向发酵池供给的热量。

干式发酵在发酵前3d进行有氧堆肥，自身内部将产生微生物热，因此，干式发酵库加温负荷主要有进料吸收热量、围护结构散热、沼液加热量和内部微生物热组成[10]，计算公式为：
Q=Q1+Q2+Q3-Q4。

式中：Q为发酵库需要补充的能
量，Q1为进料吸收热量，Q2为围护结构热损失，Q3为每日沼液喷淋后，沼液需加热的热量，Q4 为内部微生物自产热，单位均为MJ (下同)。

由于内部微生物自产热影响较小，所以不作考虑，从而计算公式为：Q=Q1+Q2+Q3。

2.1.1进料吸热量进料吸热量是指一定时间内使物料温度由进料温度升到适宜发酵温度所要补充的热量，计算公式
为：Q1=M1CP( T-T1)。

式中：M1为进料质量，kg/月；CP 为进料热
容量，kJ/ (kg?K); T为设计温度，C； T1为进料温度，C [5]。

表1为根据试验进料温度数据计算出的进料吸热量Q1 的数据
2.1.2维护结构散热及沼液增温热量本发酵车库顶部储气采用带有弹性的红泥塑料，温室大棚双层保温，四壁采用100 mm 聚氨酯保温板，发酵库围护结构散热的计算公式为：Q2=KFA T。

式中：Q2为维护结构散热量；K为传热系数，W (m2?K); F为换热面积，m2;
A T为室内外温差，C [11]。

系统运行时每天需要喷淋1次沼液，每次喷淋2 t，所以沼液达到中温所需要的热量Q3 见表2。

2.2太阳能集热系统热负荷太阳能加热系统通过集热管实现太
阳能热量的采集和
传输，由温度传感器定温控制，使集热器内热水通过温差循环泵与蓄热水箱进行换热。

增温系统中太阳能增温系统可以提供的热量计算公式为：Q太=ACx [JTX n x( 1-n L) ]/f。

式中：AC 为太阳能集热板面积，本系统采用真空管集热器，试验设计太阳能集热器面积为50 m2 ; JT为倾斜辐射量，MJ; n为集热器日平均集热效率，集热器设置方向为正南，倾角取45 ° [12]，日平均集热效率取55%; n L为管路及热水箱损失效率，系统取0.2[13]; f 为太阳能保证率[14]。

由表3可知，系统在
1 ― 4月、1 1 ― 1 2月需要发电机补充的热量，每月日均补充热量分别是474.3、422.6、233.6、130.4、153.0、408.6 MJ，其他月份可利用太阳能加热实现沼气工程中温厌氧发酵。

2.3 沼气发电余热回收系统热负荷
机组废气、烟气的热量可通过热交换系统进行热量回收，对发电余热的回收利用既可以实现沼气发电应用，又可以减少能源的浪费。

发酵库总容积为160 m3，原料体积占发酵池体积的70%，其中原料中固体占30%，液体占70%。

设计发酵温度取35 C,干物质产气率为0.3 m3/kg[15]，设计日理论产气量最少为100 m3,全部用于沼气发电，沼气中甲烷的质量分数约为60%，其余为二氧化碳和水等物质，
按60%CH4 含量计算，1 m3沼气燃烧放热23.85 MJ,沼气燃烧可产生热量Q热=2 385 MJ;沼气发电与烟气回收产生的余热利用率约为45%,则每天发电余热回收为Q余=0.45 X Q热=1 073.3 MJ< 除去水箱和管道等散热损失，发电机组余热每日提供热量Q 剩=596.2 MJ[16-17]，这可以满足1 —4月、11 —12月份发电机每日需要补充的热量。

2.4 库内加热水管计算及系统选型发酵库采用循环增温系统，可经过多次循环实现库内中温发酵。

沼气发酵增温系统通常采用不锈钢管和PERT铝塑管。

不锈钢管导热系数入=15 W/ (m2?K), PERT管导热系入=0.48 W/( m2?K)[18];交换同量热量的条件下，PERT管换
热长是不锈钢管长的10倍，不锈钢管价格却是PERTt的4〜5 倍。

因此，小型沼气工程可采用价格较高的不锈钢管，但在大中型沼气工程中，因供热面积大且需要均匀增温，同时尽可能减少初期投入，宜采用PERT管，根据库内容积4X 4
X 10 m3、以底部为基准每根管路间距300 mm、发酵库壁铺
设9根计算，共需要PERTf长度为250 m。

3增温系统控制器
3.1 控制器程序设计沼气工程系统运行中，库内温度传感器将库内物料温度值传入PLC当温度》35 C时，发电机冷却水内循环，增温系统不工作，当温度[6]蒲小东，邓良伟，尹勇，等. 大中型沼气工程不同加热方式的经济效益分析[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：281-28
4.
[7]邱凌，梁勇，邓媛方，等. 太阳能双级增温沼气发酵系统的增温效果[J]. 农业工程学报，2011(增刊1)：166-171.
[8]秦国栋，楼平，吴湘莲. 太阳能集热、空气源热泵和电加热并联式沼气发酵增温系统研究[J]. 中国农机化学报，
2014，35（5）：187-191，194.
[9]寇巍，郑磊，曲静霞，等. 太阳能与发电余热复合沼气增温系统设计[J]. 农业工程学报，2013，29（24）：211-217.
[10]裴晓梅，石惠娴，朱洪光，等. 太阳能-沼液余热式热泵高温厌氧发酵加温系统[J]. 同济大学学报：自然科学版，2012，40（2）：292-296.
[11]石惠娴，黄超，朱洪光，等. 基于热泵加温系统的沼气池经济保温层厚度确定[J]. 农业工程学报，2012，28（22）：215-221.
[12]卢奇，周建伟. 全国主要城市晴天逐时太阳辐射强度与太阳能集热器最佳倾斜角度的模拟计算[J]. 建筑科学，2012，28
（2）：22-26.
[13]Processing，archiving and distributing earth science data[EB/OL]. [2015-02-10]. https ：
//.
[14]裴晓梅，张迪，石惠娴，等. 太阳能-地源热泵沼气池加热系统集热面积优化[J]. 农业机械学报，2011，42（1）：122-128.
[15]石利军，黄淼，刘慧芬，等. 干物质浓度对牛粪秸秆厌氧发酵产沼气的影响[J]. 农机化研究，2013（8）：208-211，216.
[16]王凤祥，李学刚，蒋贺. 振动炉排秸秆锅炉燃烧优化调整的正交试验及分析[J]. 吉林电力，2010，38（5）：37-39，
47.
[17]林敏. 北方寒冷地区居住区太阳能资源利用[J]. 山西建筑，2010，36（19）：237-238.
[18]石惠娴，王卓，朱洪光，等. 太阳-空气源热泵耦合式沼气池加温系统设计[J]. 建筑节能，2010（10）：28-31.夏永泉，曾莎，李耀斌，等. 基于Android 平台的植物叶片病害区域提取系统设计与实现[J]. 江苏农业科学，2016，44（5）：383-386.。