沼氣發(fā)酵池動態(tài)熱負(fù)荷特性研究

石惠嫻 徐得天 朱洪光 孟祥真 苗 慧 黃 超

(1.同濟(jì)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院， 上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心， 上海 200092)

沼氣發(fā)酵池動態(tài)熱負(fù)荷特性研究

石惠嫻1徐得天1朱洪光2孟祥真2苗 慧2黃 超2

(1.同濟(jì)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院， 上海 200092； 2.同濟(jì)大學(xué)國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心， 上海 200092)

溫度是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率的關(guān)鍵因素，發(fā)酵池的熱負(fù)荷是沼氣工程加溫系統(tǒng)設(shè)計與選型的基礎(chǔ)，關(guān)系到發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與加溫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。精確計算出發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷，有利于將加溫系統(tǒng)供能側(cè)與發(fā)酵池需能側(cè)匹配，并探索出加溫系統(tǒng)的最佳系統(tǒng)配置和運行策略，以降低能耗和成本。在分析沼氣工程發(fā)酵設(shè)備物理和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，采用逐時累加法計算發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量，得到發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷的全年動態(tài)變化規(guī)律，將穩(wěn)態(tài)算法的時間步長由1個月縮短到1 h，提高了計算精度。研究結(jié)果表明，在(25±1)℃、(30±1)℃和(35±1)℃ 3種不同工況下，熱負(fù)荷的模型計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果相對誤差分別為-5.98%、3.93%和5.39%，對于沼氣工程保溫和增溫設(shè)計具有一定的理論意義和參考價值。

沼氣工程； 發(fā)酵池； 動態(tài)熱負(fù)荷； 逐時累加法

引言

溫度是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率的關(guān)鍵因素，一般沼氣發(fā)酵池需維持在35℃(中溫發(fā)酵)或55℃(高溫發(fā)酵)[1-5]。在沼氣工程中，維持高溫發(fā)酵往往耗能較大，但工程中也有利用可再生能源對沼氣池全年供熱，在冬季使用中溫發(fā)酵，夏季采用高溫發(fā)酵等方案[6-9]。在發(fā)酵池的熱負(fù)荷計算中，寇巍等[10]以中溫發(fā)酵為研究對象，利用每個月的日平均熱負(fù)荷取最大值，計算相匹配的增溫系統(tǒng)熱負(fù)荷。燕紀(jì)倫等[11-12]建立沼氣池加熱數(shù)學(xué)模型時，僅考慮沼氣池維護(hù)散熱，并未計算發(fā)酵液進(jìn)出帶來的熱量消耗。HASSANEIN等[13-14]計算沼氣池?zé)嶝?fù)荷選用能量守恒方法，估測沼氣池一個月的熱負(fù)荷，并以試驗中沼氣池的實際溫度反映輔助加熱設(shè)備的性能，卻未提及動態(tài)的熱負(fù)荷。

精確計算出發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷，有利于將加溫系統(tǒng)與發(fā)酵池匹配，并探索出加溫系統(tǒng)的最佳系統(tǒng)配置和運行策略，以便降低能耗和成本[15-18]。本文在利用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[19]中上海地區(qū)的逐時氣象參數(shù)基礎(chǔ)上，分析沼氣工程發(fā)酵池的物理和數(shù)學(xué)模型，采用逐時累加法計算發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量，以得到發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷的全年動態(tài)變化情況，提高計算精度。

1 發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷的物理模型

發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷定義為在某一室外溫度下，為達(dá)到設(shè)定的發(fā)酵溫度，加溫系統(tǒng)在單位時間內(nèi)需向發(fā)酵池提供的熱量。影響發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷的因素眾多，總體上可分為工藝因素和環(huán)境因素兩大類。工藝因素主要是指厭氧發(fā)酵采用的發(fā)酵原料、發(fā)酵周期、進(jìn)料量、原料溫度等，這些因素將對發(fā)酵池的進(jìn)料負(fù)荷產(chǎn)生較大影響。環(huán)境因素又可分為內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境：內(nèi)部環(huán)境因素主要有生物熱和攪拌熱等，這些因素主要影響發(fā)酵池的內(nèi)熱負(fù)荷；外部環(huán)境因素主要有室外空氣的溫度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速和風(fēng)向等，它們主要影響發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷。將這些因素對發(fā)酵池負(fù)荷的影響過程歸納為3類：發(fā)酵池的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的熱交換過程；伴隨進(jìn)、出料液的熱流過程；發(fā)酵池的內(nèi)熱擾作用過程。

1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與環(huán)境的熱交換過程

發(fā)酵池的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的熱交換過程有3種情況：室外空氣-地上維護(hù)結(jié)構(gòu)-池內(nèi)物料層；室外空氣-地上維護(hù)結(jié)構(gòu)-池內(nèi)沼氣層；地下土壤-地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)-池內(nèi)物料層。這些熱過程涉及導(dǎo)熱、對流、輻射3種基本的換熱方式。熱擾量主要包括室外空氣溫度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速風(fēng)向、地下溫度等。

1.2 進(jìn)、出料液的熱流過程

伴隨進(jìn)、出料液的熱流過程包括伴隨進(jìn)料流入發(fā)酵池內(nèi)的熱量和伴隨出料從發(fā)酵池內(nèi)流出的熱量2部分，流入和流出的熱量差值即為進(jìn)料產(chǎn)生的負(fù)荷。該部分負(fù)荷主要取決于料液的溫度、流量、比熱容。當(dāng)發(fā)酵形式、發(fā)酵原料、發(fā)酵周期、原料含固率等因素確定以后，進(jìn)料負(fù)荷僅與進(jìn)料溫度有關(guān)。

1.3 發(fā)酵池的內(nèi)熱擾作用過程

發(fā)酵池的內(nèi)熱擾主要體現(xiàn)在生物熱擾和攪拌熱擾兩方面。生物熱主要由發(fā)酵物料的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)被微生物分解成水和其他物質(zhì)時釋放出來。攪拌熱擾主要通過兩方面影響發(fā)酵池內(nèi)的熱環(huán)境：一方面，攪拌槳葉攪動物料時會與物料產(chǎn)生摩擦熱，同時攪拌所引起物料間的相互蠕動、摩擦等也會產(chǎn)生熱量，兩者產(chǎn)生的熱量作用于物料上，會使物料增溫；另一方面，攪拌過程中會加速池內(nèi)物料流動，從而強(qiáng)化了池壁與物料的對流換熱過程。該因素對發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷影響較小，予以忽略。

2 發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)物理模型可知發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷主要由三部分構(gòu)成：進(jìn)、出物料的熱負(fù)荷；發(fā)酵池外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱耗散引起的熱負(fù)荷；沼氣帶走的熱量以及內(nèi)熱擾負(fù)荷。在此基礎(chǔ)上，主要針對前兩部分建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計算研究。

2.1 進(jìn)料負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型

伴隨發(fā)酵原料流入和流出發(fā)酵池的熱量差值即為進(jìn)料負(fù)荷。該部分負(fù)荷主要取決于料液的溫度、流量、比熱容。當(dāng)發(fā)酵形式、發(fā)酵原料、發(fā)酵周期、原料含固率等因素確定以后，進(jìn)料負(fù)荷僅與進(jìn)料溫度和回流溫度損失有關(guān)。

2.1.1 進(jìn)料溫度逐月變化情況

由于進(jìn)料溫度變化不大，可用月平均溫度估算原料負(fù)荷?；亓鳒囟葥p失是指從發(fā)酵池溢流出來的上清液流到混料池過程中的溫度損失值。這2個參數(shù)可參照當(dāng)?shù)仄渌託夤こ虒崪y值或根據(jù)當(dāng)?shù)孛吭碌乃礈囟群驼右夯亓鞅裙浪?，?shù)據(jù)為上海市崇明區(qū)某沼氣工程實測值。具體數(shù)值如表1所示。

表1表明，一般情況下在冬季月平均進(jìn)料溫度比室外月平均干球溫度高2℃左右；在春秋季，月平均進(jìn)料溫度基本與室外月平均干球溫度持平；在夏季，月平均進(jìn)料溫度比室外月平均干球溫度低3℃左右。另外，隨著室外氣溫的降低，回流液的溫度損失逐漸增大，但基本上都小于5℃。

表1 上海某沼氣工程進(jìn)料溫度逐月變化Tab.1 Changes of temperature for raw material from one biogas engineering in Shanghai ℃

2.1.2 進(jìn)料熱負(fù)荷計算

為回收部分上清液中的熱量，進(jìn)料時采用高濃度原料和低濃度上清液混合至設(shè)計濃度，然后再送至發(fā)酵池中。因此，進(jìn)料負(fù)荷包括兩部分：原料負(fù)荷和回流液熱損失。計算公式為

q1=q1，yl+q1,hl=MylCp(Td-Tyl)+MhlCpΔThl

(1)

其中

Cp=4.17(1-0.008 12Ts)

式中q1,yl——原料負(fù)荷，MJq1,hl——回流液熱損失，MJMyl、Mhl——發(fā)酵進(jìn)料、回流液質(zhì)量流量，kg/dCp——發(fā)酵原料比熱容Ts——料液含固率Td、Tyl——發(fā)酵設(shè)計溫度、進(jìn)料溫度，℃ΔThl——回流溫度損失，℃

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型

圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷，是指發(fā)酵池內(nèi)的高溫沼液通過導(dǎo)熱、對流、輻射等方式向外界低溫環(huán)境散失的熱量，主要受內(nèi)部因素和外部因素的綜合影響。內(nèi)部因素包括：發(fā)酵池形狀、尺寸，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，保溫情況、發(fā)酵設(shè)計溫度等；外部因素包括室外空氣溫度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速風(fēng)向、地下溫度等氣象參數(shù)。外部因素變化較為復(fù)雜，是計算發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷的難點。

發(fā)酵池全年都具有熱負(fù)荷，基本無冷負(fù)荷，在夏天為了維持發(fā)酵池的高效產(chǎn)氣，也會對發(fā)酵池進(jìn)行加熱，通常采用高溫發(fā)酵(發(fā)酵溫度55℃)。傳統(tǒng)發(fā)酵池的熱負(fù)荷采用穩(wěn)態(tài)算法[5]，即計算每個月的平均熱負(fù)荷，再取最大值作為熱負(fù)荷的計算值。該方法時間步長為一個月，并不能反映發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷全年的動態(tài)變化。針對以上問題，提出利用逐時累加法來計算發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量，反映發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷的全年動態(tài)變化情況。

通過典型氣象年參數(shù)得到上海地區(qū)全年逐時氣象參數(shù)，建立發(fā)酵池負(fù)荷率同室外干球溫度的關(guān)系，得到全年逐時負(fù)荷率；計算發(fā)酵池在設(shè)計工況(最冷月平均氣溫)下的滿負(fù)荷；最后將這一負(fù)荷乘以全年逐時的負(fù)荷率，得到全年逐時負(fù)荷，累加后得到全年總負(fù)荷。即將穩(wěn)態(tài)算法的時間步長縮短為1 h。

2.2.1 發(fā)酵池動態(tài)負(fù)荷率

影響發(fā)酵池負(fù)荷的外部因素包括室外空氣干球溫度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速風(fēng)向、地下溫度等，其中室外空氣干球溫度最重要。通常在系統(tǒng)設(shè)計時會采用最冷月平均氣溫來計算高峰負(fù)荷，此方法會導(dǎo)致系統(tǒng)長期運行在低負(fù)荷下。要分析加熱系統(tǒng)全年的運行特性和運行策略就必須得到發(fā)酵熱負(fù)荷的全年動態(tài)變化情況，這里引入發(fā)酵池動態(tài)負(fù)荷率的概念。建立發(fā)酵池負(fù)荷率同室外干球溫度的關(guān)系，用以描述發(fā)酵池?zé)嶝?fù)荷率的全年逐時變化情況。上海地區(qū)室外干球溫度全年逐時變化如圖1所示。

圖1 上海地區(qū)室外干球溫度全年逐時變化Fig.1 Annual change of dry bulb temperature in Shanghai

取當(dāng)?shù)刈罾湓率彝飧汕驕囟绕骄底鳛榘l(fā)酵池滿負(fù)荷下的室外計算溫度。當(dāng)室外氣溫低于這一溫度時，認(rèn)為發(fā)酵池加熱系統(tǒng)是滿負(fù)荷運行，即負(fù)荷率為1；當(dāng)室外氣溫高于發(fā)酵設(shè)計溫度時，認(rèn)為發(fā)酵池加熱系統(tǒng)的負(fù)荷率為零。由此得到發(fā)酵池加熱系統(tǒng)的負(fù)荷率計算公式為

X(Ti)=(Td-Ti)/(Td-Tc)×100%

(2)

式中Ti——全年室外干球溫度逐時值，℃Td——發(fā)酵設(shè)計溫度，℃Tc——發(fā)酵池滿負(fù)荷室外計算溫度，℃

圖1中橫坐標(biāo)時間是從冬季1月1日起算的累計時間。由圖1可以看出，上海地區(qū)最冷月為1月份，1月份的月平均氣溫為4.5℃，因此上海地區(qū)的發(fā)酵池滿負(fù)荷室外計算溫度即為4.5℃。另外，中溫發(fā)酵的發(fā)酵溫度范圍為28～38℃，一般取35℃。通過計算得到上海地區(qū)發(fā)酵池負(fù)荷率全年逐時變化如圖2所示。

圖2 上海地區(qū)發(fā)酵池負(fù)荷率全年逐時變化Fig.2 Annual change of load rate of fermentation tank in Shanghai

圖2中橫坐標(biāo)時間是從冬季1月1日起，春季3月1日、夏季6月1日、秋季9月1日、冬季12月1日之后算的累計時間。由圖2可以看出，上海地區(qū)發(fā)酵池夏季的負(fù)荷率基本處于0.4以下，春、秋季維持在0.4～0.8 之間，只有冬季的負(fù)荷率基本都在0.8以上。將計算得到的全年逐時負(fù)荷率進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計，可以得到不同負(fù)荷率段在全年出現(xiàn)的小時數(shù)，具體如圖3所示。

圖3 上海地區(qū)全年負(fù)荷率頻數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Statistical chart of annual load rate in Shanghai

從圖3中可以看出，全年負(fù)荷率低于0.2的時間比較少，因此加熱設(shè)備需常年運行，沒有閑置期；負(fù)荷率分布在0.2～0.5之間的時間最長，且主要是夏季和秋季，考慮到全年中這2個季節(jié)的太陽輻射強(qiáng)度最大，在確定太陽能集熱器面積時，可選取太陽能保證率為50%左右，在夏、秋兩季主要依靠太陽能集熱器收集的熱量為發(fā)酵池加熱；冬季的發(fā)酵池負(fù)荷率基本都在0.8以上，發(fā)酵池的熱負(fù)荷比較大，可以選擇適當(dāng)降低發(fā)酵溫度，以犧牲部分沼氣產(chǎn)量來降低熱負(fù)荷，實現(xiàn)熱泵間歇性運行。

2.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)

發(fā)酵池的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成發(fā)酵池封閉空間并與外界環(huán)境直接接觸的部分，主要由發(fā)酵池池體、保溫層以及保護(hù)層組成，其中發(fā)酵池體又分為頂膜、池壁和池底3部分。發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳遞分區(qū)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部放大如圖4、5所示。

圖4 發(fā)酵池?zé)醾鬟f分區(qū)Fig.4 Heat transfer zone of digester1.進(jìn)料口 2.地面 3.發(fā)酵池底 4.發(fā)酵池壁 5.頂膜

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部放大Fig.5 Partial enlargement of retaining structure1.保護(hù)層 2.保溫層 3.發(fā)酵池底

當(dāng)發(fā)酵池位于地面以上時，根據(jù)傳熱機(jī)理不同，發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的熱交換可細(xì)分為4個區(qū)域：池外空氣-頂膜-沼氣層、池外空氣-池壁-沼氣層、池外空氣-池壁-沼液層、土壤-池底-沼液層。如圖4所示，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩邊的流體均為氣相，Ⅲ區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩邊分別為液相和氣相，Ⅳ區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩邊分別為液相和固相，且前3個區(qū)域的熱傳遞以對流和導(dǎo)熱為主，輻射為輔，Ⅳ區(qū)則主要為導(dǎo)熱。由于各個區(qū)域傳熱機(jī)理不同且影響因素眾多，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的確定非常復(fù)雜，在工程設(shè)計中，可對其做合理的簡化，為此，提出綜合傳熱系數(shù)的概念[20]。綜合傳熱系數(shù)Kz定義為

(3)

式中Kz——綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·K)Ki——頂膜、側(cè)壁(沼氣層、沼液層)和池底的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)(i=1為頂膜，i=2為沼氣層側(cè)壁，i=3為沼液層側(cè)壁，i=4為發(fā)酵池池底)，W/(m2·K)

Fi——頂膜、側(cè)壁(沼氣層、沼液層)和池底對應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2

通常情況下保護(hù)層很薄，可忽略其對傳熱的影響。發(fā)酵池各個分區(qū)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)Ki的計算公式為

(4)

式中R——總熱阻，(m2·K)/Wα1——發(fā)酵池池體與氣體的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

α2——發(fā)酵池池體與液體的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

λi、λE——發(fā)酵池池體、保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

δi、δE——發(fā)酵池池體、保溫層厚度，m

2.2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)動態(tài)散熱負(fù)荷的計算

設(shè)計工況滿負(fù)荷定義為在發(fā)酵池設(shè)計溫度下，室外氣溫為最冷月平均氣溫時，發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)在1 h內(nèi)的散熱量。具體計算公式為

qh=0.003 6KzA(Td-Tc)

(5)

式中qh——設(shè)計工況負(fù)荷，MJA——發(fā)酵池總表面積，m2

將得到的設(shè)計工況負(fù)荷乘以發(fā)酵池全年逐時負(fù)荷率，便可得到發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐時動態(tài)負(fù)荷，計算公式為

q2,i=qhX(Ti)

(6)

式中q2,i——第i小時圍護(hù)結(jié)構(gòu)動態(tài)負(fù)荷，MJ

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型

在計算發(fā)酵池全年進(jìn)料負(fù)荷時，通常取月平均原料溫度逐天進(jìn)行計算后累加得到，而計算發(fā)酵池全年圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷時，則是將散熱負(fù)荷逐時累加后得到。將發(fā)酵池年總進(jìn)料熱負(fù)荷與圍護(hù)結(jié)構(gòu)年總散熱量兩項疊加即可得到發(fā)酵池的全年熱負(fù)荷的計算公式

(7)

3 試驗與模型驗證

通過具體試驗探究沼氣工程加溫負(fù)荷特性，并驗證加溫負(fù)荷模型的準(zhǔn)確性。太陽能熱泵加溫厭氧發(fā)酵試驗臺如圖6所示，其中發(fā)酵池形狀參數(shù)為：發(fā)酵池直徑D1=2.72 m，發(fā)酵池高度H=2.52 m，沼液深度D2=2.12 m，沼液體積V1=12.32 m3，發(fā)酵池體積V2=15 m3，沼液區(qū)側(cè)壁面積S1=18.12 m2，沼氣區(qū)側(cè)壁面積S2=3.42 m2，發(fā)酵池底面積S3=5.81 m2，發(fā)酵池頂面積S4=5.81 m2，發(fā)酵池表面積S5=33.154 m2。

圖6 基于太陽能熱泵加溫的厭氧發(fā)酵試驗臺Fig.6 Anaerobic fermentation experiment platform based on solar energy heat pump heating

3.1 加溫負(fù)荷試驗

試驗設(shè)計工況為(25±1)℃、(30±1)℃和(35±1)℃，每天總進(jìn)料量為750 kg，進(jìn)料時間為10:00—10:30之間。本文選取2015年11月9日發(fā)酵溫度為(25±1)℃、11月14日為(30±1)℃、11月27日為(35±1)℃這3個試驗工況，通過試驗數(shù)據(jù)計算在這3 d內(nèi)發(fā)酵池的總負(fù)荷。在這3 d內(nèi)發(fā)酵池的沼液平均溫度和室外環(huán)境溫度變化情況如圖7所示。

圖7 發(fā)酵池內(nèi)與環(huán)境溫度對比Fig.7 Comparison of temperature in fermentation tank and environment

從圖7中可以看出由于進(jìn)料的原因，在10:00—10:30發(fā)酵池內(nèi)溫度有0.5～1℃的驟降，但采取加溫措施以后，(25±1)℃、(30±1)℃和(35±1)℃工況下池內(nèi)溫度分別在1.5 h、2 h和3 h內(nèi)恢復(fù)到進(jìn)料前溫度。在加溫過程中，發(fā)酵池內(nèi)溫度逐漸回升，加溫停止以后，由于熱量傳遞具有延遲性，池內(nèi)溫度還會上升一段時間，待達(dá)到最高溫度時，開始逐步下降。對試驗日環(huán)境溫度的實時監(jiān)測表明：13:00附近氣溫最高，01:00—05:00氣溫較低；逐時溫度以及日平均溫度從大到小順序為11月27日、11月14日、11月9日。在池頂不采取保溫措施的情況下，不同發(fā)酵溫度工況加溫負(fù)荷計算結(jié)果如表2所示。表2表明，總加溫負(fù)荷與發(fā)酵池內(nèi)溫度、環(huán)境溫度以及料液溫度密切相關(guān)，且池內(nèi)外溫差越大，加溫負(fù)荷越大；另外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷占總加溫負(fù)荷的65%以上。因此做好發(fā)酵池池體保溫，減少熱量損失，是降低發(fā)酵池加溫負(fù)荷的關(guān)鍵。

表2 試驗當(dāng)天不同發(fā)酵溫度下加溫負(fù)荷Tab.2 Heating load of different fermentation’s temperature on the day of experiment

3.2 數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果

發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)如表3所示。

表3 發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)Tab.3 Envelope thermal parameters of digester

由式(3)和式(4)結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)，計算得到當(dāng)發(fā)酵池池壁和池底保溫、頂膜不保溫的情況下，發(fā)酵池圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)為2.240 W/(m2·K)。

由《中國氣象參數(shù)集》中上海地區(qū)的氣象參數(shù)可知，上海地區(qū)最冷月平均氣溫為4.5℃，以該溫度為滿負(fù)荷室外計算溫度由式(5)得到，在發(fā)酵設(shè)計溫度分別為35、30、25℃時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計工況散熱負(fù)荷分別為8.153、6.816、5.480 MJ。

由式(2)和試驗3 d的室外逐時平均溫度得到這3 d的逐時負(fù)荷率如表4所示，再結(jié)合式(6)便可以得到這3 d內(nèi)的逐時負(fù)荷，分別累加后得到11月9日、11月14日和11月27日的當(dāng)日圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱總負(fù)荷分別為70.06、92.27、109.39 MJ。

表4 試驗工況下逐時負(fù)荷率Tab.4 Statistics of hourly load rate under test conditions

試驗3 d的進(jìn)料量均為750 kg，其中原料100 kg，回流液650 kg，由式(1)和表1中的數(shù)據(jù)，在不考慮回流液混合的情況下得到，在發(fā)酵設(shè)計溫度分別為35、30、25℃時，11月份平均每天的進(jìn)料負(fù)荷分別為32.76、48.51、64.26 MJ/d。綜上，在發(fā)酵設(shè)計溫度分別為35、30、25℃時，試驗3 d發(fā)酵池的總熱負(fù)荷分別為102.82、140.78、173.65 MJ。

3.3 試驗結(jié)果與模型對比

將試驗實際得到的發(fā)酵池負(fù)荷與由負(fù)荷模型計算得到的發(fā)酵池負(fù)荷進(jìn)行對比，結(jié)果如表5所示。

表5中，(30±1)℃和(35±1)℃工況下模型計算得到的負(fù)荷略大于試驗測量出來的負(fù)荷，(25±1)℃工況下則略小于試驗測量結(jié)果。原因可能有以下幾點：模型中采用的進(jìn)料溫度為11月份的平均進(jìn)料溫度，而試驗中為當(dāng)天實測值，這造成了一定的偏差；模型計算時認(rèn)為發(fā)酵池內(nèi)溫度恒為發(fā)酵設(shè)計溫度，而試驗中發(fā)酵池內(nèi)的溫度一直會有波動且當(dāng)天的平均溫度也不等于發(fā)酵設(shè)計溫度；模型中忽略了頂膜氣密性與發(fā)酵池體進(jìn)出管道的散熱?？傮w來說，本文建立的數(shù)學(xué)模型具有較高的準(zhǔn)確性，模型計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果相對誤差的絕對值不超過6%，可以用于指導(dǎo)工程設(shè)計。

表5 試驗結(jié)果與模型結(jié)果對比Tab.5 Results comparison of experiment and model

4 結(jié)束語

在計算發(fā)酵池動態(tài)熱負(fù)荷時，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與環(huán)境的熱交換過程和進(jìn)、出料液的熱流過程兩方面因素，利用綜合傳熱系數(shù)簡化發(fā)酵池負(fù)荷的計算方法，采用散熱負(fù)荷逐時累加后得到全年圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷，將穩(wěn)態(tài)算法的時間步長由一個月縮短到1 h，建立了發(fā)酵池全年動態(tài)熱負(fù)荷模型。經(jīng)試驗結(jié)果驗證，在(25±1)℃、(30±1)℃和(35±1)℃ 3種不同工況下，總熱負(fù)荷的模型計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果相對誤差分別為-5.98%、3.93%和5.39%，說明該模型具有較高的準(zhǔn)確性，能夠反映出發(fā)酵池全年動態(tài)熱負(fù)荷情況，避免系統(tǒng)長時間運行在部分負(fù)荷下，對沼氣工程保溫和增溫設(shè)計具有一定借鑒意義。

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Dynamic Thermal Load Characteristics in Anaerobic Digester

SHI Huixian1XU Detian1ZHU Hongguang2MENG Xiangzhen2MIAO Hui2HUANG Chao2
(1.NewRuralDevelopmentInstitute,TongjiUniversity,Shanghai200092,China2.NationalEngineeringResearchCenterofProtectedAgriculture,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Temperature is the critical factor affecting biogas production rate. Anaerobic digester is the heating object in biogas engineering, the heat load of fermentation tank is the basis of biogas project design and selection of heating system, which is related to the stability of anaerobic digest system and economy of heating system. Therefore, it is vital to define the heat load characteristics of the fermentation tank. The average temperature of the fermentation tank was calculated, and then the digester’s heating load was figured out, the maximum value was regarded as the system’s thermal load. This method was simple, however, which made the result deviated practical situation greatly. To accurately calculate the heat load of the fermentation tank, it was advantageous to match the heating system with the fermentation tank, and explore the optimal system configuration and operation strategy of the heating system in order to reduce the energy consumption and cost. The hourly meteorological parameters of special meteorological data set for analysis of thermal environment of building in China in the Shanghai area was used, based on the analysis of physical and mathematical model of fermentation of biogas project, the hourly accumulation of fermentation pool enclosure structure heat dissipation was calculated, and annual dynamic changes of fermentation pool heat load was obtained, which can be used to guide the design of heating system of fermentation tank. The essence of this method was to make steady algorithm time step shortened from a month to 1 h, which enhanced the calculation precision obviously. Results showed that under the three different conditions, the relative errors of heat load model and experimental measurement were -5.98%, 3.93% and 5.39%, respectively. Thus, dynamic heat load model was of high precision, and it was acceptable to be applied to guide engineering design and operation, avoid the long time operation of the system under partial load, which had theoretical significance and reference value for the design and operation of biogas engineering.

biogas engineering; digester; dynamic heat load; hourly accumulation calculation

2016-12-28

2017-01-17

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2013AA103006-02)

石惠嫻(1969—)，女，副教授，博士，主要從事可再生能源在農(nóng)業(yè)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用研究，E-mail: huixian_shi@#edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.037

S216.4； TK124

A

1000-1298(2017)05-0296-08