沼气工程热量衡算

沼气工程热量衡算一.沼气工程需热量计算1.罐体总热损值根据我国的年平均温度，将沼气工程按照东北（0）、北方（10）、南方（15）三个地区考虑。厌氧罐容积（m3）东北（0）北方（10）南方（15）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）30031.211.41.3722.38.10.9817.86.50.7850045.316.51.9832.311.81.4125.99.51.1380062.222.72.7244.416.21.9435.513.01.55100071.726.23.1451.218.72.244115.01.80120081.829.93.5858.421.32.5646.717.02.05150089.232.63.9163.723.32.795118.62.232000114.341.75.0181.629.83.5765.323.82.86（1）厌氧罐罐体的理论热损失值Q1见表1：注：散煤的热值6000kcal/kg，按锅炉实际热效率53%计算，得到煤的热值为6000*4.178*0.53=13280 kJ/kg；散煤价格1200元/吨。（2）由于实际安装过程对保温性能有影响，实际热损失考虑1.6的误差因子，则厌氧罐实际的热损失值见表2：厌氧罐容积（m3）东北（0）北方（10）南方（15）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）30049.918.22.1935.713.01.5628.510.41.2550072.526.53.1751.718.92.2641.415.11.8280099.536.34.3671.025.93.1156.820.72.491000114.741.95.0281.929.93.5965.623.92.871200130.947.85.7393.434.14.0974.727.33.271500142.752.16.25101.937.24.4681.629.83.572000182.966.88.01130.647.75.72104.538.14.582.物料加热所需热量公式：Q=Cmt式中：C=4.2KJ/kg*；m为需要加热的物料量；t为物料升高的温度。进料温度东北按照平均6度计算，北方按照10度计算，南方按照15度计算，对不同地区，不同规模的沼气工程，原料升温至35，物料加热所需热量Q2列于表3：厌氧罐容积（m3）每天进料量（t）东北（0）北方（10）南方（15）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）30015137.550.26.02118.643.35.1994.934.64.1650025229.383.710.04197.772.28.66158.157.76.9280040366.9133.916.07316.3115.413.85253.192.411.09100050458.6167.420.08395.3144.317.31316.3115.413.85120060550.3200.824.10474.4173.220.78379.5138.516.62150075687.9251.130.13593216.425.97474.4173.220.782000100917.1334.740.17790.7288.634.63632.5230.927.73.厌氧罐所需热量厌氧罐所需热量QQ1+Q2+Q3-Q4Q1反应罐总热损失；Q2原料升温所需热量；Q3反应罐内水分蒸发带走的热量；Q4厌氧反应放出的热量。反应罐内水分蒸发带走的热量Q3和厌氧发酵产生的热量Q4，两者都很小，并且相互抵消，可忽略不计。厌氧罐容积（m3）东北（0）北方（10）南方（15）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）每天耗煤（kg）每年耗煤量（t）每年燃煤费（万）300187.468.48.21154.356.36.75123.4455.41500301.8110.213.21249.491.110.92199.572.88.74800466.4170.220.43387.3141.316.96309.9113.113.581000573.3209.325.10477.2174.220.9381.9139.316.721200681.2248.629.83567.8207.324.87454.2165.819.891500830.6303.236.38694.9253.630.4355620324.3520001100.0401.548.18921.3336.340.3573726932.28则厌氧罐所需的总热量Q见表4：二.产值和能耗拐点的计算1.拐点定义产能：沼气工程产生的沼气产值。（即收入）耗能：加热原料所需的费用。（即支出）拐点：当产能与耗能相等时，可以看做拐点，随着沼气工程规模的增大，“耗能/产能”比（即支出/收入比）逐渐增小。说明：（1）拐点计算周期为1年；（2）东北地区、北方地区、南方地区耗能差别较大，需分别计算； （3）调粪水温度不同，耗煤量差别也较大； （4）耗能分燃煤锅炉、燃气锅炉、发电余热回收三种情况； （5）1000m3以上的沼气工程，考虑发电余热回收； （6）发酵温度按35计算，产气率按0.8计算，CSTR工艺停留时间按20天计算；2.沼气工程产值不同规模的沼气工程，所产生沼气产值列于表5：厌氧罐容积（m3）一天产生的沼气量（m3）一年产生的沼气量（m3）一年所产沼气燃烧可提供的热量（KJ）一年产生的沼气产值（万元）30024087600110113200013.1500400146000183522000021.9800640233600293635200035.01000800292000367044000043.81200960350400440452800052.615001200438000550566000065.720001600584000734088000087.6说明：沼气价格1.5元/m3；沼气热值根据标准沼气（CH4含60%）的热值2182OKJ/m3计算。计算过程中，沼气锅炉热效率取80%；考虑热水在循环过程中的热损失等，参照燃煤锅炉，取0.72的校正因子。则沼气可以提供的热值为：2182OKJ/m3*0.8*0.72=12570KJ/m3。3.燃煤锅炉拐点（1）假设煤的价钱为1200元/吨，则支出/收入比见表6：厌氧罐容积（m3）一年产生的沼气产值（万元）东北（0）北方（10）南方（15）每年燃煤费（万）耗能/产能比值每年燃煤费（万）耗能/产能比值每年燃煤费（万）耗能/产能比值30013.18.210.6276.750.5155.410.41350021.913.210.60310.920.4998.740.3998003520.430.58416.960.48513.580.388100043.825.100.57320.900.47716.720.382120052.629.830.56724.870.47319.890.378150065.736.380.55430.430.46324.350.371200087.648.180.55040.350.46132.280.368厌氧罐容积（m3）一年产生的沼气产值（万元）东北（0）北方（10）南方（15）每年燃煤费（万）耗能/产能比值每年燃煤费（万）耗能/产能比值每年燃煤费（万）耗能/产能比值30013.16.840.5225.630.4304.510.34450021.911.020.5039.10.4167.280.3338003517.020.48614.130.40411.320.323100043.820.930.47817.420.39813.930.318120052.624.860.47320.730.39416.580.315150065.730.320.46125.360.38620.290.309200087.640.150.45833.630.38426.90.307（2） 假设煤的价钱为1000元/吨，则支出/收入比见表7：（3）假设煤的价钱为800元/吨，则支出/收入比见表8：厌氧罐容积（m3）一年产生的沼气产值（万元）东北（0）北方（10）南方（15）每年燃煤费（万）耗能/产能比值每年燃煤费（万）耗能/产能比值每年燃煤费（万）耗能/产能比值30013.15.470.4184.690.3583.760.28750021.98.820.4037.580.3466.070.2778003513.620.38911.780.3379.430.269100043.816.740.38214.520.33211.610.265120052.619.890.37817.280.32913.820.263150065.724.260.36921.130.32216.910.257200087.632.120.36728.030.32022.420.256从表中数据对比可以看出，随着燃煤价格的上涨，燃煤锅炉的运行费用已经成为制约沼气工程的关键因素。4.沼气锅炉拐点不同地区、不同规模的沼气工程，通过沼气锅炉提供热量，则需要的沼气量和支出/收入比见下表：（1）东北（0）表9：厌氧罐容积（m3）一天产生的沼气量（m3）每天耗煤（kg）需要热量（kJ/天）每天所需沼气量（m3）耗能/产能比（沼气量比）300240187.424886721980.825500400301.840079043190.797800640466.461937924930.7701000800573.376134246060.7571200960681.290463367200.75015001200830.6110303688780.7312000160011001460800011620.727（2）北方（10）表10：厌氧罐容积（m3）一天产生的沼气量（m3）每天耗煤（kg）需要热量（kJ/天）每天所需沼气量（m3）耗能/产能比（沼气量比）300240154.320491041630.679500400249.433120322630.659800640387.351433444090.6391000800477.263372165040.6301200960567.875403846000.62515001200694.992282727340.61220001600921.3122348649730.608（3）南方（15）表11：厌氧罐容积（m3）一天产生的沼气量（m3）每天耗煤（kg）需要热量（kJ/天）每天所需沼气量（m3）耗能/产能比（沼气量比）300240123.416387521300.543500400199.526493602110.527800640309.941154723270.5121000800381.950716324030.5041200960454.260317764800.5001500120055673836805870.4902000160073797873607790.4875.沼气发电机的余热满足率和经济效率（1）余热满足率发电机组消耗燃料的能量只有约30-35%被发电机组转化为电能，有55以上的热量成为余热。发电机余热一般是从尾气及循环冷却水中回收余热，国外对余热的回收率已经达到80以上，相当于总能量的44以上。发电余热考虑到传热过程中的热损失，被物料所吸收的热量按总能量的27%计算。工程规模过小不宜发电，考虑1000m3以上的工程沼气用来发电，则不同地区、不同规模的发电余热量满足率为：东北（0）表12：厌氧罐容积（m3）全年所需总热量（KJ）一年所产沼气完全燃烧产生的热量（KJ）全年可回收的余热量（KJ）余热满足需热率10002778899760637144000017202888000.61912003301912640764572800020643465600.62515004026084320955716000025804332000.6412000533192000034405776000.645北方（10）表13：厌氧罐容积（m3）全年所需总热量（KJ）一年所产沼气完全燃烧产生的热量（KJ）全年可回收的余热量（KJ）余热满足需热率10002313083840637144000017202888000.74412002752240160764572800020643465600.75015003368319280955716000025804332000.7662000446572536034405776000.770南方（15）表14：厌氧罐容积（m3）全年所需总热量（KJ）一年所产沼气完全燃烧产生的热量（KJ）全年可回收的余热量（KJ）余热满足需热率10001851145680637144000017202888000.92912002201598240764572800020643465600.93815002695043200955716000025804332000.9572000357238640034405776000.963对于大型沼气工程，余热可以满足工程每年一半以上的需热量。发电余热按照国外的吸收能力，余热被物料所吸收的热量按总能量的44%计算。则东北地区发电余热量满足率见表15：厌氧罐容积（m3）全年所需总热量（KJ）一年所产沼气完全燃烧产生的热量（KJ）全年可回收的余热量（KJ）余热满足需热率10002778899760637144000028034336001.00912003301912640764572800033641203201.01915004026084320955716000042051504001.0442000533192000056068672001.052对于大型沼气工程，如果可以将余热充分的回收利用，则基本可以满足加热需要。（2）发电机的经济效率表15：厌氧罐容积（m3）一年产生的沼气量（m3）沼气收入（万元）全年发电量（Kwh）发电收入（万元）回收的余热折算成沼气量（m3）余热折算成支出（万元）余热+发电收入（万元）发电机经济效率100029200043.843800027.597884011.8339.420.90120035040052.652560033.119460814.1947.300.90150043800065.765700041.3911826017.7459.130.90200058400087.687600055.1915768023.6578.840.90说明：沼气按照1.5元/m3计算，电价按0.63元/度计算，发电量按照1.5度/立方米沼气计算，余热折算成沼气计算。6.经济性对比分析厌氧罐容积（m3）东北（0）北方（10）南方（15）燃气锅炉耗能/产能比（沼气量比）燃煤锅炉耗能/产能（支出/收入）燃气锅炉耗能/产能比（沼气量比）燃煤锅炉耗能/产能（支出/收入）燃气锅炉耗能/产能比（沼气量比）燃煤锅炉耗能/产能（支出/收入）3000.8250.7220.6790.5150.5430.4135000.7970.6980.6590.4990.5270.3998000.7700.6790.6390.4850.5120.38810000.7570.6680.6300.4770.5040.38212000.7500.6620.6250.4730.5000.37815000.7310.6490.6120.4630.4900.37120000.7270.6450.6080.4610.4870.368将燃煤锅炉和燃气锅炉的经济性进行分析对比如表16：从表中数据可以看出，燃煤锅炉的经济性好于燃气锅炉。（燃煤价钱按1200元/吨算）三.解决夏季燃煤问题我国大部分地区，夏季的平均气温都在20度以上，因此夏季（6、7、8三月）取室外平均温度25。在此温度下不烧锅炉，可以参考以下分析。1.余热锅炉厌氧罐容积（m3）每天可回收的余热量（KJ）每天实际热损失（KJ）余热用于原料升温的热量（KJ）每天进料量（t）余热可将原料温度提升的度数（）进料需要的温度（）1000471312043517942779415020.414.61200565574449641951593256020.514.51500706968054176165279197520.714.320009426240693688873255210020.814.2余热回收率取27%，利用发电余热可将原料温度提升的度数列于表17： 从表中数据可以看出，当进料温度在表中温度以上时，在夏季发电余热就可将原料升温至35。当进料温度低于表中温度，可建闷晒池将原料预热到相应温度。2.太阳能加热我国大部分地区的太阳能年平均日辐射量在4 kWh/m2.天，常用的太阳能集热器的热效率一般在60%以上。以青岛地区为例，夏季太阳辐射量大约为28000KJ/m2/d，每天可以吸收的太阳能热量为：28000KJ/m2/d *0.6=16800kJ/m2.天进料温度按15度计算，热水的传热效率取70%，则需要的太阳能板面积见表18：厌氧罐容积（m3）每天进料量（t）每天实际热损失（KJ）每天加热原料所需热量（KJ）每天总需热量（KJ）所需太阳能板面积（m2）太阳能板投资（万元）300151893891260000144938929915.4500252749582100000237495848825.2800403776703360000373767076539.71000504351794200000463517994749.312006049641950400005536419113058.815007554176263000006841762139172.7200010069368884000009093688184796.7说明：太阳能集热器的综合价钱按照1000元/m2计算。