Fallstudie: Återvinning av spillvärme från biogaskraftverk för anaerob rötkammareisolering

 

I. Projektöversikt

Det här projektet ligger i en stor-industripark för boskap och fjäderfäuppfödning i Bayern, Tyskland. Den är utrustad med ett medelstort-biogaskraftverk och ett anaerobt jäsningssystem, vars kärnfunktion är att behandla boskaps- och fjäderfägödsel och uppfödningsavloppsvatten som genereras av-storskaliga gårdar i parken. Biogas produceras genom anaerob jäsning för kraftgenerering, samtidigt som resursutnyttjande av avfall och miljövänliga utsläpp realiseras. Projektets totala reningsskala är 120 ton boskaps- och fjäderfägödsel och 300 kubikmeter avloppsvatten per dag, utrustad med 2 uppsättningar av 100kW biogasgeneratorer och 8 bioniska intestinala anaeroba kokare med en volym på 2000 kubikmeter vardera. Jäsningsråvarorna kommer in i de anaeroba kokarna efter förbehandling och biogas produceras genom mikrobiell metabolism vid lämplig temperatur. Efter reningsbehandling skickas biogasen till generatoraggregaten för elproduktion. All spillvärme som genereras under kraftgenereringsprocessen återvinns och används för konstant temperaturisolering av de anaeroba kokarna, vilket bildar ett sluten-energiutnyttjandesystem av "anaerob jäsning för biogasproduktion - biogaskraftgenerering - spillvärmeåtervinning för isolering - förbättring av jäsningseffektivitet".

Innan projektgenomförandet antog vinterisoleringen av de anaeroba kokarna huvudsakligen metoden för elektrisk uppvärmning med hjälp av ångpanneuppvärmning, som hade problemen med hög energiförbrukning, instabil isoleringseffekt, hög driftkostnad och allvarligt energislöseri. Speciellt i den kalla och fuktiga vintermiljön i Bayern var temperaturen inuti de anaeroba kokarna svår att stabilt hålla inom lämpligt intervall för mesofil jäsning, vilket resulterade i stora fluktuationer i biogasproduktionen och påverkade kraftproduktionens effektivitet. För att lösa ovanstående smärtpunkter introducerade projektet biogaskraftsgenereringsteknik för återvinning av spillvärme, och speciellt utvalda Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd. (VRCOOLER) - en ledande tillverkare av industriell värmeväxlingsutrustning - för att designa och producera kärnavfallsvärmeåtervinningsenheterna. Dessa spillvärmeåtervinningsenheter antar flänsförsedda rörstrukturer, som effektivt kan utöka värmeväxlingsområdet och förbättra värmeåtervinningseffektiviteten, vilket säkerställer effektiv återvinning av rökgasspillvärme och cylindermantelvattenspillvärme som genereras under driften av generatoraggregaten för isolering av anaeroba rötkammare, vilket realiserar kaskadenergiutnyttjande, minskar driftskostnaderna och förbättrar systemets stabilitet.

II. Kärnteknik och processdesign

(I) Grundläggande teknisk princip

När biogasgeneratoraggregatet är i drift omvandlas endast 35%-42% av energin som genereras av bränsleförbränning till elektrisk energi, och resterande 58%-65% av energin försvinner i form av rökgasspillvärme (temperatur upp till 600 grader) och cylindermantelvattenspillvärme (temperatur ca 90 grader). Direkta utsläpp orsakar inte bara energislöseri utan ökar också termisk miljöförorening. Under den anaeroba fermenteringsprocessen är mikrobiell aktivitet känslig för temperatur. Vid mesofil jäsning (35-40 grader) är metanogenaktiviteten optimal, och biogasproduktion och jäsningseffektivitet är högst. Däremot är omgivningstemperaturen låg på vintern, och de anaeroba kokarna avleder värme snabbt, vilket kräver kontinuerlig värmetillförsel för att hålla en konstant temperatur inuti kokarna. Genom spillvärmeåtervinningssystemet återvinner och utbyter detta projekt spillvärmen som försvinner under elproduktionen, transporterar den sedan till de anaeroba kokarna för att tillhandahålla en stabil värmekälla, som ersätter de traditionella metoderna för elektrisk uppvärmning och ångpanneuppvärmning, och uppnår målen om "energiåtervinning, kostnadsreduktion och effektivitetsökning samt miljöskydd och energibesparing".

(II) Sammansättning av processsystem

Spillvärmeåtervinningen och isoleringssystemet för anaeroba kokare i detta projekt består huvudsakligen av 4 delar, som fungerar synergistiskt för att säkerställa effektiv spillvärmeåtervinning, stabil transport och exakt temperaturkontroll av de anaeroba kokarna enligt följande:

Biogas Power Generation System: Två 100kW gasgeneratorset används, som använder biogas producerad av anaeroba rötkammare som bränsle. Efter reningsbehandlingar som avsvavling och uttorkning skickas biogasen till generatoraggregaten för förbränning och kraftgenerering. Varje enhet förbrukar 48 kubikmeter biogas per timme, med en kraftgenereringseffektivitet på 42 %, och genererar en stor mängd spillvärme (den maximala spillvärmen för en enskild enhet är 286kW), vilket ger en stabil källa för spillvärmeåtervinning. Generatorerna är utrustade med avsvavlingsanordningar för biogas, som effektivt kan ta bort svavelväte i biogas, undvika korrosion av utrustningen och säkerställa en stabil-långsiktig drift av systemet.

System för spillvärmeåtervinning: Kärnutrustningen inkluderar rökgasvärmeväxlare, cylindermantelvattenvärmeväxlare och cirkulationspump, som alla är designade och tillverkade av VRCOOLER (Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd.), ett professionellt företag med rik erfarenhet av värmeväxlarutrustning FoU och produktion, som innehar ISO 9001 internationell kvalitetssystemcertifiering. Systemet antar en design med "dubbel-slinga värmeväxlare", och kärnvärmeväxlarnas komponenter i spillvärmeåtervinnarna är flänsförsedda rörstrukturer - flänsrören är gjorda genom att spiralformigt linda fenremsor runt rörets omkrets, med korrugerade fenor på ytterväggen för att avsevärt öka värmeväxlingsarean och förbättra värmeöverföringsprestanda. Å ena sidan återvinns den höga-rökgasavfallsvärmen som släpps ut från generatoraggregaten genom VRCOOLER flänsförsedda rökgasvärmeväxlare, som värmer upp det cirkulerande mediet (en blandning av frostskyddsmedel och vatten) till cirka 58 grader; å andra sidan återvinns generatoruppsättningarnas överskottsvärme från cylindermanteln genom VRCOOLER flänsrörscylindermantelvattenvärmeväxlare, vilket ytterligare ökar temperaturen på det cirkulerande mediet till över 65 grader, vilket säkerställer att värmekällans temperatur uppfyller isoleringsbehoven för de anaeroba kokarna. VRCOOLER spillvärmeåtervinningssystem är utrustat med en intelligent temperaturkontrollanordning, som automatiskt kan justera värmeväxlingseffektiviteten enligt rökgastemperaturen och cirkulationsmediets temperatur, vilket minskar spillvärmeförlusten. Tester visar att systemets spillvärmeåtervinningseffektivitet är mer än 85 %, vilket helt kan återvinna spillvärmeresurserna som genereras under elproduktion, tack vare den utmärkta värmeöverföringsprestanda hos flänsrörsstrukturen och VRCOOLERs professionella design.

Anaerobic Digester isoleringssystem: Alla 8 anaeroba rötkammare antar en strukturell design av "intern spoleuppvärmning + externt isoleringsskikt". Hög-temperatur- och korrosionsbeständiga-slingor läggs runt kokarnas innervägg, och det cirkulerande mediet utbyter värme med jäsningsvätskan i kokarna genom spolarna för att uppnå en jämn temperaturökning inuti kokarna; ett 15 cm tjockt isoleringsskikt av skumcement läggs på kokarnas yttervägg. Skummad cement har god värmeisoleringsförmåga, vilket effektivt kan minska värmeförlusten inuti kokarna. Enligt numeriska simuleringsberäkningar, under detta isoleringsschema, kan den totala värmeförlusten för de anaeroba kokarna kontrolleras inom 428,24MJ·d⁻¹, vilket säkerställer en stabil isoleringseffekt. Samtidigt antar de anaeroba kokarna en bionisk tarmstruktur, som inte kräver mekaniska omrörningsanordningar, har en enkel struktur och låg energiförbrukning och kan realisera dynamisk separation av varje jäsningssteg och förbättra jäsningseffektiviteten.

Intelligent kontrollsystem: Ett intelligent PLC-styrsystem används för att-övervaka mer än 200 indikatorer i realtid, såsom temperaturen på jäsningsvätskan i de anaeroba kokarna, temperaturen på det cirkulerande mediet, rökgastemperaturen och generatoraggregatens driftsparametrar. Cirkulationspumpens hastighet och spillvärmeväxlingseffektiviteten justeras automatiskt genom förinställda program för att säkerställa att temperaturen inuti de anaeroba kokarna hålls stabilt vid det optimala jäsningsintervallet på 35±0,5 grader. När temperaturen inuti kokarna är lägre än det förinställda värdet, ökar systemet automatiskt leveransvolymen för spillvärme; när temperaturen är högre än det förinställda värdet minskar den automatiskt spillvärmeleveransvolymen. Samtidigt kan överskottsspillvärmen användas för uppvärmning i förbehandlingsstadiet av jäsningsråvaror, för att realisera kaskadspillvärmeutnyttjande och förbättra energiutnyttjandeeffektiviteten.

(III) Nyckelprocessoptimering

1. Optimering av spillvärmeväxling: Genom den numeriska simuleringsmetoden för beräkningsvätskedynamik (Fluent) simuleras och analyseras temperaturfältet inuti den anaeroba kokaren, och spolens layoutdensitet och värmeväxlingsväg optimeras för att säkerställa enhetlig temperaturfördelning inuti kokarna, vilket undviker överdriven eller otillräcklig lokal temperatur som påverkar mikroberoende temperatur. Samtidigt fastställs att isoleringseffekten är optimal när varmluftstemperaturen är 35 grader.

2. Val av isoleringsmaterial: Efter att ha jämfört prestanda för olika isoleringsmaterial väljs skumcement som material för det yttre isoleringsskiktet i de anaeroba kokarna. Detta material har fördelarna med god isoleringseffekt, låg kostnad, korrosionsbeständighet, miljöskydd och icke-toxicitet. Jämfört med traditionella polyuretanisoleringsmaterial kan det minska isoleringskostnaden med mer än 15% och minska miljöpåverkan.

3. Cirkulationssystemoptimering: Ett cirkulationssystem med sluten-slinga används och det cirkulerande mediet kan återanvändas för att minska vattenresursförbrukningen. Samtidigt installeras filter och avkalkningsanordningar i cirkulationsrörledningen för att förhindra blockering och skalning av rörledningen, förlänga utrustningens livslängd och minska drift- och underhållskostnaderna.

 

III. Projektgenomförandeprocess

(I)Förberedande skede (1-2 månader)

Ett tekniskt team organiserades för att genomföra-undersökningar av projektet på plats. I kombination med skalan på de anaeroba kokarna, parametrarna för generatoraggregaten och de lokala klimatförhållandena i Bayern, optimerades designschemat för spillvärmeåtervinningssystemet i samarbete med VRCOOLERs tekniska team, och modellen av VRCOOLER lamellrörsvärmeväxlare, spollayoutschema, specifikationer för isoleringsmaterial och intelligenta styrsystemsparametrar bestämdes; kärnutrustning såsom VRCOOLER flänsrör rökgasvärmeväxlare, VRCOOLER cylindermantel vattenvärmeväxlare, cirkulationspumpar, skumcementisoleringsmaterial och intelligenta temperaturkontrollinstrument köptes för att säkerställa att utrustningens kvalitet uppfyller de tekniska kraven - VRCOOLERs värmeväxlare använder hög-material av hög-kvalitet för korrosionsfria stål och en högkvalitetsstål och en högkvalitativ kvalitet av stål och stål. motstånd och hög-temperaturbeständighet, anpassning till den tuffa arbetsmiljön med hög-rökgas- och cylindermantelvatten; teknisk utbildning gavs till byggpersonal för att förtydliga byggprocessen, säkerhetsspecifikationer och kvalitetsstandarder, med fokus på att träna installationsfärdigheterna för VRCOOLER flänsrör avfallsvärmeåtervinningssystem och isoleringskonstruktionen av de anaeroba kokarna.

(II) Installation och konstruktion av utrustning (3-4 månader)

1. Installation av spillvärmeåtervinningssystem: Först installerades VRCOOLER flänsrör rökgasvärmeväxlare och VRCOOLER flänsrör cylindermantel vattenvärmeväxlare fast i enlighet med tillverkarens specifikationer och på{1}}designkraven. Rökgasrörledningen och cylindermantelns vattenledning mellan värmeväxlarna och generatoraggregatet var anslutna, och rörledningens tätningsbehandling gjordes för att förhindra spillvärmeläckage - VRCOOLER flänsrörsvärmeväxlarna är utrustade med korrosionsbeständiga-belagda slingor, som effektivt kan motstå korrosionen av den sura gasen i det sura ämnet. lång-stabil drift. Sedan installerades cirkulationspumpen och cirkulationsrörledningen, det intelligenta temperaturstyrningsinstrumentet kopplades till PLC-styrsystemet och idrifttagningen av utrustningen slutfördes i samarbete med VRCOOLERs tekniska kundteam för-efterförsäljning för att säkerställa normal drift av spillvärmeåtervinningssystemet och ge full nytta av värmeöverföringsfördelarna med flänsrörsstrukturen.

2. Isoleringskonstruktion av anaeroba rötkammare: Först rengjordes och avrostades ytterväggen på de anaeroba rötkammare, sedan lades det skummade cementisoleringsskiktet för att säkerställa att isoleringsskiktet var enhetligt i tjocklek, fritt från skador och urholkning; hög-temperatur- och korrosionsbeständiga-slingor lades på kokarnas innervägg, anslutna till cirkulationsrörledningen, och ett vattentryckstest utfördes för att säkerställa att slingorna inte läcker; temperatursensorer inuti kokarna installerades och kopplades till det intelligenta styrsystemet för att realisera temperaturövervakning i realtid-.

3. Systemkopplingsdriftsättning: Efter att installationen av all utrustning slutförts, genomfördes systemlänkningsdriftsättningen för att simulera hela processen med drift av generatoraggregat, spillvärmeåtervinning och anaerob rötkammareisolering, felsökningsparametrar som temperaturkontrollnoggrannhet, cirkulationspumpens hastighet och värmeväxlingseffektivitet, lösa problem som rörledningsläckage och under inexakta temperaturkontroller av systemet och säkerställa att alla synkroniseringslänkar fungerar, och uppfyller designkraven.

(III) Provdrift och acceptansfas (1 månad)

Efter att idrifttagningen av systemlänken var kvalificerad gick den in i provdriftsfasen. Under provdriften övervakades indikatorer som temperaturstabiliteten inuti de anaeroba kokarna, spillvärmeåtervinningens effektivitet och generatoraggregatens driftstatus i realtid,-relevant data registrerades och styrsystemets parametrar optimerades och justerades. efter provdriften organiserades ett professionellt team för att genomföra projektacceptans, med fokus på att kontrollera spillvärmeåtervinningens effektivitet, isoleringseffekten av de anaeroba kokarna och stabiliteten i utrustningens drift. Efter att acceptansen var kvalificerad togs projektet officiellt i drift.

IV. Projektdrift Effekt- och nyttoanalys

(I) Operation Effekt

Efter att projektet officiellt tagits i drift har effektiv återvinning av spillvärme från biogaskraftgenerering och konstant temperaturisolering av anaeroba rötkammare realiserats, med anmärkningsvärda driftseffekter, som specifikt återspeglas i följande aspekter:

Stabil temperaturkontroll: Genom den synergistiska effekten av det intelligenta styrsystemet och spillvärmeåtervinningssystemet, hålls temperaturen inuti de anaeroba kokarna stabilt vid det optimala jäsningsintervallet på 35±0,5 grader. Även när omgivningstemperaturen sjunker under 0 grader på vintern överstiger inte temperaturfluktuationen inuti kokarna ±1 grad, vilket helt löser problemet med instabil temperatur i den traditionella isoleringsmetoden och ger en lämplig tillväxtmiljö för metanogener.

Förbättrad jäsningseffektivitet: Den stabila miljön med konstant temperatur förbättrar avsevärt den anaeroba jäsningseffektiviteten, och fördelarna med bioniska tarm anaeroba kokare utnyttjas fullt ut. Jäsningscykeln förkortas från 28 dagar till 21 dagar, biogasproduktionen ökas med mer än 25%, den dagliga biogasproduktionen ökas från 1200 kubikmeter till 1500 kubikmeter, och biogasens renhet (metanhalt) hålls stabilt på 60%-65%, vilket ger tillräckligt med bränsle för elproduktion.

Effektiv återvinning av spillvärme: Systemets spillvärmeåtervinningseffektivitet är mer än 85 %, och den dagliga spillvärmen som återvinns av 2 generatorset kan tillgodose det fulla isoleringsbehovet för 8 anaeroba kokare, helt ersätta de traditionella metoderna för elvärme och ångpanneuppvärmning, realisera resursutnyttjande av spillvärme och minska energislöseri.

Stabil systemdrift: Hela systemet har en hög grad av automatisering, och det intelligenta styrsystemet kan realisera obevakad drift, vilket kraftigt minskar drift- och underhållsarbetet. Sedan provdriften har utrustningsfelfrekvensen varit mindre än 3%, systemstabiliteten är god och drift- och underhållskostnaderna har reducerats effektivt.

(II) Förmånsanalys

1. Ekonomiska fördelar

Efter projektgenomförandet är de ekonomiska fördelarna betydande, främst avspeglas i tre aspekter: för det första att spara uppvärmningskostnader. Genom att ersätta den traditionella elvärmen och ångpannuppvärmningen kan man spara cirka 1200 euro i el- och bränslekostnader per dag och mer än 430 000 euro i årliga driftskostnader; för det andra, ökande kraftproduktionsintäkter. Biogasproduktionen ökas med 25 %, vilket genererar cirka 900 kWh mer el per dag. Enligt det lokala elpriset på-nätet på 0,65 euro/kWh är den årliga extra elproduktionsinkomsten cirka 210 000 euro; för det tredje, minska drift- och underhållskostnaderna. Systemet fungerar automatiskt, vilket minskar 2 drift- och underhållspersonal, vilket sparar cirka 120 000 euro i årliga arbetskostnader. En omfattande beräkning visar att projektet tillför cirka 760 000 Euro i årliga ekonomiska fördelar, med en återbetalningstid på endast 2,5 år. Samtidigt kan den årliga inkomsten från elförsäljning uppgå till 20 281 euro, och den årliga kostnaden är endast 4 047 euro, vilket visar framträdande ekonomiska fördelar.

2. Miljöfördelar

För det första, minska energiförbrukningen. Att återvinna och utnyttja spillvärmen från biogaskraftproduktion kan spara cirka 120 ton standardkol per år, vilket minskar luftföroreningar orsakade av kolförbränning; för det andra, att minska utsläppen av växthusgaser. Att ersätta traditionella uppvärmningsmetoder med spillvärmeåtervinning kan minska koldioxidutsläppen med cirka 8 000 ton per år, vilket bidrar till att uppnå målet "dual carbon"; för det tredje att realisera resursutnyttjande av avfall. Att omvandla boskaps- och fjäderfägödsel och förädlingsavloppsvatten till biogas och organisk gödning minskar avfallsutsläppen, förbättrar kvaliteten på den omgivande miljön och inser att "förvandla avfall till skatt".

3. Sociala förmåner

För det första löser det problemet med avfallsbehandling av boskap och fjäderfäuppfödning, undviker förorening av mark, vatten och luft av gödsel och avloppsvatten, och förbättrar den lokala ekologiska miljön; för det andra ger den ren el, kompletterar den lokala kraftförsörjningen och minskar den regionala energibristen; för det tredje främjar den utvecklingen av industrin för utnyttjande av jordbruksavfallsresurser, ger ett referensfall för återvinning av spillvärme och utnyttjande av liknande biogaskraftverk, driver utvecklingen av nya energiprojekt i omgivningarna och främjar en grön och hållbar utveckling av jordbruket.

 

V. Projektsammanfattning och framtidsutsikter

(I) Projektsammanfattning

Genom att introducera teknik för återvinning av spillvärme för biogaskraft, återvinner detta projekt spillvärmen som försvinner under driften av generatoraggregaten för isolering av anaeroba rötkammare, vilket bildar ett sluten-energiutnyttjandesystem av "anaerob jäsning - biogaskraftgenerering - avfallsvärmeåtervinning insulation {{3}". Det löser helt smärtpunkterna med hög energiförbrukning, instabil temperatur och höga driftskostnader för traditionell anaerob kokareisolering. Efter projektgenomförandet förbättrar det inte bara den anaeroba jäsningseffektiviteten och biogasproduktionen, realiserar resursutnyttjande av spillvärme, utan uppnår också betydande ekonomiska, miljömässiga och sociala fördelar. Den verifierar genomförbarheten och överlägsenheten av att använda spillvärme för generering av biogaskraft för anaerob rötkammareisolering, och tillhandahåller ett praktiskt och genomförbart schema för energisparande-omvandling av medelstora-biogaskraftverk.

Nyckeln till det framgångsrika genomförandet av projektet ligger i att kombinera de strukturella egenskaperna hos de bioniska intestinala anaeroba kokarna, optimera värmeväxlings- och isoleringsparametrarna genom numerisk simulering, val av lämpliga isoleringsmaterial och VRCOOLER utrustning för värmeåtervinning med flänsrör - den flänsförsedda rörstrukturen av 6 gånger värmeväxlarens värmeväxlare jämförs effektivt med 6 gånger värmeväxlarens yta. rör, vilket avsevärt förbättrar värmeåtervinningseffektiviteten. Med VRCOOLERs professionella design- och tillverkningskapacitet, och matchning med det intelligenta styrsystemet, uppnås exakt temperaturkontroll och effektivt spillvärmeutnyttjande, vilket undviker inverkan av spillvärmespill och temperaturfluktuationer på jäsningseffektiviteten.

(II) Framtidsutsikter

I framtiden, baserat på implementeringserfarenheterna av detta projekt, kommer vi att ytterligare optimera spillvärmeåtervinningssystemet, förbättra spillvärmeåtervinningseffektiviteten, utforska det kaskadformade spillvärmeutnyttjandet och använda överskottsspillvärmen för uppvärmning i avelsparken och förbehandling av fermenteringsråmaterial för att ytterligare förbättra energiutnyttjandets effektivitet; samtidigt introducera digital tvillingteknik för att bygga en digital tvillingmodell av systemet för anaerob jäsning och spillvärmeåtervinning, realisera realtidsövervakning, tidig felvarning och parameteroptimering av systemets driftstatus och förbättra systemets intelligensnivå; dessutom främja det tekniska schemat för detta projekt för biogaskraftverk inom andra områden som boskaps- och fjäderfäuppfödning och behandling av matavfall, hjälpa fler nya energiprojekt att uppnå energibesparing och koldioxidminskning och främja hög-kvalitetsutvecklingen av den gröna energiindustrin.