基于沼气和能源回收的厌氧反应器加热系统的性能分析

摘要

厌氧处理技术是一种常用的处理淀粉废水的厌氧生物处理技术，为了使其能够维持在较高的处理效率和产气率，需要将其温度保持在35℃，而厌氧反应器的进口废水的水温以及反应器周围环境的温度一般低于35℃，因此反应器会有热量的损失，如没有加温保温措施，其温度将会下降无法满足要求。鉴于上述问题，本文研究了厌氧反应器的处理淀粉废水时的能量损失及产热情况。 本文首先建立了厌氧反应器的能量平衡模型，该模型定量地计算了厌氧反应器的两项热损失:进口废水携带的冷量和反应器向周围环境的散热损失，以及厌氧反应器中的微生物发酵产热。以安徽省阜阳市的某上流式厌氧污泥床反应器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket，UASB)为研究对象，发现UASB反应器的热损失主要来源于其进口废水携带的冷量，占比达到在各月份总热损失的94％以上，最大值出现在2月份，为752.07kW;而UASB反应器向周围环境的传热热损失仅占到6％以下，最大值出现在2月份，为41.23kW。因此忽略反应器向周围环境的散热损失而仅考虑UASB反应器进口废水携带的冷量对UASB反应器的加热效果影响很小。 为了研究高效、合理的为厌氧反应器加热，本文设计了沼气发电机组一污水源热泵加热系统，该系统可以利用厌氧反应器产生的沼气发电然后驱动污水源热泵，而且系统中有水循环可以回收沼气发电机组的废热，污水源热泵也可以回收厌氧反应器的出口废水的废热，使能量达到高效利用。根据UASB反应器的进口废水水温的不同，该系统运行模式不同，所消耗的能源种类、数量也不同。系统运行模式分为出口废水直接加热+沼气发电机组余热回收加热进口废水和沼气发电机组发电联合污水源热泵。 本文对该系统的主要设备进行了初步的设计，然后通过简化该系统的部分参数及运行条件，建立主要设备的数学模型，对系统进行更好地优化。分析了蒸发温度及冷凝温度对污水源热泵系统性能的影响，并得出最优化的蒸发温度及冷凝温度值;根据进出口流体的温度、流量等属性，建立了壳管式换热器、蒸发器及冷凝器的设计模型，利用MATLAB对模型进行模拟，得出了四种换热器的尺寸参数及换热管的分布排列。 为了量化沼气发电机组一污水源热泵加热系统的节能性及经济性，作者以安徽省阜阳市某UASB反应器为研究对象，将其与沼气锅炉作为单一热源消耗的能量进行比较。采用费用年值法对沼气发电机组一污水源热泵加热系统和沼气锅炉进行比较。可以得出与沼气锅炉加热方式相比，由沼气发电机组联合污水源热泵系统是一种节能、经济的系统。在节能性方面，与沼气锅炉作为单一热源方式相比，该系统的节能效果显著，节约的一次能源在163.00kW～347.20kW，在11月份节约的能量最多，而在7月份的时候节约的能量最少，在全年平均节省的一次能源量为259.02kW，效果显著。从经济性方面，复合源加热系统的费用年值是71.84万元，而沼气锅炉和电加热的费用年值分别是99.73万元。 另外，从沼气发电机组一污水源热泵加热系统的运行方式、系统各设备的及其优化过程可以看出，沼气发电机组一污水源热泵加热系统对厌氧反应器的加热具有普遍适用性，将系统的部分运行参数做修改、优化后可以为其他两代厌氧反应器加热。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．3课题研究内容及意义

1．3．1研究内容

1．3．2研究意义

2厌氧反应器的能量模型

2．1厌氧反应器的能喇

2．2厌氧反应器的热损失

2．2．1厌氧反应器进水携带的冷量

2．2．2厌氧反应器向周围环境的传热热损失

2．3厌氧反应器的微生物发酵产热

2．4本章小结

3沼气发电机组一污水源热泵加热厌氧反应器

3．1沼气发电机组一污水源热泵加热厌氧反应器系统

3．2沼气发电机组产生的电量及余热回收热量

3．2．1厌氧反应器的沼气产量的影响因素及产量

3．2．2沼气发电机组产生的电量及余热回收热量

3．3系统各设备的初步设计

3．3．1沼气发电机组

3．3．2污水源热泵

3．3．3壳管式换热器

3．3．4沼气发电机组排气换热器

3．4本章小结

4沼气发电机组一污水源热泵加热系统的优化

4．1沼气发电机组及余热回收利用模型

4．2污水源热泵运行工况的确定

4．2．1蒸发温度的确定

4．2．2冷凝温度的影响

4．3系统在全年的运行模式

4．4换热器设计模型

4．5本章小结

5工程实例

5．1．2淀粉废水特性

5．2 UASB反应器的能量损失模拟结果

5．3沼气产量及沼气发电机组的性能

5．4沼气发电机组一污水源热泵加热系统的运行工况

5．4．1 UASB反应器的加热系统的运行模式

5．4．2污水源热泵的运行工况

5．4．3换热器的尺寸参数

5．5节能性与经济性

5．5．1节能性分析

5．5．2经济性分析

5．6本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2展望

致谢

参考文献

附录