Cas pràctic: Recuperació de calor residual de la central elèctrica de biogàs per a l'aïllament de digestors anaeròbics

 

I. Visió general del projecte

Aquest projecte es troba en un parc industrial-de ramaderia i cria d'aus de corral a gran escala a Baviera, Alemanya. Està equipat amb una central elèctrica de biogàs de mida mitjana-i un sistema de tractament de fermentació anaeròbica, la funció principal del qual és tractar els fems de bestiar i aviram i les aigües residuals de cria generades per les granges-de gran escala del parc. El biogàs es produeix mitjançant fermentació anaeròbica per a la generació d'energia, alhora que es realitza l'aprofitament dels recursos dels residus i l'abocament respectuós amb el medi ambient. L'escala total de tractament del projecte és de 120 tones de fems de bestiar i aus i 300 metres cúbics d'aigües residuals de cria per dia, equipades amb 2 grups electrògens de biogàs de 100 kW i 8 digestors anaeròbics intestinals biònics amb un volum de 2000 metres cúbics cadascun. Les matèries primeres de fermentació entren als digestors anaeròbics després del pretractament i el biogàs es produeix mitjançant el metabolisme microbià a una temperatura adequada. Després del tractament de purificació, el biogàs s'envia als grups electrògens per a la generació d'energia. Tota la calor residual generada durant el procés de generació d'energia es recupera i s'utilitza per a l'aïllament a temperatura constant dels digestors anaeròbics, formant un sistema d'aprofitament energètic de bucle tancat-de "fermentació anaeròbica per a la producció de biogàs - generació d'energia de biogàs - recuperació de calor residual per a la millora de l'eficiència de la fermentació -".

Abans de la implementació del projecte, l'aïllament hivernal dels digestors anaeròbics va adoptar principalment el mètode de calefacció elèctrica assistit per calefacció de caldera de vapor, que tenia els problemes d'alt consum d'energia, efecte d'aïllament inestable, alt cost d'operació i greus malbarataments energètics. Especialment a l'entorn fred i humit d'hivern a Baviera, la temperatura dins dels digestors anaeròbics era difícil de mantenir de manera estable en el rang adequat per a la fermentació mesòfila, donant lloc a grans fluctuacions en la producció de biogàs i afectant l'eficiència de la generació d'energia. Per resoldre els problemes anteriors, el projecte va introduir la tecnologia de recuperació de calor residual de generació d'energia amb biogàs i va seleccionar especialment Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd. (VRCOOLER) - un fabricant líder d'equips d'intercanvi de calor industrial - per dissenyar i produir les unitats centrals de recuperació de calor residual. Aquestes unitats de recuperació de calor residual adopten una estructura de tub amb aletes, que pot ampliar eficaçment l'àrea d'intercanvi de calor i millorar l'eficiència de la recuperació de calor, assegurant la recuperació eficient de la calor residual dels gasos de combustió i de la calor residual de l'aigua de la camisa del cilindre generada durant el funcionament dels grups electrògens per a l'aïllament dels digestors anaeròbics, aconseguint la utilització d'energia en cascada i reduint l'estabilitat del sistema operatiu.

II. Tecnologia bàsica i disseny de processos

(I) Principi tècnic bàsic

Quan el grup electrògen de biogàs està en funcionament, només el 35%-42% de l'energia generada per la combustió del combustible es converteix en energia elèctrica, i el 58%-65% restant de l'energia es dissipa en forma de calor residual de gas de combustió (temperatura de fins a 600 graus) i calor residual d'aigua de la camisa del cilindre (temperatura aproximadament). L'emissió directa no només provoca malbaratament energètic sinó que també augmenta la contaminació tèrmica ambiental. Durant el procés de fermentació anaeròbica, l'activitat microbiana és sensible a la temperatura. A la fermentació mesòfila (35-40 graus), l'activitat del metanogen és òptima, i la producció de biogàs i l'eficiència de fermentació són les més altes. Tanmateix, la temperatura ambient és baixa a l'hivern, i els digestors anaeròbics dissipen la calor ràpidament, requerint un subministrament continu de calor per mantenir una temperatura constant dins dels digestors. Mitjançant el sistema de recuperació de calor residual, aquest projecte recupera i intercanvia la calor residual dissipada durant la generació d'energia, després la transporta als digestors anaeròbics per proporcionar una font de calor estable, substituint els mètodes tradicionals de calefacció elèctrica i calefacció de caldera de vapor, i assolint els objectius de "reciclatge energètic, reducció de costos i augment de l'eficiència energètica i protecció del medi ambient".

(II) Composició del sistema de procés

El sistema d'aïllament de recuperació de calor residual i digestor anaeròbic d'aquest projecte es compon principalment de 4 parts, que funcionen de manera sinèrgica per garantir una recuperació eficient de la calor residual, un transport estable i un control precís de la temperatura dels digestors anaeròbics, de la següent manera:

Sistema de generació d'energia amb biogàs: S'adopten dos grups electrògens de gas de 100 kW que utilitzen com a combustible biogàs produït per digestors anaeròbics. Després de tractaments de purificació com la desulfuració i la deshidratació, el biogàs s'envia als grups electrògens per a la combustió i la generació d'energia. Cada unitat consumeix 48 metres cúbics de biogàs per hora, amb una eficiència de generació d'energia del 42%, i genera una gran quantitat de calor residual (la calor residual màxima d'una sola unitat és de 286 kW), proporcionant una font estable per a la recuperació de calor residual. Els grups electrògens estan equipats amb dispositius de desulfuració de biogàs, que poden eliminar eficaçment el sulfur d'hidrogen del biogàs, evitar la corrosió de l'equip i garantir un funcionament estable-a llarg termini del sistema.

Sistema de recuperació de calor residual: L'equip bàsic inclou intercanviador de calor de gasos de combustió, intercanviador de calor d'aigua de la camisa del cilindre i bomba de circulació, tots ells dissenyats i fabricats per VRCOOLER (Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd.), una empresa professional amb una àmplia experiència en R + D i producció d'equips d'intercanvi de calor, amb la certificació de sistema de qualitat internacional ISO 9001. El sistema adopta un disseny de "intercanvi de calor de doble-bucle" i els components bàsics d'intercanvi de calor dels recuperadors de calor residual són estructures de tubs amb aletes - els tubs amb aletes es fan embolicant helicoïdalment tires d'aletes al voltant de la circumferència del tub, amb aletes ondulades a la paret exterior per augmentar molt l'àrea d'intercanvi de calor i millorar el rendiment de la transferència de calor. D'una banda, la calor residual de gasos de combustió d'alta temperatura descarregada dels grups electrògens es recupera a través de l'intercanviador de calor de gasos de combustió de tubs aletes VRCOOLER, escalfant el medi circulant (una barreja d'anticongelant i aigua) a uns 58 graus; d'altra banda, la calor residual de l'aigua de la camisa del cilindre dels grups electrògens es recupera a través de l'intercanviador de calor d'aigua de la camisa del cilindre de tub aleat VRCOOLER, augmentant encara més la temperatura del medi circulant per sobre dels 65 graus, assegurant que la temperatura de la font de calor compleixi les necessitats d'aïllament dels digestors anaeròbics. El sistema de recuperació de calor residual VRCOOLER està equipat amb un dispositiu de control de temperatura intel·ligent, que pot ajustar automàticament l'eficiència de l'intercanvi de calor segons la temperatura dels gasos de combustió i la temperatura del mitjà circulant, reduint la pèrdua de calor residual. Les proves mostren que l'eficiència de recuperació de calor residual del sistema és superior al 85%, la qual cosa pot recuperar completament els recursos de calor residual generats durant la generació d'energia, gràcies a l'excel·lent rendiment de transferència de calor de l'estructura del tub amb aletes i al disseny professional de VRCOOLER.

Sistema d'aïllament del digestor anaeròbic: Els 8 digestors anaeròbics adopten un disseny estructural de "escalfament de bobina interna + capa d'aïllament extern". Al voltant de la paret interna dels digestors es col·loquen bobines resistents a -temperatura i corrosió-altes, i el medi circulant intercanvia calor amb el líquid de fermentació dels digestors a través de les bobines per aconseguir un augment uniforme de la temperatura dins dels digestors; una capa d'aïllament de ciment escumat de 15 cm de gruix es col·loca a la paret exterior dels digestors. El ciment escumat té un bon rendiment d'aïllament tèrmic, que pot reduir eficaçment la pèrdua de calor dins dels digestors. Segons els càlculs de simulació numèrica, sota aquest esquema d'aïllament, la pèrdua total de calor dels digestors anaeròbics es pot controlar dins de 428,24 MJ·d⁻¹, assegurant un efecte d'aïllament estable. Al mateix temps, els digestors anaeròbics adopten una estructura intestinal biònica, que no requereix dispositius d'agitació mecànica, té una estructura senzilla i un baix consum d'energia i poden realitzar una separació dinàmica de cada etapa de fermentació i millorar l'eficiència de la fermentació.

Sistema de control intel·ligent: s'adopta un sistema de control intel·ligent PLC per controlar-en temps real més de 200 indicadors, com ara la temperatura del líquid de fermentació als digestors anaeròbics, la temperatura del medi circulant, la temperatura dels gasos de combustió i els paràmetres de funcionament dels grups electrògens. La velocitat de la bomba de circulació i l'eficiència de l'intercanvi de calor residual s'ajusten automàticament mitjançant programes preestablerts per garantir que la temperatura dins dels digestors anaeròbics es mantingui de manera estable en el rang de fermentació òptim de 35 ± 0,5 graus. Quan la temperatura dins dels digestors és inferior al valor preestablert, el sistema augmenta automàticament el volum de lliurament de calor residual; quan la temperatura és superior al valor preestablert, redueix automàticament el volum de lliurament de calor residual. Al mateix temps, l'excés de calor residual es pot utilitzar per escalfar-se en l'etapa de pretractament de les matèries primeres de fermentació, aconseguint la utilització de la calor residual en cascada i millorant l'eficiència d'utilització de l'energia.

(III)Clau d'optimització de processos

1. Optimització de l'intercanvi de calor residual: mitjançant el mètode de simulació numèrica de dinàmica de fluids computacional (Fluent), es simula i s'analitza el camp de temperatura dins del digestor anaeròbic, i s'optimitzen la densitat de la bobina i el camí d'intercanvi de calor per garantir una distribució uniforme de la temperatura dins dels digestors, evitant una temperatura local excessiva o insuficient que afecti l'activitat microbiana. Al mateix temps, es determina que l'efecte d'aïllament és òptim quan la temperatura de subministrament d'aire calent és de 35 graus.

2. Selecció de material d'aïllament: després de comparar el rendiment de diversos materials d'aïllament, el ciment escumat es selecciona com a material per a la capa d'aïllament exterior dels digestors anaeròbics. Aquest material té els avantatges d'un bon efecte d'aïllament, baix cost, resistència a la corrosió, protecció del medi ambient i no -toxicitat. En comparació amb els materials d'aïllament de poliuretà tradicionals, pot reduir el cost d'aïllament en més d'un 15% i reduir l'impacte ambiental.

3. Optimització del sistema de circulació: s'adopta un sistema de circulació de bucle tancat-, i el medi circulant es pot reutilitzar per reduir el consum de recursos hídrics. Al mateix temps, s'instal·len filtres i dispositius de descalcificació a la canonada de circulació per evitar l'obstrucció i l'escala de la canonada, allargar la vida útil dels equips i reduir els costos d'operació i manteniment.

 

III. Procés d'execució del projecte

(I) Etapa preparatòria (1-2 mesos)

Es va organitzar un equip tècnic per dur a terme la-investigació del projecte al lloc. Combinat amb l'escala dels digestors anaeròbics, els paràmetres dels grups electrògens i les condicions climàtiques locals a Baviera, l'esquema de disseny del sistema de recuperació de calor residual es va optimitzar en cooperació amb l'equip tècnic de VRCOOLER, i el model d'intercanviadors de calor de tubs d'aletes VRCOOLER, l'esquema de disposició de la bobina, les especificacions dels materials d'aïllament i els paràmetres de control intel·ligent determinaven; Es van comprar equips bàsics com ara intercanviadors de calor de gasos de combustió de tubs aletes VRCOOLER, intercanviadors de calor d'aigua de camisa de cilindre VRCOOLER, bombes de circulació, materials d'aïllament de ciment escumat i instruments de control de temperatura intel·ligents per garantir que la qualitat de l'equip compleixi els requisits d'enginyeria - Els intercanviadors de calor de VRCOOLER adopten tubs d'alta-qualitat i aletes d'alumini i corrosió d'acer inoxidable i de bona qualitat per a la corrosió. alta -resistència a la temperatura, adaptant-se a l'entorn de treball dur dels gasos de combustió d'alta-temperatura i l'aigua de la camisa del cilindre; Es va impartir formació tècnica al personal de construcció per aclarir el procés de construcció, les especificacions de seguretat i els estàndards de qualitat, centrant-se en la formació de les habilitats d'instal·lació del sistema de recuperació de calor residual de tubs aletes VRCOOLER i la construcció d'aïllament dels digestors anaeròbics.

(II) Etapa d'instal·lació i construcció d'equips (3-4 mesos)

1. Instal·lació del sistema de recuperació de calor residual: en primer lloc, l'intercanviador de calor de gasos de combustió de tubs aleats VRCOOLER i l'intercanviador de calor d'aigua de la camisa del cilindre de tubs aleats VRCOOLER es van instal·lar de manera fixa d'acord amb les especificacions del fabricant i els requisits de disseny del lloc-. La canonada de gasos de fum i la canonada d'aigua de la camisa del cilindre entre els intercanviadors de calor i el grup electrògen es van connectar, i el tractament de segellat de la canonada es va fer per evitar les fuites de calor residual - els intercanviadors de calor de tubs d'aletes VRCOOL estan equipats amb bobines recobertes resistents a la corrosió-, que poden resistir eficaçment la corrosió de la substància fluïda {5} estable, estable i traça. funcionament. A continuació, es va instal·lar la bomba de circulació i la canonada de circulació, l'instrument de control de temperatura intel·ligent es va connectar al sistema de control PLC i la posada en marxa de l'equip es va completar conjuntament amb l'equip tècnic de postvenda de VRCOOLER per garantir el funcionament normal del sistema de recuperació de calor residual i donar el màxim partit als avantatges de la transferència de calor de l'estructura del tub amb aletes.

2. Construcció d'aïllament de digestors anaeròbics: primer, es va netejar i desoxidar la paret exterior dels digestors anaeròbics, després es va col·locar la capa d'aïllament de ciment escumat per assegurar-se que la capa d'aïllament fos uniforme de gruix, lliure de danys i buits; Es van col·locar bobines resistents a altes-temperatura i corrosió-a la paret interior dels digestors, connectades a la canonada de circulació, i es va realitzar una prova de pressió d'aigua per assegurar-se que no hi havia fuites de les bobines; es van instal·lar sensors de temperatura dins dels digestors i es van connectar al sistema de control intel·ligent per fer un seguiment de la temperatura-en temps real.

3. Posada en marxa de l'enllaç del sistema: un cop finalitzada la instal·lació de tots els equips, es va dur a terme la posada en marxa de l'enllaç del sistema per simular tot el procés d'operació del grup electrògen, recuperació de calor residual i aïllament del digestor anaeròbic, paràmetres de depuració com ara la precisió del control de temperatura, la velocitat de la bomba de circulació i l'eficiència de l'intercanvi de calor, resoldre problemes com ara fuites de canonades i control de la temperatura inexacte durant la comissió i el control de la temperatura i la comissió de la comissió. complir els requisits de disseny.

(III) Operació de prova i fase d'acceptació (1 mes)

Després de qualificar la posada en servei de l'enllaç del sistema, va entrar a l'etapa d'operació de prova. Durant l'operació de prova, es van controlar en temps real indicadors com l'estabilitat de la temperatura dins dels digestors anaeròbics, l'eficiència de recuperació de calor residual i l'estat de funcionament dels grups electrògens, es van registrar dades rellevants i es van optimitzar i ajustar els paràmetres del sistema de control; Després de l'operació de prova, es va organitzar un equip professional per dur a terme l'acceptació del projecte, centrant-se a comprovar l'eficiència de la recuperació de calor residual, l'efecte d'aïllament dels digestors anaeròbics i l'estabilitat del funcionament de l'equip. Després de qualificar l'acceptació, el projecte es va posar oficialment en funcionament.

IV. Anàlisi d'efectes i beneficis de l'operació del projecte

(I) Efecte d'operació

Després de la posada en funcionament oficial del projecte, es va realitzar una recuperació eficient de la calor residual de generació d'energia de biogàs i un aïllament a temperatura constant dels digestors anaeròbics, amb efectes de funcionament notables, reflectits específicament en els aspectes següents:

Control estable de la temperatura: A través de l'efecte sinèrgic del sistema de control intel·ligent i el sistema de recuperació de calor residual, la temperatura dins dels digestors anaeròbics es manté de manera estable en el rang de fermentació òptim de 35 ± 0,5 graus. Fins i tot quan la temperatura ambient cau per sota dels 0 graus a l'hivern, la fluctuació de la temperatura dins dels digestors no supera ± 1 grau, cosa que resol completament el problema de la temperatura inestable en el mètode d'aïllament tradicional i proporciona un entorn de creixement adequat per als metanògens.

Millora de l'eficiència de fermentació: L'entorn estable de temperatura constant millora significativament l'eficiència de la fermentació anaeròbica i els avantatges dels digestors anaeròbics intestinals biònics s'executen plenament. El cicle de fermentació s'escurça de 28 dies a 21 dies, la producció de biogàs augmenta en més d'un 25%, la producció diària de biogàs augmenta de 1200 metres cúbics a 1500 metres cúbics i la puresa del biogàs (contingut de metà) es manté estable entre un 60% i un 65%, proporcionant combustible suficient per a la generació d'energia.

Recuperació eficient de la calor residual: L'eficiència de recuperació de calor residual del sistema és superior al 85%, i la calor residual diària recuperada per 2 grups electrògens pot satisfer les necessitats d'aïllament total de 8 digestors anaeròbics, substituint completament els mètodes tradicionals de calefacció elèctrica i calefacció de caldera de vapor, aprofitant els recursos de la calor residual i reduint el malbaratament d'energia.

Funcionament estable del sistema: Tot el sistema té un alt grau d'automatització i el sistema de control intel·ligent pot realitzar un funcionament sense vigilància, reduint considerablement la càrrega de treball d'operació i manteniment. Des de l'operació de prova, la taxa de fallades de l'equip ha estat inferior al 3%, l'estabilitat del sistema és bona i els costos d'operació i manteniment s'han reduït de manera efectiva.

(II)Anàlisi de beneficis

1. Beneficis econòmics

Després de la implementació del projecte, els beneficis econòmics són importants, reflectits principalment en tres aspectes: en primer lloc, l'estalvi de costos de calefacció. La substitució de la calefacció elèctrica tradicional i la calefacció de la caldera de vapor pot estalviar uns 1200 euros en costos d'electricitat i combustible per dia, i més de 430.000 euros en costos d'operació anuals; segon, augmentar els ingressos de generació d'energia. La producció de biogàs s'incrementa un 25%, generant uns 900 kWh més d'electricitat al dia. Segons el preu de l'electricitat a la-xarxa local de 0,65 euros/kWh, els ingressos anuals addicionals de generació d'energia és d'uns 210.000 euros; tercer, reduir els costos d'operació i manteniment. El sistema funciona de manera automàtica, reduint 2 personal d'operació i manteniment, estalviant uns 120.000 euros en costos anuals de mà d'obra. Un càlcul exhaustiu mostra que el projecte aporta uns 760.000 euros en beneficis econòmics anuals, amb un període d'amortització de la inversió de només 2,5 anys. Paral·lelament, els ingressos anuals per vendes d'electricitat poden arribar als 20.281 euros, i el cost anual només és de 4.047 euros, mostrant avantatges econòmics destacats.

2. Beneficis ambientals

En primer lloc, reduir el consum d'energia. Recuperar i utilitzar la calor residual de la generació d'energia amb biogàs pot estalviar unes 120 tones de carbó estàndard a l'any, reduint la contaminació de l'aire causada per la combustió del carbó; segon, reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle. La substitució dels mètodes tradicionals de calefacció per la recuperació de la calor residual pot reduir les emissions de diòxid de carboni en unes 8.000 tones anuals, ajudant a assolir l'objectiu del "doble carboni"; tercer, adonar-se de l'ús dels recursos dels residus. La conversió de fems de bestiar i aus de corral i les aigües residuals de cria en biogàs i fertilitzant orgànic redueix les emissions de residus, millora la qualitat del medi ambient i s'aconsegueix "convertir els residus en un tresor".

3. Prestacions socials

En primer lloc, resol el problema del tractament de residus de ramaderia i cria d'aus de corral, evita la contaminació del sòl, l'aigua i l'aire per fems i aigües residuals i millora l'entorn ecològic local; segon, proporciona electricitat neta, complementa el subministrament d'energia local i alleuja l'escassetat d'energia regional; en tercer lloc, promou el desenvolupament de la indústria d'utilització de recursos de residus agrícoles, proporciona un cas de referència per a la recuperació de calor residual i la utilització de centrals elèctriques de biogàs similars, impulsa el desenvolupament de nous projectes energètics a les zones circumdants i promou el desenvolupament verd i sostenible de l'agricultura.

 

V. Resum del projecte i perspectives

(I)Resum del projecte

Mitjançant la introducció de la tecnologia de recuperació de calor residual de generació d'energia amb biogàs, aquest projecte recupera la calor residual dissipada durant el funcionament dels grups electrògens per a l'aïllament dels digestors anaeròbics, formant un sistema d'aprofitament d'energia de bucle tancat de "fermentació anaeròbica - generació d'energia de biogàs - recuperació de calor residual constant - temperatura -". Soluciona completament els punts dolorosos de l'alt consum d'energia, la temperatura inestable i l'alt cost de funcionament de l'aïllament tradicional del digestor anaeròbic. Després de la implementació del projecte, no només millora l'eficiència de la fermentació anaeròbica i la producció de biogàs, s'aconsegueix la utilització dels recursos de la calor residual, sinó que també aconsegueix importants beneficis econòmics, ambientals i socials. Verifica la viabilitat i la superioritat d'utilitzar la calor residual per a la generació d'energia amb biogàs per a l'aïllament de digestors anaeròbics i proporciona un esquema pràctic i factible per a la transformació d'estalvi d'energia-de centrals elèctriques de biogàs-mitjanes.

La clau per a l'èxit d'execució del projecte rau en combinar les característiques estructurals dels digestors anaeròbics intestinals biònics, optimitzar els paràmetres d'intercanvi de calor i aïllament mitjançant la simulació numèrica, seleccionant els materials d'aïllament adequats i l'equip de recuperació de calor residual de tubs amb aletes VRCOOLER - l'estructura del tub amb aletes dels intercanviadors de calor, ampliada eficaçment amb l'àrea d'intercanvi de calor 4-6 de manera eficaç en comparació amb el tub amb aletes. millorar l'eficiència de recuperació de calor. Amb les capacitats professionals de disseny i fabricació de VRCOOLER, i en combinació amb el sistema de control intel·ligent, s'aconsegueix un control precís de la temperatura i una utilització eficient de la calor residual, evitant l'impacte del residu de calor residual i la fluctuació de la temperatura en l'eficiència de la fermentació.

(II) Perspectives de futur

En el futur, basant-nos en l'experiència d'implementació d'aquest projecte, optimitzarem encara més el sistema de recuperació de calor residual, millorarem l'eficiència de recuperació de calor residual, explorarem el mode d'utilització de la calor residual en cascada i utilitzarem l'excés de calor residual per a la calefacció al parc de cria i el pretractament de matèries primeres de fermentació per millorar encara més l'eficiència d'utilització energètica; al mateix temps, introduïu la tecnologia digital bessona per construir un model digital de bessons del sistema de fermentació anaeròbica i recuperació de calor residual, fer un seguiment en temps real-, avisar precoç d'errors i optimitzar els paràmetres de l'estat de funcionament del sistema i millorar el nivell d'intel·ligència del sistema; a més, promoure l'esquema tècnic d'aquest projecte a les centrals elèctriques de biogàs en altres camps com ara la ramaderia i l'aviram i el tractament de residus alimentaris, ajudar a més projectes energètics nous a aconseguir l'estalvi d'energia i la reducció de carboni i promoure el desenvolupament d'alta-qualitat de la indústria de l'energia verda.