沼气工程热量计算书

1 目 录 1 锅炉耗煤量的计算 2 1 1 厌氧罐所需热量 2 1 1 1 热损失 Q1的计算 2 1 1 2 原料升温所需热量 Q2的计算 4 1 1 3 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 4 1 1 4 厌氧罐所需热量 Q 4 1 2 锅炉烧煤量与烧煤时间 5 1 2 1 锅炉烧煤量 5 1 2 2 锅炉烧煤时间 6 1 3 热损失校正因子 a1和锅炉总效率校正因子 a2的测定 6 1 3 1 热损失校正因子 a1 6 1 3 2 锅炉总效率校正因子 a2 8 1 3 3 因子 a1和 a2的计算 9 2 产能和耗能拐点的计算 10 2 1 产能计算 10 2 2 耗能计算 11 2 2 1 北方地区全年耗能计算 11 2 2 2 燃煤锅炉的 耗能 产能 比 12 2 2 3 沼气锅炉的 耗能 产能 比 12 2 2 4 沼气发电机的余热满足率和经济效率 13 2 2 5 燃煤锅炉 燃气锅炉和沼气发电机组经济性对比分析 15 2 2 6 拐点 结论 15 3 解决夏天烧煤问题分析 16 3 1 沼气发电余热回收 16 3 2 太阳能加热 17 2 热量计算书热量计算书 1 锅炉耗煤量的计算锅炉耗煤量的计算 1 11 1 厌氧罐所需热量厌氧罐所需热量 厌氧罐所需热量 QT Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 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 1 1 1 热损失热损失 Q1的计算的计算 1 保温设计标准列于表 1 地区 设计 热损失 东北 15 北方 0 南方 15 保温措施300mm 岩棉200mm 岩棉100mm 岩棉 罐体侧壁 热损失10W m210W m2 10W m2 36KJ m2h 保温措施200mm 苯板150mm 苯板50mm 苯板 罐顶 热损失10W m210W m210W m2 保温措施无无无 罐底 热损失154 W m2108 W m262 W m2 附 W J s 2 以北方地区的保温标准为例 不同规模的沼气工程在 0 时热损 失列于表 2 厌氧罐 容积 m3 厌氧罐 侧表面 积 m2 厌氧罐顶 面积 m2 厌氧罐下 底面积 m2 罐体侧壁 热损失 W 罐顶热损失 W 罐底热损失 W 总热损失 W 30018248 337 21820 48339396242 500253 72 055 42530720 58719121 3 800337100 677 43370 1006 820412580 1000383 116 889 93830 1168952714525 1200432 134 1103 14320 13411092816589 1500491143 1110 1491014311166518006 2000634 182 4140 3634018241487423038 2800754229 6176 6754022961907328909 3 不同温度 t1 下的热损失采用系数 计算 公式 Qt1 Qo 由于热损失与温差呈线形关系 所以 35 t1 35 Qo 北方地区 0 时的热损失 Qt1 北方地区 t1时的热损失 采用该方法求得其他温度条件下的热损失列于表 3 厌氧罐容 积 m3 5 W 0 W 5 W 10 W 15 W 20 W 25 W 30 W 3007134624253504459356726751783892 500104249121781865155212390926061303 80014377125801078389867189539135941797 1000166001452512450103758300622541502075 1200189591658914219118499479711047402370 15002057818006154341286110289771751452572 20002632923038197471645613165987365823291 一天 24h 内热损失量列于表 4 厌氧罐容 积 m3 5 KJ 0 KJ 5 KJ 10 KJ 15 KJ 20 KJ 25 KJ 30 KJ 30077069 500 800 1000 1200 1500 2000 2800 4 热损失校正 4 计算热损失与实际热损失的误差采用因子 a1校正 a1 Q1 real Q1 实际热损失的测量 计算方法 锅炉停止加热后 罐体温度 T1 经过时间 t 后 罐体温度 T2 则 Q1 real CM T1 T2 t 1 1 2 原料升温所需热量原料升温所需热量 Q2的计算的计算 公式 Q CM t 式中 C 4 2KJ kg 不同进料温度 不同规模的沼气工程 原料升温至 35 每天所需热量列 于表 5 原料升温所需热量 KJ 进料温度 厌氧罐容 积 m3 每天进料 量 t 0 10 15 20 25 30015 500 25 800 40 1000 50 1200 60 1500 75 2000 100 1 1 3 反应罐内水分蒸发带走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 1 1 4 厌氧罐所需热量厌氧罐所需热量 Q 以青岛地区 1000m3的沼气工程为例 厌氧罐每天所需热量列于表 6 月份 平均温度 计算热损 失 Q1 KJ 热损失 校正因 子 a1 实际热 损失 Q1 real KJ 原料升温 Q2 KJ 厌氧罐每 天所需热 量 KJ 1 0 71 3 2 0 41 3 5 34 71 3 410 51 3 515 9 61 3 5 620 01 3 723 8 21 3 4 825 2 81 3 4 921 51 3 8 1016 1 41 3 9 118 9 61 3 122 01 3 说明 进料温度根据 1 2 月份为 0 3 4 12 月份为 10 5 6 7 8 9 10 11 月份为 15 计算 1 2 锅炉烧煤量与烧煤时间锅炉烧煤量与烧煤时间 1 2 1 锅炉烧煤量锅炉烧煤量 以青岛地区 1000m3的沼气工程为例 不同月份每天烧煤量列于表 7 月份 厌氧罐每 天所需热 量 KJ 锅炉额定 效率 锅炉总 效率校 正因子 a2 所需煤炭 的热量 KJ 所需烧煤 量 kg 174 0 81 596 274 0 81 595 374 0 81 441 474 0 81 423 574 0 81 337 674 0 81 324 774 0 81 312 874 0 81 308 974 0 81 319 1074 0 81 336 1174 0 81 358 1274 0 81 449 说明 所需煤量计算根据散煤的发热值 6000kcal kg 计算 每月烧煤量和全年烧煤量列于表 8 月份123456789101112 温度 0 7 0 44 710 515 920 023 825 2 21 516 18 9 2 0 6 天数312831303130313130313031 每天 烧煤 量 kg 596595441423337324312308319336358449 每月 烧煤 量 t 18 4816 6613 6712 6910 459 729 679 559 5710 42 10 7 4 13 9 2 全年 烧煤 量 t 146 1 2 2 锅炉烧煤时间锅炉烧煤时间 根据最冷月 1 月份的供热量来确定锅炉的输出功率 锅炉工作 8 小时 每 天所需锅炉的供热量为 0 8 KJ 锅炉供热效率为 8 3600 391KW 选用 CLCS 0 46 常压燃煤热水锅炉 耗煤量取规定 92kg h 不同月份的烧煤时 间列于表 9 月份123456789101112 温度 0 7 0 44 710 515 920 023 825 2 21 516 18 9 2 0 每天 烧煤 量 kg 596595441423337324312308319336358449 每天 烧煤 时间 h 6 56 54 84 63 73 53 43 33 53 63 94 9 1 3 热损失校正因子热损失校正因子 a1和锅炉总效率校正因子和锅炉总效率校正因子 a2的测定的测定 为了使计算值与实际值相吻合 并为今后的工程提供可靠的计算方法 通 7 过热损失校正因子 a1和锅炉总效率因子 a2使理论值与实际值相结合 1 3 1 热损失校正因子热损失校正因子 a1 在实际工程中 实际条件与理论设定的条件之间存在以下差异 1 岩棉易吸水 苯板易破碎 造成热损失变大 2 在施工过程中保温层之间 保温层与罐体之间结合不紧密 3 保温材料的质量存在问题 以上都会造成计算热损失与实际热损失之间存在误差 这种误差可以 看作导热系数 或传热系数 的实际值与理论值之间的误差造成的 而热 损失与导热系数之间为线性关系 因此采用因子 a1校正 a1 Q1 real Q1 为了测定 a1 需要现场测量 Q1 real 通过理论计算 Q1 实际热损失 Q1 real 的测量 计算方法 罐体温度升至要求温度 锅炉停止加热 此时罐内温度 T1 经过时间 t 后 罐体温度 T2 则 Q1 real CM T1 T2 t 实际热损失的测定需现场记录数据 表格如下 表 10 填表时间 年 月 日 工程地点 厌氧罐容积 每天进料量 室外温度 锅炉停止加热后 罐内温度 记录时间 例如 8 30 罐内温度记录时间 罐内温度记录时间 罐内温度记录时间 罐内温度记录时间 8 理论热损失 Q1的计算方法 Q1的计算需核实保温材料数据 列于表 11 罐体保温材 料 厚度密度或导 热系数 罐顶保温材 料 厚度密度或导 热系数 反应罐基础 厚度 1 3 2 锅炉总效率校正因子锅炉总效率校正因子 a2 锅炉的额定热效率是在煤完全燃烧 司炉工完全按照规程操作 管路采用 规定保温措施的条件下测定的 实际过程中 锅炉在以下几方面与理想工作状 态有偏差 1 煤燃烧的程度 2 煤放出的热量被锅炉中的水吸收的效率 3 锅炉热水在循环过程中的热损失 这就需要通过校正因子来确定锅炉的实际热效率 a2 K real Ke 锅炉实际热效率测定方法 K real Q吸 Q放 其中 Q吸 CM t1 t2 M 罐体内物料质量 t2 锅炉加热前反应罐内物料的温度 t1 锅炉加热后反应罐内物料的温度 Q放 EMc E 煤完全燃烧放出的热量 Mc 每天烧煤量 实际热效率需要通过现场记录数据 列于表 12 9 填表时间 年 月 日 工程地点 厌氧罐容积 每天进料量 室外温度 锅炉加热前 罐内温度 记录时间 例如 8 30 锅炉加热后 罐内温度 记录时间 锅炉日烧煤量锅炉日运行时间 至 1 3 3 因子因子 a1和和 a2的计算的计算 以即墨移风沼气工程为例 计算因子 a1和 a2 保温措施 罐体尺寸 10m 10m 罐体侧壁用 100mm 苯板 罐顶用 50mm 岩棉 温度 罐体内温度在 31 33 之间 每天降 0 4 进料 25 室外平均 25 进料量 每天 10 吨水 10 吨粪 耗煤量 罐内温度由 33 降低到 31 用时 10 天 罐内温度由 31 升 高到 33 用时 12h 耗煤 0 5 吨 1 因子 a1的计算 计算热损失 Q1 苯板导热系数取 0 046W m 罐体侧壁热损失 Q 1167W 1 2 1 ln 1 2 r r totH 0 5 1 5 ln 046 0 1 2533 10 14 3 2 罐顶热损失 罐顶面积 S 1 3 R2 1 3 3 14 52 102 05m2 Q 0 046 102 05 33 25 751W d totS 罐底热损失 罐底面积 S R2 3 14 52 78 5m2 10 Q 1 54 78 5 33 25 0 5 1934W d totS 总热损失 Q1 1167 751 1934 3852W 实际热损失 Q1 real 原料升温需热量计算 Q2 CM T 4 2 20 1000 33 25 KJ 罐体所需热量 Q1 real Q2 CM T1 T2 4 2 800 1000 0 4 KJ Q1 real 24 3600 7778W 校正因子 a1 a1 Q1 real Q1 7778 3852 2 0 2 因子 a2的计算 原料从 31 升温到 33 耗煤 0 5 吨 按照散煤热值 6000kcal kg 计算 原料升温所需热量 Q吸 CM t1 t2 4 2 800 1000 33 31 KJ 煤燃烧放出的热量 Q放 EMc 6000 4 2 500 KJ K real Q吸 Q放 0 53 校正因子 a1 K real Ke 0 53 0 735 0 72 2 产能和耗能拐点的计算产能和耗能拐点的计算 拐点的含义 产能 沼气工程产生的沼气所含有的能量 耗能 加热原料所需的能量 拐点 随着沼气工程规模的增大 产能 耗能 比逐渐增大 当产能与耗能相 等时 可以看做拐点 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 工艺停留时间为 20 天 11 2 1 产能计算产能计算 不同规模的沼气工程 所产生沼气的能量列于表 13 厌氧罐容积 m3 一天产生的沼气量 m3 一年产生的沼气量 m3 一年所产沼气完全燃 烧放出的热量 KJ 300 240 87600 500 400 800 640 1000 800 1200 960 1500 1200 2000 1600 注 沼气热值根据标准沼气 CH4含 60 的热值 2182OKJ m3计算 2 2 耗能计算耗能计算 2 2 1 北方地区全年耗能计算北方地区全年耗能计算 以北方地区为例 保温措施按照表 1 不同月份平均每天热损失列于表 14 厌氧罐容 积 m3 1 2 12 月 0 KJ 3 11 月 5 KJ 4 月 10 KJ 5 10 月 15 KJ 6 7 9 月 20 KJ 8 月 25 KJ 全年热损失 KJ 300 500 800 1000 1200 1500 2000 以地下水调粪 水温取 15 每天加热原料所需热量列于表 15 厌氧罐容 积 m3 每天进料 量 t 原料每天升温所需 热量 KJ 全年原料升温所需 热量 KJ 30015 12 500 25 800 40 1000 50 1200 60 1500 75 2000 100 全年所需总热量列于表 16 厌氧罐容 积 m3 全年热损失 KJ 热损失校正 系数 a1 全年实际热 损失 KJ 全年原料升温 所需热量 KJ 全年所需总热 量 KJ 3001 6 5001 6 8001 6 10001 6 12001 6 15001 6 20001 6 2 2 2 燃煤锅炉的燃煤锅炉的 耗能耗能 产能产能 比比 表 17 厌氧罐 容积 m3 全年所需总 热量 KJ 全年所需煤 量 t 耗煤支出 万元 全年产生沼 气量 m3 沼气收入 万元 耗能 产能 比 支出 收 入比 30050 55 058760013 10 384 50080 88 0821 90 369 800124 112 4135 00 354 1000152 115 2143 80 347 1200180 318 0352 60 343 1500218 421 8465 70 332 2000288 728 8787 60 330 说明 计算取值 散煤的热值 6000kcal kg 锅炉实际热效率 53 散煤价格 1000 元 吨 沼气价格 1 5 元 m3 13 2 2 3 沼气锅炉的沼气锅炉的 耗能耗能 产能产能 比比 1 全年 产能 耗能 比 不同规模的沼气工程 全年产生和消耗的沼气量列于表 18 厌氧罐 容积 m3 全年所需总 热量 KJ 全年所需沼 气量 m3 全年产生沼 气量 m3 全年剩余 沼气量 m3 平均每天 剩余沼气 量 m3 耗能 产能 比 沼气量 比 3003860587600489951340 441 50061824841762310 423 800949643800 407 10004810 398 12005820 394 15007420 381 20009950 378 说明 计算过程中 燃气锅炉热效率取 80 进料温度取 15 在实际过程中 夏季剩余的沼气量较多 剩余的沼气可供户用 冬季剩余沼气量较小 难以满 足户用 3 冬季 产能 耗能 比 表 19 厌氧罐 容积 m3 每天理论 热损失 KJ 每天实 际热损 失 KJ 每天加热 原料所需 热量 KJ 每天所需 总热量 KJ 每天所 需沼气 量 m3 每天产生 沼气量 m3 每天剩 余沼气 量 m3 耗能 产能 比 沼 气量 比 300176 240 640 732 500283 400 1170 707 800436 640 2040 682 1000536 800 2640 670 1200637 960 3230 663 1500774 1200 4260 645 20001025 1600 5750 640 说明 计算过程中 燃气锅炉热效率取 80 进料温度取 0 14 2 2 4 沼气发电机的余热满足率和经济效率沼气发电机的余热满足率和经济效率 1 余热满足率分析 表 20 厌氧罐 容积 m3 全年所需总 热量 KJ 一年所产沼 气完全燃烧 放出的热量 KJ 全年可回收 的余热量 KJ 余热满足 需热率 3000 766 5000 797 8000 830 10000 847 12000 857 15000 885 20000 892 说明 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占总能量的 27 所以仅利用发电余热难以满足需求 如果进料温度较高 20 以上 发 电余热可满足要求 在操作过程中 需把夏季产生的多余的气储存起来供冬季 发电 2 发电机效率分析 表 21 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 3008760013 18 28236523 5511 830 90 50021 913 80394205 9119 710 90 80035 022 08630729 4631 540 90 100043 827 597884011 8339 420 90 120052 633 119460814 1947 300 90 150065 741 3917 7459 130 90 200087 655 1923 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 15 方米沼气计算 余热折算成沼气计算 4 冬季余热满足率计算 表 20 是以一年为计算周期得出的余热满足率 在操作过程中 需把夏季 产生的多余的气储存起来供冬季发电 这在实际工程中难以实现 现计算冬季 12 1 2 月份 发电余热的满足率 以一天为计算周期 如表 22 厌氧罐 容积 m3 每天理论 热损失 KJ 每天实 际热损 失 KJ 每天加热 原料所需 热量 KJ 每天所需 总热量 KJ 一天所产沼 气完全燃烧 放出的热量 KJ 每天可回 收的余热 量 KJ 余热满 足需热 率 3000 782 5000 831 8000 885 10000 914 12000 931 15000 980 20000 994 28001 030 说明 热损失校正因子 a1取 1 6 进料温度取 20 回收的余热占沼气完全燃 烧放出热量的 27 2 2 5 燃煤锅炉 燃气锅炉和沼气发电机组经济性对比分析燃煤锅炉 燃气锅炉和沼气发电机组经济性对比分析 1 燃煤锅炉与燃气锅炉对比 表 23 厌氧罐容积 m3 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 比值之差 3000 3840 441 0 057 5000 3690 423 0 054 8000 3540 407 0 053 10000 3470 398 0 051 12000 3430 394 0 051 15000 3320 381 0 049 20000 3300 378 0 048 16 从表中数据可以看出 燃煤锅炉的经济性好于燃气锅炉 对小规模的沼气工程 经济性更明显 说明 计算数据为 热效率 燃煤锅炉 53 燃气锅炉 80 单价 煤 1000 元 吨 沼气 1 5 元 m3 当煤和沼气的价格发生变动 耗能 产能 比会发生相应变动 2 燃气锅炉与沼气发电机对比 燃气锅炉的实际热效率为 80 相当于经济效率为 80 而沼气发电机 的效率为 90 所以沼气发电机的经济效率更高 需要说明该结论是在 电价 0 63 元 度 沼气价格 1 5 元 m3条件下得出的 2 2 6 拐点拐点 结论结论 1 沼气锅炉 所产生的沼气除满足自身热量需求外 剩余的沼气供户用 按照冬季 12 1 2 月份 供热设计 沼气锅炉 拐点 结论见表 24 前提条件1 进料温度 0 2 室外平均温度 0 3 保温措