木薯淀粉加工废弃物沼气发电工程设计.doc

木薯淀粉加工废弃物沼气发电工程设计中国沼气ChinaBiogas2009,27(6)木薯淀粉加工废弃物沼气发电工程设计陈祥(云南省电力设计院,云南昆明650011)摘要:在木薯淀粉加工中产生的大量木薯渣虽可以通过饲养家畜来解决,但仍剩余大量木薯渣堆放.本文介绍了云南省红枫农业公司的沼气利用工程,该分司利用木薯淀粉加工过程中产生的木薯渣和黄浆液生产沼气,再利用产生的沼气发电,实现了废弃物资源的良性循环.关键词:木薯淀粉;沼气;电站中图分类号:TK6;$216.4文献标识码:B文章编号:10001166(2009)06002503Design&OperationofaElectricGenerationSystemwithBiogasasfuelinCassavaStarchProcessingFactory/CHENXiang/(YunnanElectricPowerDesignInstitute,Kunming650011,China)Abstract:Thoughpartofdregsproducedincassavaprocessingcanbeusedasfeedforlivestock,butthereisstilllargeamountofremain.Alongwiththeincreasingcompetitivepressuresinthemarket,andthemorestringentenvironmentalregnlations,seekingakindofnewenergySOUIestodisplacethetraditionalenergyisallurgentissue.Thispaperintroducedabiogasengineeringproducingpowerwithbiogasinacassavaprocessingfactory.Designandoperationarediscussed.Keywords:cassavastarch;biogasproduction;powerproductionwithbiogasasfuel云南省红枫农业公司在木薯淀粉的加工生产过程中产生大量废弃的木薯渣和黄浆液.木薯渣是木薯淀粉生产的剩余物,含有大量有机物,蛋白及纤维等物质.黄浆液是木薯淀粉加工生产过程中沉淀分离出来的剩余浆液,含有有机质和蛋白质.按现有木薯淀粉生产能力计算,该公司每年产生木薯渣干质1.56万吨,黄浆液48万吨.沼气发电是沼气利用的有效方式之一.凡是产生大量有机废弃物的工厂,如酒精厂,糖厂,污水处理厂等,均有条件建设大型沼气发电站,以缓和用电紧张的矛盾,降低生产成本.为了开发利用木薯渣,该公司于2006年开始饲养生猪和肉牛,同时利用猪牛粪污,黄浆液及剩余木薯渣作为原料建设大型沼气能源工程,生产电力和热力以满足公司内部生产的能源需求,利用沼气发酵后的沼渣生产高效有机肥,沼液就近返回农田,实现农业生态循环,改善公司环境.1沼气发电站的设计1.1沼气发电生态循环工程本项目采用能源生态型处理利用工艺,畜禽场污水经厌氧无害化处理后排人木薯种植基地进行灌溉.猪牛粪通过人工清运至沉淀池,污水通过管道输人沉淀池,经格栅清除沉渣和杂草后,进入调浆池搅拌,然后泵人调节池升温处理,并使pH达到中性,料液干物质浓度调为8%,温度预加热到35C,最后泵人全混合式厌氧消化反应器(CSTR)内搅拌均匀,在恒定中温条件下进行厌氧消化,温度设在32C38qC,水力滞留期为l5天.为保证用气的稳定性,沼气储存在储气罐中,供发电和燃烧使用.反应后的料液经固液分离,产生的沼渣,沼液分别制成固体,液体有机肥,多余的沼液回流使用.图1为该公司的沼气发电生态循环工程工艺流程图.为保证冬季CSTR在恒定中温条件下正常运行,利用内燃发电机的尾气通过换热器加热调节沼气池内温度维持在35.沼气发电站除了具有与普通内燃机发电站共有的系统,如冷却水系统,加热系统,排气系统和电气系统外,较特殊的是沼气系统,通风系统和排气系统.新生成的沼气是含饱和水蒸气的混合气体,除收稿日期:2009-07-09修回日期:200910-27作者简介:陈祥(1980一),男,工程师,主要从事热工控制的工作,Email:skiemail.ustc.eda.ell中国沼气ChinaBiogas2009,27(6)余热排出图1沼气发电生态循环工程工艺流程图含有燃料气体CH,惰性气体CO:外,还含有H.s和悬浮的颗粒状杂质.HS不仅有毒,而且有很强的腐蚀性.过量的HS和杂质会危及发动机的寿命,所以新生成的沼气不宜直接用作发动机燃料J.因此,发电站的沼气系统除常规储气和稳压装置外,还配备了脱硫,脱水设备.发电机组以沼气为燃料.其主要成分CH是易燃易爆气体,空气中CH的爆炸极限浓度为5%15%-4J.为消除火灾隐患,必须防止可燃气体的集聚,因此,本工程加强了通风,有效防止了爆炸隐患.甲烷相对密度为0.55(空气=1),故沼气比空气轻,所以采用了由下而上的通风方式.将风机设在发电机房的地沟内,使新鲜空气经由地沟向发电机组四周强制送风,并与机房顶部的排风机组成通风回路.通过风量计算,使发电机房工作时始终处于正压状态,并有适当的扰动气流存在以防止可燃气体的集聚J.1.2沼气内燃发电机纽的选型按照该公司的木薯淀粉生产高峰期计算,木薯残渣平均每天产生量为78.69吨;动物粪便每天的干态产生量为l9.52吨.由此,生产高峰期平均每天产沼气发酵原料干态量为98.21吨,厌氧发酵罐的设计容积为(假设混合液的密度为1t?m):Vmax=(98.21t?d15d)(8%90%)=20460.42m0分为4个同容积的单体发酵罐,同时根据发酵罐标准模数,选择发酵罐的直径24.00/1,高度12.0om,容积为5428.67In.总容积为21714.68m.则生产高峰期的设计日产气量为:(98.21t?d15d)8%m.1.2m.(/I1一d一)=22097m?d一:CH浓度约为65%【6J,同时依据目前沼气内燃发电机组的技术,每立方米沼气发电量为1.82.3kWh,保守取值每立方沼气对应发电量为1.8kwh,则该公司需要沼气内燃发电机组至少容量为1657kW.根据目前国内已成熟应用的情况,该项目采用了4台500kW的沼气内燃发电机组.1.3余热锅炉的选型利用沼气发电机排出烟气的余热属于节能措施,而利用烟气余热的装置就是余热锅炉.余热锅炉与沼气内燃发电机配合,沼气内燃发电机的排气(温度约在500%一550%)进入余热锅炉,加热受热面中的冷水,冷水吸热变为高温高压的蒸汽或者热水再进人调节池,加热池中的料液.红枫公司现有两台蒸汽量为6t?h的燃煤锅炉.最初的设想是利用沼气发电机所排出的烟气作为余热锅炉的热源,来提供共计12t?h的蒸汽,以取代原有的两台燃煤锅炉.经过计算,这个设想不能实现.红枫公司两台蒸汽量为6t?h的燃煤锅炉蒸汽参数是180%,1MPa.假定冷水的初始参数为15C,800kPa.通过查水的焓熵表得知,初始冷水的焓H为63.75l(J?,水蒸气的焓H2为2777.43kJ?kg,则冷水被加热到180,1MPa的水蒸气所吸收的热量为:ql=H1一=2713.68kJ?kg蒸汽量为:m=26=12t?h两台6t?h的锅炉每日所需热量为:Q1=m1Xq124=781439.84MJ而每日用于发电的沼气量:V=22097Nm(生中国沼气ChinaBiogas2009,27(6)27产高峰),为了保证沼气的完全燃烧,将沼气对空气的比例以l:11混合后再进行燃烧,则混合后气体体积为:口2=l(1+11)=265164Nm沼气和空气的混合气体发生燃烧反应后,成为烟气,烟气的密度p按照经验为1.25kg?m,烟气的质量就为:m2=pv2=1.25X265164=331455kg.从沼气发电机出来的烟气温度大概为550%,用烟气把冷水加热到水蒸气后,从余热锅炉出来的烟气降为250左右,550oC250C的烟气平均定压比热容C.按经验取为1.12kJ?(kg).,烟气所能提供的热量为:Q2=/71,2XC1c1=3314551.12(550250)=111667.19MJ由此可见,Q:小于Q.,不能提供足够的热量.既然余热锅炉不能代替原有两台6t?h燃煤锅炉,因此考虑用余热锅炉加热热水,再用热水去加热调节池内的料液.每日的料液质量rn为1227.625t,采用中温发酵,料液温度要达到35,设料液初始温度为l5,其比热用水的比热代替,而水的比热容c为4.18kJ?(kgC),则料液所需的热量为:Q4=m4xt2=1227.6254.18(3515)=102629.5MJ余热锅炉的烟气排气温度可以降低到100%,烟气可提供的热量比加热蒸汽所能提供的热量有所增加,烟气可提供的热量为:Q5=D/,2Cp1o=3314551.12(550100)/1000=l657500.78MJQ大约是Q的1.5倍,假设烟气可提供的热量有90%能用到加热料液,则理论上可以把料液的温度加热到:Tl=0.9Q5/(c位?m4)+l5=o.9167o.78/(4.18X1227.625)+15=44.38而料液需要加热的温度为35,可见,用烟气余热来加热料液是完全可行的.1.4沼渣,沼液有机肥的利用经厌氧消化后的沼渣全部进行了利用,项目中产生的沼渣通过浓缩机浓缩生产成含水率为70%一80%的有机肥向附近的甘蔗园,果园,菜园销售.厌氧消化中产生的沼液利用场内已有的灌溉管网直接对整个木薯种植基地实现灌溉,实现了沼液的安全排放,改变土质,提高了木薯种植基地的产量.2沼气发电站的运行情况前期调试中,沼气产生量不稳定,沼气中CH含量过低,发电机组未满负荷运行,期间也发生过启动不成功的现象.目前,当地气温较高,发酵原料充足,CSTR中甲烷菌种群数量不断上升.考虑到夜晚负荷的降低,发电机组停运4至6个小时.在发电机组停运阶段,为避免储气罐的过压,目前生产的部分沼气送人锅炉燃烧,同时也减少了锅炉的燃煤量.每天进入调节池的发酵原料干质约40t(木薯渣的量占50%左右).两个单体发酵罐的出力接近80%;沼气产气量约8OO01TI?d一,CH含量约65%;发电机组出力正常.夜间,当气温逐渐下降后,由于CSTR中料液采用烟气余热加热,使其温度稳定在35左右,发电机组仍能运行正常.该公司在木薯生产的非高峰期,平均每天进入调节池的发酵原料干质约25t(主要为动物粪便).按照理论计算,理论产生沼气量为5200113?d,实际产气量介于33004100na?d之间.根据生产状况,该公司目前只启动了两个单体发酵罐和一台500kW发电机组.3小结本工程建设的主要目的是为了处理红枫公司的废弃木薯渣及其养殖场各类家畜的粪污,改善当地环境质量,合理利用能源.用厌氧消化的方式处理该公司在淀粉生产过程中产生的木薯渣,木薯皮,黄浆及各类家畜的粪污,不仅减少了此类物质的排放,有效地控制了污染,同时进行综合利用回收能源用于发电,使上述物质的处理达到无害化,资源化和减量化,满足了木薯深加工业对环境保护的要求.参考文献:1刘建平