Казус от практиката: Възстановяване на отпадна топлина от електроцентрала за биогаз за изолация на анаеробно разграждане

 

I. Преглед на проекта

Този проект се намира в широко{0}}мащабен индустриален парк за отглеждане на добитък и птици в Бавария, Германия. Оборудван е със средно голяма-електрическа централа за биогаз и система за анаеробно ферментационно пречистване, чиято основна функция е да пречиства животински и птичи тор и отпадъчни води от разплод, генерирани от големи-мащабни ферми в парка. Биогазът се произвежда чрез анаеробна ферментация за производство на електроенергия, като същевременно се реализира оползотворяване на ресурсите от отпадъци и екологосъобразно изхвърляне. Общият мащаб на пречистване на проекта е 120 тона животински и птичи тор и 300 кубични метра животновъдни отпадъчни води на ден, оборудвани с 2 комплекта 100kW генераторни комплекти за биогаз и 8 бионични чревни анаеробни биореактора с обем от 2000 кубични метра всеки. Ферментационните суровини влизат в анаеробните котли след предварителна обработка и биогазът се произвежда чрез микробен метаболизъм при подходяща температура. След пречистване биогазът се изпраща към генераторните комплекти за производство на електроенергия. Цялата отпадъчна топлина, генерирана по време на процеса на производство на електроенергия, се възстановява и използва за изолация с постоянна температура на анаеробните биореактори, образувайки система за оползотворяване на енергия със затворен-контур на „анаеробна ферментация за производство на биогаз - производство на енергия от биогаз - възстановяване на отпадъчна топлина за изолация - подобряване на ефективността на ферментацията“.

Преди изпълнението на проекта, зимната изолация на анаеробните котли възприе основно метода на електрическо отопление, подпомагано от отопление с парен котел, което имаше проблеми с висока консумация на енергия, нестабилен изолационен ефект, високи експлоатационни разходи и сериозни загуби на енергия. Особено в студената и влажна зимна среда в Бавария, температурата вътре в анаеробните биореактори е трудно да се поддържа стабилно в подходящия диапазон за мезофилна ферментация, което води до големи колебания в производството на биогаз и засяга ефективността на производството на електроенергия. За разрешаване на горепосочените болезнени точки проектът въведе технология за оползотворяване на отпадна топлина за производство на електроенергия от биогаз и специално избрана Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd. (VRCOOLER) - водещ производител на индустриално топлообменно оборудване - за проектиране и производство на основните единици за оползотворяване на отпадъчна топлина. Тези единици за оползотворяване на отпадна топлина приемат структура с оребрени тръби, която може ефективно да разшири зоната на топлообмен и да подобри ефективността на оползотворяване на топлината, осигурявайки ефективно оползотворяване на отпадната топлина от димните газове и отпадъчната топлина от кожуха на цилиндъра, генерирана по време на работата на генераторните комплекти за изолация на анаеробни биорегенератори, реализирайки каскадно използване на енергията, намалявайки оперативните разходи и подобрявайки стабилността на системата.

II. Основна технология и проектиране на процеси

(I) Основен технически принцип

Когато генераторът за биогаз работи, само 35%-42% от енергията, генерирана от изгарянето на гориво, се преобразува в електрическа енергия, а останалите 58%-65% от енергията се разсейват под формата на отпадъчна топлина от димни газове (температура до 600 градуса) и отпадна топлина от кожуха на цилиндъра (температура около 90 градуса). Директните емисии не само причиняват загуба на енергия, но също така увеличават топлинното замърсяване на околната среда. По време на процеса на анаеробна ферментация микробната активност е чувствителна към температурата. При мезофилна ферментация (35-40 градуса), метаногенната активност е оптимална, а производството на биогаз и ефективността на ферментацията са най-високи. Температурата на околната среда обаче е ниска през зимата и анаеробните котли разсейват топлината бързо, което изисква непрекъснато подаване на топлина, за да се поддържа постоянна температура вътре в котлите. Чрез системата за оползотворяване на отпадна топлина, този проект възстановява и обменя отпадъчната топлина, разсеяна по време на производството на електроенергия, след което я транспортира до анаеробните биореактори, за да осигури стабилен източник на топлина, заменяйки традиционното електрическо отопление и методите за отопление с парен котел и постигайки целите за „рециклиране на енергия, намаляване на разходите и повишаване на ефективността, както и опазване на околната среда и спестяване на енергия“.

(II) Състав на процесната система

Системата за оползотворяване на отпадъчната топлина и анаеробната изолационна система на този проект се състои главно от 4 части, които работят синергично, за да осигурят ефективно оползотворяване на отпадната топлина, стабилен транспорт и прецизен контрол на температурата на анаеробните биорегенератори, както следва:

Система за производство на енергия от биогаз: Използват се два комплекта газови генератори с мощност 100kW, използващи като гориво биогаз, произведен от анаеробни реактори. След пречистване, като десулфуризация и дехидратация, биогазът се изпраща към генераторните комплекти за изгаряне и генериране на електроенергия. Всяка единица консумира 48 кубически метра биогаз на час, с ефективност на генериране на електроенергия от 42% и генерира голямо количество отпадна топлина (максималната отпадна топлина на една единица е 286kW), осигурявайки стабилен източник за възстановяване на отпадната топлина. Генераторните комплекти са оборудвани с устройства за десулфуризация на биогаз, които могат ефективно да премахнат сероводорода в биогаза, да избегнат корозията на оборудването и да осигурят дългосрочна-стабилна работа на системата.

Система за оползотворяване на отпадна топлина: Основното оборудване включва топлообменник на димни газове, воден топлообменник с цилиндрична риза и циркулационна помпа, всички от които са проектирани и произведени от VRCOOLER (Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd.), професионално предприятие с богат опит в научноизследователската и развойна дейност и производството на топлообменно оборудване, притежаващо сертификат за международна система за качество ISO 9001. Системата възприема дизайн с „двоен-контурен топлообмен“, а основните топлообменни компоненти на регенераторите за отпадна топлина са оребрени тръбни структури - оребрените тръби са направени чрез спирално обвиване на ленти с перки около обиколката на тръбата, с гофрирани ребра на външната стена, за да се увеличи значително топлообменната площ и да се подобри ефективността на топлопреноса. От една страна, високотемпературната отпадъчна топлина от димните газове, отделена от генераторните комплекти, се възстановява чрез топлообменника за димни газове с оребрена тръба VRCOOLER, загрявайки циркулиращата среда (смес от антифриз и вода) до около 58 градуса; от друга страна, отпадъчната топлина от кожуха на цилиндъра на генераторните комплекти се възстановява чрез водния топлообменник с цилиндър с риза на цилиндър с оребрена тръба VRCOOLER, допълнително повишавайки температурата на циркулиращата среда до над 65 градуса, като се гарантира, че температурата на източника на топлина отговаря на нуждите от изолация на анаеробните биореактори. Системата за оползотворяване на отпадна топлина VRCOOLER е оборудвана с интелигентно устройство за контрол на температурата, което може автоматично да регулира ефективността на топлообмена според температурата на димните газове и температурата на циркулиращата среда, намалявайки загубата на отпадна топлина. Тестовете показват, че ефективността на оползотворяване на отпадната топлина на системата е повече от 85%, което може напълно да възстанови отпадъчните топлинни ресурси, генерирани по време на генерирането на електроенергия, благодарение на отличното представяне на топлопреноса на структурата на ребрената тръба и професионалния дизайн на VRCOOLER.

Изолационна система за анаеробно разграждане: Всичките 8 анаеробни биореактора приемат структурен дизайн на "вътрешно отопление на серпентината + външен изолационен слой". Серпентини, устойчиви на висока -температура и корозия-, са положени около вътрешната стена на котлите и циркулиращата среда обменя топлина с ферментационната течност в котлите през серпентините, за да се постигне равномерно повишаване на температурата вътре в котлите; върху външната стена на биореактора е положен изолационен слой от разпенен цимент с дебелина 15 cm. Разпененият цимент има добри топлоизолационни характеристики, което може ефективно да намали загубата на топлина вътре в котлите. Според числени симулационни изчисления, при тази изолационна схема, общите топлинни загуби на анаеробните биореактори могат да се контролират в рамките на 428,24 MJ·d⁻¹, осигурявайки стабилен изолационен ефект. В същото време анаеробните биореактори приемат бионична чревна структура, която не изисква механични устройства за разбъркване, има проста структура и ниска консумация на енергия и може да реализира динамично разделяне на всеки етап на ферментация и да подобри ефективността на ферментацията.

Интелигентна система за управление: PLC интелигентна система за управление е адаптирана за-наблюдение в реално време на повече от 200 индикатора като температурата на ферментационната течност в анаеробните биореактори, температурата на циркулиращата среда, температурата на димните газове и работните параметри на генераторните комплекти. Скоростта на циркулационната помпа и ефективността на топлообмена на отпадната топлина се регулират автоматично чрез предварително зададени програми, за да се гарантира, че температурата вътре в анаеробните котли се поддържа стабилно в оптималния диапазон на ферментация от 35±0,5 градуса. Когато температурата вътре в биореактора е по-ниска от предварително зададената стойност, системата автоматично увеличава обема на отработената топлина; когато температурата е по-висока от предварително зададената стойност, тя автоматично намалява обема на отработената топлина. В същото време излишната отпадна топлина може да се използва за отопление в етапа на предварителна обработка на ферментационните суровини, реализирайки каскадно оползотворяване на отпадъчната топлина и подобрявайки ефективността на оползотворяване на енергията.

(III) Ключова оптимизация на процеса

1. Оптимизиране на обмена на отпадъчна топлина: Чрез метода за числена симулация на изчислителната динамика на флуидите (Fluent), температурното поле вътре в анаеробния биореактор се симулира и анализира, а плътността на разположението на серпентината и пътя на топлообмена са оптимизирани, за да се осигури равномерно разпределение на температурата вътре в биореактора, като се избягва прекомерната или недостатъчна локална температура, засягаща микробната активност. В същото време се установява, че изолационният ефект е оптимален, когато температурата на подавания горещ въздух е 35 градуса.

2. Избор на изолационен материал: След сравняване на характеристиките на различни изолационни материали, разпененият цимент е избран като материал за външния изолационен слой на анаеробните котлони. Този материал има предимствата на добър изолационен ефект, ниска цена, устойчивост на корозия, защита на околната среда и не-токсичност. В сравнение с традиционните полиуретанови изолационни материали, той може да намали разходите за изолация с повече от 15% и да намали въздействието върху околната среда.

3. Оптимизиране на циркулационната система: Приема се циркулационна система със затворен-контур и циркулиращата среда може да се използва повторно, за да се намали потреблението на водни ресурси. В същото време в циркулационния тръбопровод се монтират филтри и устройства за отстраняване на котлен камък, за да се предотврати запушването на тръбопровода и образуването на котлен камък, да се удължи експлоатационният живот на оборудването и да се намалят разходите за експлоатация и поддръжка.

 

III. Процес на изпълнение на проекта

(I) Подготвителен етап (1-2 месеца)

Беше организиран технически екип, който да извърши-проучване на проекта на място. В комбинация с мащаба на анаеробните реактори, параметрите на генераторните комплекти и местните климатични условия в Бавария, проектната схема на системата за оползотворяване на отпадна топлина беше оптимизирана в сътрудничество с техническия екип на VRCOOLER и бяха определени моделът на топлообменниците с ребра на VRCOOLER, схемата на разположение на намотката, спецификациите на изолационния материал и параметрите на интелигентната система за управление; основно оборудване като топлообменници за димни газове с оребрени тръби VRCOOLER, водни топлообменници с цилиндрична риза VRCOOLER, циркулационни помпи, изолационни материали от разпенен цимент и интелигентни инструменти за контрол на температурата бяха закупени, за да се гарантира, че качеството на оборудването отговаря на инженерните изисквания - Топлообменниците на VRCOOLER приемат високо-качествени материали от неръждаема стомана и алуминий за тръби и ребра, с добра устойчивост на корозия и висока -температурна устойчивост, адаптиращи се към тежката работна среда на висока-температура на димните газове и вода от кожуха на цилиндъра; Беше осигурено техническо обучение на строителния персонал за изясняване на строителния процес, спецификациите за безопасност и стандартите за качество, като се фокусира върху обучението на уменията за инсталиране на системата за оползотворяване на отпадъчната топлина с оребрени тръби VRCOOLER и изолационната конструкция на анаеробните котлони.

(II) Етап на инсталиране и изграждане на оборудване (3-4 месеца)

1. Инсталиране на система за оползотворяване на отпадна топлина: Първо, топлообменникът за димни газове с оребрена тръба VRCOOLER и водният топлообменник с оребрена тръба с цилиндрична обвивка VRCOOLER бяха неподвижно инсталирани в съответствие със спецификациите на производителя и -изискванията за проектиране на място. Тръбопроводът за димни газове и водният тръбопровод на кожуха на цилиндъра между топлообменниците и генераторния комплект бяха свързани и обработката на уплътнението на тръбопровода беше направена, за да се предотврати изтичане на отпадна топлина - топлообменниците с ребра на VRCOOLER са оборудвани с устойчиви на корозия намотки с покритие, които могат ефективно да устоят на корозията на следи от киселинни вещества в димния газ, гарантирайки дългосрочна-стабилна работа. След това бяха инсталирани циркулационната помпа и циркулационният тръбопровод, интелигентният инструмент за контрол на температурата беше свързан към PLC системата за управление и пускането в експлоатация на оборудването беше завършено съвместно с техническия екип за след-продажби на VRCOOLER, за да се осигури нормалната работа на системата за оползотворяване на отпадна топлина и да се даде пълноценно предимство на топлопреноса на структурата на ребрената тръба.

2. Изолационна конструкция на анаеробни биореактори: Първо, външната стена на анаеробните регенератори беше почистена и обезръждена, след това беше положен изолационният слой от разпенен цимент, за да се гарантира, че изолационният слой е с еднаква дебелина, без повреди и кухини; Устойчиви на висока -температура и корозия- серпентини бяха положени върху вътрешната стена на биореактора, свързани с циркулационния тръбопровод, и беше извършен тест за водно налягане, за да се гарантира, че няма теч от серпентините; температурни сензори вътре в котлите бяха инсталирани и свързани към интелигентната система за управление, за да се реализира мониторинг на температурата в реално-време.

3. Пускане в експлоатация на свързване на системата: След като инсталацията на цялото оборудване беше завършена, беше извършено пускане в експлоатация на свързване на системата, за да се симулира целият процес на работа на генераторния комплект, оползотворяване на отпадната топлина и изолация на анаеробния котлон, параметри за отстраняване на грешки като точност на температурния контрол, скорост на циркулационната помпа и ефективност на топлообмена, решаване на проблеми като изтичане на тръбопровод и неточен контрол на температурата по време на пускане в експлоатация и гарантиране, че всички връзки на системата работят синергично и отговарят на проектните изисквания.

(III) Етап на пробна експлоатация и приемане (1 месец)

След като пускането в експлоатация на системната връзка беше квалифицирано, тя влезе в етап на пробна експлоатация. По време на пробната експлоатация показатели като температурна стабилност вътре в анаеробните биореактори, ефективност на възстановяване на отпадната топлина и работното състояние на генераторните комплекти бяха наблюдавани в реално-време, съответните данни бяха записани и параметрите на системата за управление бяха оптимизирани и коригирани; след пробната експлоатация беше организиран професионален екип, който да извърши приемането на проекта, като се съсредоточи върху проверката на ефективността на оползотворяване на отпадната топлина, изолационния ефект на анаеробните биореактори и стабилността на работата на оборудването. След квалифицирано приемане проектът беше официално пуснат в експлоатация.

IV. Анализ на ефекта и ползите от дейността на проекта

(I) Операционен ефект

След като проектът беше официално пуснат в експлоатация, бяха реализирани ефективно оползотворяване на отпадната топлина от производството на енергия от биогаз и изолация с постоянна температура на анаеробни биореактори със забележителни експлоатационни ефекти, конкретно отразени в следните аспекти:

Стабилен контрол на температурата: Чрез синергичния ефект на интелигентната система за управление и системата за оползотворяване на отпадната топлина, температурата вътре в анаеробните котли се поддържа стабилно в оптималния диапазон на ферментация от 35±0,5 градуса. Дори когато температурата на околната среда падне под 0 градуса през зимата, температурните колебания вътре в биореактора не надвишават ±1 градус, което напълно решава проблема с нестабилната температура при традиционния метод на изолация и осигурява подходяща среда за растеж на метаногените.

Подобрена ефикасност на ферментацията: Стабилната среда с постоянна температура значително подобрява ефективността на анаеробната ферментация и предимствата на бионичните чревни анаеробни разграждащи апарати се проявяват напълно. Цикълът на ферментация се съкращава от 28 дни на 21 дни, производството на биогаз се увеличава с повече от 25%, дневното производство на биогаз се увеличава от 1200 кубични метра на 1500 кубични метра, а чистотата на биогаза (съдържание на метан) се поддържа стабилно на 60% -65%, осигурявайки достатъчно гориво за производство на енергия.

Ефективно оползотворяване на отпадна топлина: Ефективността на оползотворяване на отпадъчната топлина на системата е повече от 85%, а дневната отпадна топлина, възстановена от 2 генераторни комплекта, може да отговори на пълните нужди от изолация на 8 анаеробни биорегенератора, напълно замествайки традиционното електрическо отопление и методите за отопление с парен котел, реализирайки оползотворяване на ресурсите на отпадъчната топлина и намалявайки загубата на енергия.

Стабилна работа на системата: Цялата система има висока степен на автоматизация и интелигентната система за управление може да реализира работа без надзор, което значително намалява натоварването при експлоатация и поддръжка. От пробната експлоатация честотата на отказ на оборудването е по-малка от 3%, стабилността на системата е добра и разходите за експлоатация и поддръжка са ефективно намалени.

(II) Анализ на ползите

1. Икономически ползи

След изпълнението на проекта икономическите ползи са значителни, отразяващи се главно в три аспекта: първо, спестяване на разходи за отопление. Замяната на традиционното електрическо отопление и отоплението с парни котли може да спести около 1200 евро разходи за електроенергия и гориво на ден и повече от 430 000 евро годишни експлоатационни разходи; второ, увеличаване на приходите от производство на електроенергия. Производството на биогаз се увеличава с 25%, генерирайки около 900 kWh повече електроенергия на ден. Според местната-цена на електроенергията в мрежата от 0,65 евро/kWh, годишният допълнителен приход от производство на електроенергия е около 210 000 евро; трето, намаляване на разходите за експлоатация и поддръжка. Системата работи автоматично, намалявайки 2 персонала за експлоатация и поддръжка, спестявайки около 120 000 евро годишни разходи за труд. Цялостното изчисление показва, че проектът добавя около 760 000 евро годишни икономически ползи, като периодът на изплащане на инвестицията е само 2,5 години. В същото време годишният доход от продажба на електроенергия може да достигне 20 281 евро, а годишните разходи са само 4 047 евро, което показва значителни икономически предимства.

2. Ползи за околната среда

Първо, намаляване на консумацията на енергия. Възстановяването и използването на отпадъчната топлина от производството на енергия от биогаз може да спести около 120 тона стандартни въглища годишно, намалявайки замърсяването на въздуха, причинено от изгарянето на въглища; второ, намаляване на емисиите на парникови газове. Замяната на традиционните методи за отопление с възстановяване на отпадната топлина може да намали емисиите на въглероден диоксид с около 8 000 тона годишно, което спомага за постигането на целта за „двоен въглерод“; трето, реализиране на ресурсно оползотворяване на отпадъците. Преобразуването на животински и птичи тор и отпадъчни води от развъждане в биогаз и органичен тор намаляват емисиите на отпадъци, подобряват качеството на околната среда и осъществяват „превръщането на отпадъците в съкровище“.

3. Социални придобивки

Първо, той решава проблема с обработката на отпадъците от животновъдството и птицевъдството, избягва замърсяването на почвата, водата и въздуха от тор и отпадъчни води и подобрява местната екологична среда; второ, осигурява чисто електричество, допълва местното електроснабдяване и облекчава регионалния енергиен недостиг; трето, насърчава развитието на индустрията за оползотворяване на ресурси от селскостопански отпадъци, предоставя референтен случай за оползотворяване на отпадната топлина и оползотворяване на подобни електроцентрали за биогаз, стимулира развитието на нови енергийни проекти в околните райони и насърчава екологичното и устойчиво развитие на селското стопанство.

 

V. Резюме на проекта и перспектива

(I) Резюме на проекта

Чрез въвеждането на технология за оползотворяване на отпадъчната топлина за производство на енергия от биогаз, този проект оползотворява отпадъчната топлина, разсеяна по време на работата на генераторните комплекти за изолация на анаеробни биореактори, образувайки система за оползотворяване на енергия със затворен-контур на „анаеробна ферментация - производство на енергия от биогаз - оползотворяване на отпадна топлина - изолация с постоянна температура“. Той напълно решава болезнените точки на високата консумация на енергия, нестабилната температура и високите експлоатационни разходи на традиционната изолация на анаеробния котлон. След изпълнението на проекта той не само подобрява ефективността на анаеробната ферментация и производството на биогаз, реализира ресурсно оползотворяване на отпадната топлина, но също така постига значителни икономически, екологични и социални ползи. Той проверява осъществимостта и превъзходството на използването на отпадъчната топлина от производството на енергия от биогаз за изолация на анаеробния биогаз и предоставя практична и осъществима схема за енергоспестяваща трансформация на средни-големи електроцентрали за биогаз.

Ключът към успешното изпълнение на проекта се крие в комбинирането на структурните характеристики на бионичните чревни анаеробни разграждащи апарати, оптимизирането на топлообмена и изолационните параметри чрез числена симулация, избора на подходящи изолационни материали и оборудването за оползотворяване на отпадъчната топлина с оребрени тръби VRCOOLER - оребрената тръбна структура на топлообменниците ефективно разширява топлообменната площ 4-6 пъти в сравнение с обикновените тръби, което значително подобрява ефективността на възстановяване на топлината. С професионалните възможности за проектиране и производство на VRCOOLER и съчетаването с интелигентната система за управление се постига прецизен контрол на температурата и ефективно оползотворяване на отпадната топлина, като се избягва въздействието на загубата на отпадна топлина и температурните колебания върху ефективността на ферментацията.

(II) Бъдеща перспектива

В бъдеще, въз основа на опита от изпълнението на този проект, ние допълнително ще оптимизираме системата за оползотворяване на отпадъчната топлина, ще подобрим ефективността на оползотворяване на отпадъчната топлина, ще проучим каскадния режим на оползотворяване на отпадъчната топлина и ще използваме излишната отпадъчна топлина за отопление в развъдния парк и предварителна обработка на ферментационните суровини, за да подобрим допълнително ефективността на оползотворяване на енергията; в същото време, въвеждане на цифрова двойна технология за изграждане на цифров двоен модел на системата за анаеробна ферментация и оползотворяване на отпадната топлина, реализиране на мониторинг в реално-време, ранно предупреждение за неизправности и оптимизиране на параметрите на работното състояние на системата и подобряване на нивото на интелигентност на системата; в допълнение, популяризиране на техническата схема на този проект към електроцентрали за биогаз в други области, като отглеждане на добитък и птици и обработка на хранителни отпадъци, подпомагане на повече нови енергийни проекти за постигане на енергоспестяване и намаляване на въглерода и насърчаване на високо-качественото развитие на зелената енергийна индустрия.