Casestudie: Spildvarmegenvinding fra biogaskraftværk til anaerob rådnetankisolering

 

I. Projektoversigt

Dette projekt er placeret i en stor-industripark for husdyr- og fjerkræavl i Bayern, Tyskland. Den er udstyret med et mellemstort-biogaskraftværk og et anaerobt fermenteringsbehandlingssystem, hvis kernefunktion er at behandle husdyr- og fjerkrægødning og avlspildevand genereret af store-bedrifter i parken. Biogas produceres gennem anaerob fermentering til elproduktion, samtidig med at ressourceudnyttelse af affald og miljøvenlig udledning realiseres. Projektets samlede behandlingsskala er 120 tons husdyr- og fjerkrægødning og 300 kubikmeter avlsspildevand om dagen, udstyret med 2 sæt 100kW biogasgeneratorsæt og 8 bioniske tarm anaerobe rådnetanke med en volumen på 2000 kubikmeter hver. Gæringsråvarerne kommer efter forbehandlingen ind i de anaerobe rådnetanke, og biogas produceres gennem mikrobiel metabolisme ved en passende temperatur. Efter rensebehandling sendes biogassen til generatorsættene til elproduktion. Al den spildvarme, der genereres under elproduktionsprocessen, genvindes og bruges til konstant temperaturisolering af de anaerobe rådnetanke, der danner et lukket-energiudnyttelsessystem med "anaerob fermentering til biogasproduktion - biogasenergiproduktion - genvinding af spildvarme til isolering - forbedring af fermenteringseffektivitet".

Før projektgennemførelsen anvendte vinterisoleringen af ​​de anaerobe rådnetanke hovedsageligt metoden til elektrisk opvarmning assisteret af dampkedelopvarmning, som havde problemer med højt energiforbrug, ustabil isoleringseffekt, høje driftsomkostninger og alvorligt energispild. Især i det kolde og fugtige vintermiljø i Bayern var temperaturen inde i de anaerobe rådnetanke svær at holde stabilt i det passende område til mesofil gæring, hvilket resulterede i store udsving i biogasproduktionen og påvirkede elproduktionseffektiviteten. For at løse ovennævnte smertepunkter introducerede projektet biogas-kraftproduktionsteknologi til genvinding af spildvarme og specielt udvalgte Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd. Disse spildvarmegenvindingsenheder anvender ribbet rørstruktur, som effektivt kan udvide varmevekslingsområdet og forbedre varmegenvindingseffektiviteten, hvilket sikrer effektiv genvinding af røggasspildvarme og cylinderkappevandsspildvarme, der genereres under driften af ​​generatorsættene til isolering af anaerobe rådnetanke, realisere kaskade energiudnyttelse, reducere driftsomkostninger og forbedre driftsomkostningerne.

II. Kerneteknologi og procesdesign

(I) Teknisk kerneprincip

Når biogasgeneratorsættet er i drift, omdannes kun 35%-42% af energien fra brændstofforbrændingen til elektrisk energi, og de resterende 58%-65% af energien afgives i form af røggasspildvarme (temperatur op til 600 grader) og cylinderkappevandspildvarme (temperatur ca. 90 grader). Direkte emission forårsager ikke kun energispild, men øger også miljøets termiske forurening. Under den anaerobe fermenteringsproces er mikrobiel aktivitet følsom over for temperatur. Ved mesofil gæring (35-40 grader) er methanogenaktiviteten optimal, og biogasproduktion og fermenteringseffektivitet er den højeste. Den omgivende temperatur er dog lav om vinteren, og de anaerobe rådnetanke afleder varmen hurtigt, hvilket kræver kontinuerlig varmetilførsel for at holde en konstant temperatur inde i rådnetankene. Gennem spildvarmegenvindingssystemet genvinder og udveksler dette projekt spildvarmen, der spredes under elproduktionen, og transporterer den derefter til de anaerobe rådnetanke for at give en stabil varmekilde, der erstatter de traditionelle elektriske opvarmningsmetoder og dampkedelopvarmningsmetoder og opnår målene om "energigenanvendelse, omkostningsreduktion og effektivitetsforøgelse samt miljøbeskyttelse og energibesparelse".

(II) Sammensætning af processystem

Spildvarmegenvinding og anaerobe rådnetanks isoleringssystem i dette projekt er hovedsageligt sammensat af 4 dele, som fungerer synergistisk for at sikre effektiv spildvarmegenvinding, stabil transport og præcis temperaturkontrol af de anaerobe rådnetanke, som følger:

Biogas Power Generation System: To 100kW gasgeneratorsæt er vedtaget, der bruger biogas produceret af anaerobe rådnetanke som brændstof. Efter rensningsbehandlinger såsom afsvovling og dehydrering sendes biogassen til generatorsættene til forbrænding og elproduktion. Hver enhed forbruger 48 kubikmeter biogas i timen med en elproduktionseffektivitet på 42 % og genererer en stor mængde spildvarme (den maksimale spildvarme for en enkelt enhed er 286 kW), hvilket giver en stabil kilde til genvinding af spildvarme. Generatorsættene er udstyret med biogasafsvovlingsenheder, som effektivt kan fjerne svovlbrinte i biogas, undgå udstyrskorrosion og sikre langtidsstabil drift af systemet.

Spildvarmegenvindingssystem: Kerneudstyret omfatter røggasvarmeveksler, cylinderkappevandvarmeveksler og cirkulationspumpe, som alle er designet og fremstillet af VRCOOLER (Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd.), en professionel virksomhed med rig erfaring inden for varmevekslerudstyr R&D og produktion, som har ISO 9001 international kvalitetssystemcertificering. Systemet anvender et "dobbelt-sløjfevarmeveksler"-design, og kernevarmevekslerkomponenterne i spildvarmegenvinderne er ribbede rørstrukturer - ribberørene er fremstillet ved at vikle ribbestrimler spiralformet rundt om rørets omkreds med korrugerede finner på ydervæggen for i høj grad at øge varmevekslingsområdet og forbedre varmeoverførselsydelsen. På den ene side genvindes den høje- røggasspildvarme, der udledes fra generatorsættene, gennem VRCOOLER røggasvarmeveksleren med ribber, der opvarmer det cirkulerende medium (en blanding af frostvæske og vand) til ca. 58 grader; på den anden side genvindes cylinderkappevandets spildvarme fra generatorsættene gennem VRCOOLER vingerør cylinderkappevandvarmeveksleren, hvilket yderligere øger temperaturen på det cirkulerende medium til over 65 grader, hvilket sikrer, at varmekildens temperatur opfylder de anaerobe rådnetankes isoleringsbehov. VRCOOLER spildvarmegenvindingssystemet er udstyret med en intelligent temperaturkontrolenhed, som automatisk kan justere varmevekslingseffektiviteten i henhold til røggastemperaturen og det cirkulerende mediums temperatur, hvilket reducerer spildvarmetabet. Tests viser, at systemets spildvarmegenvindingseffektivitet er mere end 85 %, hvilket fuldt ud kan genvinde spildvarmeressourcerne, der genereres under elproduktion, takket være den fremragende varmeoverførselsydelse af ribberørstrukturen og VRCOOLERs professionelle design.

Anaerobt rådnetank isoleringssystem: Alle 8 anaerobe rådnetanke har et strukturelt design med "indvendig spoleopvarmning + eksternt isoleringslag". Høj-temperatur- og korrosionsbestandige-spiraler lægges rundt om rådnetankenes indervæg, og det cirkulerende medium udveksler varme med gæringsvæsken i rådnetankene gennem spolerne for at opnå ensartet temperaturstigning inde i rådnetankene; der lægges et 15 cm tykt skumcementisoleringslag på rådnetankenes ydervæg. Opskummet cement har en god termisk isoleringsevne, som effektivt kan reducere varmetabet inde i rådnetankene. Ifølge numeriske simuleringsberegninger kan det totale varmetab af de anaerobe rådnetanke under denne isoleringsordning kontrolleres inden for 428,24MJ·d⁻¹, hvilket sikrer en stabil isoleringseffekt. Samtidig vedtager de anaerobe rådnetanke en bionisk tarmstruktur, som ikke kræver mekaniske omrøringsanordninger, har en enkel struktur og lavt energiforbrug og kan realisere dynamisk adskillelse af hvert fermenteringstrin og forbedre fermenteringseffektiviteten.

Intelligent kontrolsystem: Et PLC-intelligent kontrolsystem er brugt til at overvåge mere end 200 indikatorer i realtid, såsom temperaturen på fermenteringsvæsken i de anaerobe rådnetanke, temperaturen på det cirkulerende medium, røggastemperaturen og generatorsættenes driftsparametre. Cirkulationspumpens hastighed og spildvarmeudvekslingseffektiviteten justeres automatisk gennem forudindstillede programmer for at sikre, at temperaturen inde i de anaerobe rådnetanke holdes stabilt ved det optimale gæringsområde på 35±0,5 grader. Når temperaturen inde i rådnetankene er lavere end den forudindstillede værdi, øger systemet automatisk overskudsvarmemængden; når temperaturen er højere end den forudindstillede værdi, reduceres spildvarmemængden automatisk. Samtidig kan den overskydende spildvarme bruges til opvarmning i forbehandlingsstadiet af fermenteringsråmaterialer, hvorved udnyttelse af overskydende spildvarme opnås og energiudnyttelseseffektiviteten forbedres.

(III) Nøgleprocesoptimering

1. Optimering af spildvarmeudveksling: Gennem den numeriske simuleringsmetode for beregningsvæskedynamik (Fluent) simuleres og analyseres temperaturfeltet inde i den anaerobe rådnetank, og spolelayouttætheden og varmevekslingsvejen optimeres for at sikre ensartet temperaturfordeling inde i rådnetankene, hvilket undgår overdreven eller utilstrækkelig lokal temperaturaktivitet, der påvirker mikrobiel temperatur. Samtidig er det fastslået, at isoleringseffekten er optimal, når varmlufttilførselstemperaturen er 35 grader.

2. Valg af isoleringsmateriale: Efter at have sammenlignet ydeevnen af ​​forskellige isoleringsmaterialer, vælges opskummet cement som materiale til det ydre isoleringslag af de anaerobe rådnetanke. Dette materiale har fordelene ved god isoleringseffekt, lave omkostninger, korrosionsbestandighed, miljøbeskyttelse og ikke--toksicitet. Sammenlignet med traditionelle polyurethanisoleringsmaterialer kan det reducere isoleringsomkostningerne med mere end 15% og reducere miljøpåvirkningen.

3. Optimering af cirkulationssystem: Et cirkulationssystem med lukket-kredsløb er vedtaget, og det cirkulerende medium kan genbruges for at reducere vandressourceforbruget. Samtidig er filtre og afkalkningsanordninger installeret i cirkulationsrørledningen for at forhindre blokering og skalering af rørledningen, forlænge udstyrets levetid og reducere drifts- og vedligeholdelsesomkostninger.

 

III. Projektimplementeringsproces

(I) Forberedende fase (1-2 måneder)

Et teknisk team blev organiseret til at udføre-undersøgelse af projektet på stedet. Kombineret med skalaen af ​​de anaerobe rådnetanke, parametrene for generatorsættene og de lokale klimaforhold i Bayern, blev designskemaet for spildvarmegenvindingssystemet optimeret i samarbejde med VRCOOLERs tekniske team, og modellen af ​​VRCOOLER lamelrørsvarmevekslere, spolelayoutskema, isoleringsmaterialespecifikationer og intelligente styresystemparametre blev bestemt; kerneudstyr såsom VRCOOLER røggasvarmevekslere med ribber, VRCOOLER cylinderkappevandvarmevekslere, cirkulationspumper, skumcementisoleringsmaterialer og intelligente temperaturstyringsinstrumenter blev købt for at sikre, at udstyrskvaliteten lever op til de tekniske krav - VRCOOLERs varmevekslere anvender høj{{3}kvalitetsmaterialer til korrosionsfrit stål og fin-frit stål og fin-frit stål og finess-kvalitets- og stålkvalitet. modstand og høj-temperaturmodstand, tilpasser sig det barske arbejdsmiljø med høj-temperatur røggas og cylinderkappevand; Der blev givet teknisk træning til byggepersonale for at afklare byggeprocessen, sikkerhedsspecifikationer og kvalitetsstandarder, med fokus på træning af installationsfærdighederne af VRCOOLER affaldsvarmegenvindingssystemet med ribber og isoleringskonstruktionen af ​​de anaerobe rådnetanke.

(II) Udstyrsinstallation og konstruktionsfase (3-4 måneder)

1. Installation af spildvarmegenvindingssystem: For det første blev VRCOOLER røggasvarmeveksler med ribber og VRCOOLER vingerør cylinderkappe vandvarmeveksler fast installeret i overensstemmelse med producentens specifikationer og -designkrav på stedet. Røggasrørledningen og cylinderkappevandsrørledningen mellem varmevekslerne og generatorsættet blev tilsluttet, og rørledningens tætningsbehandling blev udført for at forhindre spildvarmelækage - VRCOOLER lamelrørsvarmevekslerne er udstyret med korrosionsbestandige-coatede spoler, som effektivt kan modstå korrosion fra det syreholdige stof langsigtet-stabil drift. Derefter blev cirkulationspumpen og cirkulationsrørledningen installeret, det intelligente temperaturstyringsinstrument blev tilsluttet PLC-kontrolsystemet, og idriftsættelsen af ​​udstyret blev afsluttet i samarbejde med VRCOOLERs efter-salgstekniske team for at sikre normal drift af spildvarmegenvindingssystemet og give fuld spild til varmeoverførselsfordelene ved ribberørstrukturen.

2. Isoleringskonstruktion af anaerobe rådnetanke: Først blev ydervæggen af ​​de anaerobe rådnetanke renset og afrustet, derefter blev skumcementisoleringslaget lagt for at sikre, at isoleringslaget var ensartet i tykkelsen, fri for skader og udhulninger; høj-temperatur- og korrosionsbestandige-spoler blev lagt på indervæggen af ​​rådnetankene, forbundet til cirkulationsrørledningen, og en vandtrykstest blev udført for at sikre, at spolerne ikke lækker; temperatursensorer inde i rådnetankene blev installeret og forbundet til det intelligente kontrolsystem for at realisere temperaturovervågning i realtid.-

3. Idriftsættelse af systemforbindelse: Efter at installationen af alt udstyr var afsluttet, blev systemkoblings-idriftsættelse udført for at simulere hele processen med generatorsætdrift, spildvarmegenvinding og anaerob rådnetanksisolering, fejlfinding af parametre såsom temperaturstyringsnøjagtighed, cirkulationspumpehastighed og varmevekslingseffektivitet, løse problemer såsom rørledningslækage og under upræcis drift af temperaturstyringen af systemet, og opfylder designkravene.

(III) Prøvedrift og acceptfase (1 måned)

Efter at idriftsættelsen af ​​systemforbindelsen var kvalificeret, gik den ind i prøvedriftsfasen. Under prøvedriften blev indikatorer som temperaturstabiliteten inde i de anaerobe rådnetanke, effektiviteten til genvinding af spildvarme og driftsstatus for generatorsættene overvåget i realtid, relevante data blev registreret, og parametrene for kontrolsystemet blev optimeret og justeret; efter prøvedriften blev et professionelt team organiseret til at gennemføre projektaccept med fokus på at kontrollere effektiviteten af ​​spildvarmegenvinding, isoleringseffekten af ​​de anaerobe rådnetanke og stabiliteten af ​​udstyrets drift. Efter at accepten var kvalificeret, blev projektet officielt sat i drift.

IV. Projektdrift Effekt- og fordelsanalyse

(I) Operation Effekt

Efter at projektet blev officielt sat i drift, blev der realiseret effektiv genvinding af spildvarme fra biogaskraftproduktion og konstant temperaturisolering af anaerobe rådnetanke, med bemærkelsesværdige driftseffekter, specifikt afspejlet i følgende aspekter:

Stabil temperaturkontrol: Gennem den synergistiske effekt af det intelligente styresystem og spildvarmegenvindingssystemet holdes temperaturen inde i de anaerobe rådnetanke stabilt ved det optimale gæringsområde på 35±0,5 grader. Selv når den omgivende temperatur falder til under 0 grader om vinteren, overstiger temperaturudsvinget inde i rådnetankene ikke ±1 grad, hvilket fuldstændig løser problemet med ustabil temperatur i den traditionelle isoleringsmetode og giver et passende vækstmiljø for methanogener.

Forbedret fermenteringseffektivitet: Det stabile, konstante temperaturmiljø forbedrer den anaerobe fermenteringseffektivitet markant, og fordelene ved de bioniske intestinale anaerobe rådnetanke udnyttes fuldt ud. Gæringscyklussen forkortes fra 28 dage til 21 dage, biogasproduktionen øges med mere end 25%, den daglige biogasproduktion øges fra 1200 kubikmeter til 1500 kubikmeter, og biogassens renhed (metanindhold) holdes stabilt på 60%-65%, hvilket giver tilstrækkeligt brændstof til elproduktion.

Effektiv spildvarmegenvinding: Systemets spildvarmegenvindingseffektivitet er mere end 85 %, og den daglige spildvarme, der genvindes af 2 generatorsæt, kan opfylde det fulde isoleringsbehov for 8 anaerobe rådnetanke, der fuldstændig erstatter de traditionelle elvarme- og dampkedelopvarmningsmetoder, realiserer ressourceudnyttelse af spildvarme og reducerer energispild.

Stabil systemdrift: Hele systemet har en høj grad af automatisering, og det intelligente kontrolsystem kan realisere uovervåget drift, hvilket i høj grad reducerer drifts- og vedligeholdelsesarbejdet. Siden prøvedriften har udstyrsfejlraten været mindre end 3%, systemstabiliteten er god, og drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne er effektivt reduceret.

(II) Analyse af fordele

1. Økonomiske fordele

Efter projektgennemførelsen er de økonomiske fordele betydelige, hovedsageligt afspejlet i tre aspekter: For det første at spare varmeomkostninger. Udskiftning af den traditionelle elektriske opvarmning og opvarmning af dampkedel kan spare omkring 1200 euro i el- og brændstofomkostninger om dagen og mere end 430.000 euro i årlige driftsomkostninger; for det andet øget elproduktionsindkomst. Biogasproduktionen øges med 25 %, hvilket genererer omkring 900 kWh mere el om dagen. Ifølge den lokale elpris på-net på 0,65 euro/kWh er den årlige ekstra elproduktionsindtægt omkring 210.000 euro; for det tredje, at reducere drifts- og vedligeholdelsesomkostninger. Systemet fungerer automatisk, hvilket reducerer 2 drifts- og vedligeholdelsespersonale, hvilket sparer omkring 120.000 euro i årlige arbejdsomkostninger. Omfattende beregning viser, at projektet tilføjer omkring 760.000 Euro i årlige økonomiske fordele med en tilbagebetalingstid på kun 2,5 år. Samtidig kan den årlige indtægt fra elsalg nå op på 20.281 Euro, og den årlige omkostning er kun 4.047 Euro, hvilket viser fremtrædende økonomiske fordele.

2. Miljømæssige fordele

For det første at reducere energiforbruget. Genvinding og udnyttelse af spildvarmen fra biogaskraftproduktion kan spare omkring 120 tons standardkul om året, hvilket reducerer luftforurening forårsaget af kulforbrænding; for det andet, reduktion af drivhusgasemissioner. Udskiftning af traditionelle opvarmningsmetoder med genvinding af spildvarme kan reducere kuldioxidemissionerne med omkring 8.000 tons om året, hvilket hjælper med at nå "dual carbon"-målet; for det tredje at realisere ressourceudnyttelse af affald. Konvertering af husdyr- og fjerkrægødning og avlsspildevand til biogas og organisk gødning reducerer affaldsudledningen, forbedrer kvaliteten af ​​det omgivende miljø og realiserer "at gøre affald til skat".

3. Sociale ydelser

For det første løser det problemet med affaldsbehandling af husdyr og fjerkræavl, undgår forurening af jord, vand og luft med gødning og spildevand og forbedrer det lokale økologiske miljø; for det andet giver det ren elektricitet, supplerer den lokale strømforsyning og letter den regionale energimangel; for det tredje fremmer den udviklingen af ​​industrien for udnyttelse af landbrugsaffaldsressourcer, giver et referencegrundlag for genvinding af spildvarme og udnyttelse af lignende biogaskraftværker, driver udviklingen af ​​nye energiprojekter i de omkringliggende områder og fremmer den grønne og bæredygtige udvikling af landbruget.

 

V. Projektoversigt og Outlook

(I) Projektoversigt

Ved at introducere teknologi til genvinding af spildvarme til biogasenergi, genvinder dette projekt spildvarmen, der spredes under driften af ​​generatorsættene til isolering af anaerobe rådnetanke, og danner et lukket-sløjfe energiudnyttelsessystem af "anaerob fermentering - biogasenergiproduktion - genvinding af spildvarme ved konstant temperatur {{3}". Det løser fuldstændigt smertepunkterne ved højt energiforbrug, ustabil temperatur og høje driftsomkostninger ved traditionel anaerob rådnetankisolering. Efter projektimplementeringen forbedrer det ikke kun den anaerobe fermenteringseffektivitet og biogasproduktion, realiserer ressourceudnyttelse af spildvarme, men opnår også betydelige økonomiske, miljømæssige og sociale fordele. Den verificerer gennemførligheden og overlegenheden af ​​at bruge spildvarme til generering af biogaskraft til anaerob rådnetanksisolering og giver en praktisk og gennemførlig plan for den energibesparende-omdannelse af mellemstore-biogaskraftværker.

Nøglen til den vellykkede implementering af projektet ligger i at kombinere de strukturelle egenskaber af de bioniske intestinale anaerobe rådnetanke, optimering af varmeudveksling og isoleringsparametre gennem numerisk simulering, udvælgelse af passende isoleringsmaterialer og VRCOOLER ribberørs spildvarmegenvindingsudstyr - ribberrørsstrukturen i forhold til 6 varmevekslers udvekslingsareal sammenlignet med 6 gange varmevekslerens varmeveksler. rør, hvilket i høj grad forbedrer effektiviteten af varmegenvinding. Med VRCOOLERs professionelle design og fremstillingsevner og matchning med det intelligente kontrolsystem opnås præcis temperaturstyring og effektiv spildvarmeudnyttelse, hvilket undgår påvirkningen af ​​spildvarmespild og temperaturudsving på fermenteringseffektiviteten.

(II) Fremtidsudsigter

I fremtiden, baseret på implementeringserfaringen fra dette projekt, vil vi yderligere optimere spildvarmegenvindingssystemet, forbedre effektiviteten af ​​spildvarmegenvinding, udforske den kaskadede spildvarmeudnyttelsestilstand og bruge den overskydende spildvarme til opvarmning i avlsparken og forbehandling af fermenteringsråmaterialer for yderligere at forbedre energiudnyttelseseffektiviteten; samtidig introducere digital tvillingteknologi til at bygge en digital tvillingmodel af det anaerobe fermenterings- og spildvarmegenvindingssystem, realisere realtidsovervågning, tidlig fejladvarsel og parameteroptimering af systemets driftsstatus og forbedre systemets intelligensniveau; derudover fremme den tekniske ordning for dette projekt til biogaskraftværker på andre områder såsom husdyr- og fjerkræavl og behandling af madaffald, hjælpe flere nye energiprojekter med at opnå energibesparelse og kulstofreduktion og fremme udviklingen af ​​høj-kvalitet af den grønne energiindustri.