Практический пример: Рекуперация отходящего тепла биогазовой электростанции для изоляции анаэробного варочного котла

 

I. Обзор проекта

Этот проект расположен в крупном-промышленном парке по животноводству и птицеводству в Баварии, Германия. Он оснащен биогазовой электростанцией среднего-размера и системой анаэробной ферментации, основной функцией которой является очистка навоза скота и птицы, а также сточных вод, образующихся на крупных-фермах парка. Биогаз производится путем анаэробного брожения для производства электроэнергии, при этом осуществляется использование ресурсов отходов и экологически безопасные сбросы. Общий объем очистки проекта составляет 120 тонн навоза скота и птицы и 300 кубических метров сточных вод в сутки, оснащенный 2 комплектами биогазовых генераторов мощностью 100 кВт и 8 бионическими кишечными анаэробными варочными котлами объемом 2000 кубических метров каждый. Сырье для ферментации поступает в анаэробные варочные котлы после предварительной обработки, а биогаз производится в результате микробного метаболизма при соответствующей температуре. После очистки биогаз отправляется на генераторные установки для выработки электроэнергии. Все отработанное тепло, образующееся в процессе выработки электроэнергии, рекуперируется и используется для постоянной температурной изоляции анаэробных варочных котлов, образуя замкнутую-систему использования энергии с замкнутым циклом «анаэробной ферментации для производства биогаза - производства биогаза - рекуперации отходящего тепла для изоляции - повышения эффективности ферментации».

До реализации проекта зимняя изоляция анаэробных варочных котлов в основном применялась методом электрического обогрева с помощью парового котла, который имел проблемы с высоким потреблением энергии, нестабильным изоляционным эффектом, высокими эксплуатационными расходами и серьезными потерями энергии. Особенно в условиях холодной и влажной зимы в Баварии, температуру внутри анаэробных варочных котлов было трудно стабильно поддерживать в подходящем диапазоне для мезофильной ферментации, что приводило к большим колебаниям в производстве биогаза и влияло на эффективность выработки электроэнергии. Чтобы решить вышеуказанные проблемы, в рамках проекта была внедрена технология рекуперации отходящего тепла для производства биогаза и специально выбрана Changzhou Vrcooler coding Co., Ltd. (VRCOOLER), - ведущего производителя промышленного теплообменного оборудования - для разработки и производства основных установок для рекуперации тепла. Эти установки рекуперации отходящего тепла имеют структуру оребренных труб, которая может эффективно расширить площадь теплообмена и повысить эффективность рекуперации тепла, обеспечивая эффективную рекуперацию отходящего тепла дымовых газов и отходящего тепла воды в рубашке цилиндра, образующегося во время работы генераторных установок для изоляции анаэробных варочных котлов, реализуя каскадное использование энергии, снижая эксплуатационные расходы и улучшая стабильность системы.

II. Основная технология и проектирование процессов

(I)Основной технический принцип

При работе биогазовой установки только 35-42 % энергии, вырабатываемой при сгорании топлива, преобразуется в электрическую энергию, а остальные 58-65 % энергии рассеиваются в виде отработанного тепла дымовых газов (температура до 600 градусов) и отработанного тепла воды в рубашке цилиндра (температура около 90 градусов). Прямые выбросы не только приводят к перерасходу энергии, но и увеличивают тепловое загрязнение окружающей среды. В процессе анаэробной ферментации микробная активность чувствительна к температуре. При мезофильном брожении (35-40 град.) активность метаногена оптимальна, а производство биогаза и эффективность ферментации наиболее высоки. Однако зимой температура окружающей среды низкая, и анаэробные варочные котлы быстро рассеивают тепло, поэтому для поддержания постоянной температуры внутри варочных котлов требуется непрерывная подача тепла. С помощью системы рекуперации отработанного тепла этот проект восстанавливает и обменивает отходящее тепло, рассеиваемое при выработке электроэнергии, затем транспортирует его в анаэробные варочные котлы, чтобы обеспечить стабильный источник тепла, заменяя традиционные методы нагрева электрическим током и паровым котлом и достигая целей «рециркуляции энергии, снижения затрат и повышения эффективности, а также защиты окружающей среды и энергосбережения».

(II) Состав технологической системы

Система рекуперации отходящего тепла и изоляции анаэробного варочного котла в этом проекте в основном состоит из 4 частей, которые работают синергетически, обеспечивая эффективную рекуперацию отходящего тепла, стабильную транспортировку и точный контроль температуры анаэробных варочных котлов, а именно:

Система производства биогазовой энергии: Установлены две газогенераторные установки мощностью 100 кВт, использующие в качестве топлива биогаз, полученный в анаэробных варочных котлах. После процедур очистки, таких как десульфурация и обезвоживание, биогаз отправляется в генераторные установки для сжигания и выработки электроэнергии. Каждый блок потребляет 48 кубических метров биогаза в час с КПД выработки электроэнергии 42% и генерирует большое количество отходящего тепла (максимальное отходящее тепло одного блока составляет 286 кВт), обеспечивая стабильный источник для утилизации отходящего тепла. Генераторные установки оснащены устройствами обессеривания биогаза, которые позволяют эффективно удалять сероводород из биогаза, избегать коррозии оборудования и обеспечивать долгосрочную-стабильную работу системы.

Система рекуперации отходящего тепла: Основное оборудование включает в себя теплообменник дымовых газов, теплообменник с водяной рубашкой цилиндра и циркуляционный насос, все из которых спроектированы и изготовлены компанией VRCOOLER (Changzhou Vrcooler ering Co., Ltd.), профессиональным предприятием с богатым опытом в области исследований, разработок и производства теплообменного оборудования, имеющим международную сертификацию системы качества ISO 9001. В системе реализована конструкция «двойного-контурного теплообмена», а основными компонентами теплообмена рекуператоров отработанного тепла являются конструкции из оребренных трубок -. Ребристые трубы изготавливаются путем спирального наматывания полос ребер по окружности трубы с гофрированными ребрами на внешней стенке, что значительно увеличивает площадь теплообмена и улучшает характеристики теплопередачи. С одной стороны, высокотемпературное -отходящее тепло дымовых газов, отводимое от генераторных установок, рекуперируется через теплообменник дымовых газов с оребренными трубами VRCOOLER, нагревая циркулирующую среду (смесь антифриза и воды) примерно до 58 градусов; с другой стороны, отработанное тепло воды рубашки цилиндра генераторных установок рекуперируется через теплообменник воды рубашки цилиндра с оребренными трубами VRCOOLER, что еще больше повышает температуру циркулирующей среды до уровня выше 65 градусов, гарантируя, что температура источника тепла соответствует требованиям изоляции анаэробных варочных котлов. Система рекуперации отходящего тепла VRCOOLER оснащена интеллектуальным устройством контроля температуры, которое может автоматически регулировать эффективность теплообмена в зависимости от температуры дымовых газов и температуры циркулирующей среды, сокращая потери отходящего тепла. Испытания показывают, что эффективность рекуперации отходящего тепла в системе составляет более 85%, что позволяет полностью утилизировать ресурсы отходящего тепла, образующиеся при выработке электроэнергии, благодаря превосходным характеристикам теплопередачи конструкции с оребренными трубами и профессиональному дизайну VRCOOLER.

Система изоляции анаэробного варочного котла: Все 8 анаэробных варочных котлов имеют конструктивную конструкцию «внутренний змеевик + внешний изоляционный слой». Вокруг внутренней стенки варочных котлов проложены высоко-температурные и коррозионностойкие-змеевики, а циркулирующая среда обменивается теплом с ферментационной жидкостью в варочных котлах через змеевики для достижения равномерного повышения температуры внутри варочных котлов; На внешнюю стенку варочных котлов уложен изоляционный слой из пеноцемента толщиной 15 см. Пеноцемент обладает хорошими теплоизоляционными характеристиками, что позволяет эффективно снизить потери тепла внутри варочных котлов. Согласно расчетам численного моделирования, при такой схеме изоляции общие теплопотери анаэробных варочных котлов можно контролировать в пределах 428,24 МДж·сут⁻¹, обеспечивая стабильный изоляционный эффект. В то же время анаэробные варочные котлы имеют бионическую кишечную структуру, которая не требует механических перемешивающих устройств, имеет простую конструкцию и низкое энергопотребление, а также может реализовать динамическое разделение каждой стадии ферментации и повысить эффективность ферментации.

Интеллектуальная система управления: используется интеллектуальная система управления ПЛК, позволяющая в реальном-времени отслеживать более 200 показателей, таких как температура ферментационной жидкости в анаэробных варочных котлах, температура циркулирующей среды, температура дымовых газов и рабочие параметры генераторных установок. Скорость циркуляционного насоса и эффективность отходящего теплообмена автоматически регулируются с помощью заранее заданных программ, чтобы обеспечить стабильное поддержание температуры внутри анаэробных варочных котлов в оптимальном диапазоне ферментации 35±0,5 градусов. Когда температура внутри варочных котлов ниже заданного значения, система автоматически увеличивает объем подачи отходящего тепла; когда температура превышает заданное значение, он автоматически уменьшает объем отдаваемого тепла. В то же время избыточное отходящее тепло можно использовать для нагрева на стадии предварительной обработки сырья для ферментации, реализуя каскадную утилизацию отходящего тепла и повышая эффективность использования энергии.

(III)Оптимизация ключевых процессов

1. Оптимизация теплообмена отходов: с помощью метода численного моделирования вычислительной гидродинамики (Fluent) температурное поле внутри анаэробного варочного котла моделируется и анализируется, а плотность расположения змеевиков и путь теплообмена оптимизируются для обеспечения равномерного распределения температуры внутри варочных котлов, избегая чрезмерной или недостаточной локальной температуры, влияющей на микробную активность. При этом установлено, что эффект изоляции оптимален при температуре подачи горячего воздуха 35 градусов.

2. Выбор изоляционного материала: после сравнения характеристик различных изоляционных материалов в качестве материала для внешнего изоляционного слоя анаэробных варочных котлов выбран вспененный цемент. Этот материал обладает такими преимуществами, как хороший изоляционный эффект, низкая стоимость, устойчивость к коррозии, защита окружающей среды и не-токсичность. По сравнению с традиционными полиуретановыми изоляционными материалами он может снизить стоимость изоляции более чем на 15% и снизить воздействие на окружающую среду.

3. Оптимизация системы циркуляции. Применяется система циркуляции с замкнутым-циклом, и циркулирующую среду можно использовать повторно для снижения потребления водных ресурсов. При этом в циркуляционном трубопроводе устанавливаются фильтры и устройства для удаления накипи, позволяющие предотвратить засор трубопровода и образование накипи, продлить срок службы оборудования, снизить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание.

 

III. Процесс реализации проекта

(I)Подготовительный этап (1-2 месяца)

Была организована техническая группа для проведения-исследования проекта на месте. В сочетании с масштабом анаэробных варочных котлов, параметрами генераторных установок и местными климатическими условиями в Баварии в сотрудничестве с технической командой VRCOOLER была оптимизирована схема конструкции системы рекуперации отработанного тепла, а также определены модель оребренных трубчатых теплообменников VRCOOLER, схема расположения змеевиков, характеристики изоляционных материалов и параметры интеллектуальной системы управления; основное оборудование, такое как теплообменники дымовых газов с оребренными трубами VRCOOLER, водяные теплообменники с водяной рубашкой цилиндра VRCOOLER, циркуляционные насосы, изоляционные материалы из вспененного цемента и интеллектуальные приборы контроля температуры, было закуплено, чтобы гарантировать, что качество оборудования соответствует инженерным требованиям. - В теплообменниках VRCOOLER используются высококачественные-нержавеющие стальные и алюминиевые материалы для трубок и ребер, обладающие хорошей коррозионной стойкостью и -стойкостью к высоким температурам, адаптируясь к суровым условиям. рабочая среда состоит из высокотемпературных- дымовых газов и воды рубашки цилиндра; Строительному персоналу было предоставлено техническое обучение для разъяснения процесса строительства, требований безопасности и стандартов качества, с упором на обучение навыкам установки системы рекуперации отходящего тепла с оребренными трубами VRCOOLER и конструкции изоляции анаэробных варочных котлов.

(II)Этап установки и строительства оборудования (3-4 месяца)

1. Установка системы рекуперации отходящего тепла. Сначала были стационарно установлены теплообменник дымовых газов с оребренными трубами VRCOOLER и теплообменник водяной рубашки цилиндра с оребренными трубами VRCOOLER в соответствии со спецификациями производителя и требованиями к проектированию на-объекте. Трубопровод дымовых газов и трубопровод рубашки цилиндра между теплообменниками и генераторной установкой были соединены, и была проведена герметизация трубопровода для предотвращения утечки отходящего тепла - теплообменники с оребренными трубками VRCOOLER оснащены змеевиками с коррозионно--стойким покрытием, которые могут эффективно противостоять коррозии следовых кислотных веществ в дымовых газах, обеспечивая длительную-стабильную работу. Затем были установлены циркуляционный насос и циркуляционный трубопровод, интеллектуальный прибор контроля температуры был подключен к системе управления ПЛК, и пуско-наладка оборудования была завершена совместно с технической командой послепродажного обслуживания VRCOOLER, чтобы обеспечить нормальную работу системы рекуперации отходящего тепла и в полной мере использовать преимущества теплопередачи конструкции из оребренных труб.

2. Изоляционная конструкция анаэробных варочных котлов: сначала внешняя стена анаэробных варочных котлов была очищена и очищена от ржавчины, затем был уложен изоляционный слой из вспененного цемента, чтобы гарантировать, что изоляционный слой был равномерным по толщине, без повреждений и пустот; На внутренней стенке варочных котлов были уложены высоко-температурные и коррозионно--стойкие змеевики, подключенные к циркуляционному трубопроводу, и проведено испытание давлением воды на отсутствие утечек змеевиков; датчики температуры внутри варочных котлов были установлены и подключены к интеллектуальной системе управления для осуществления мониторинга температуры в-режиме реального времени.

3. Ввод в эксплуатацию системы: после завершения установки всего оборудования был проведен ввод в эксплуатацию системы для моделирования всего процесса работы генераторной установки, рекуперации отходящего тепла и изоляции анаэробного варочного котла, отладки таких параметров, как точность контроля температуры, скорость циркуляционного насоса и эффективность теплообмена, решения таких проблем, как утечка трубопровода и неточный контроль температуры во время ввода в эксплуатацию, а также обеспечения синергетической работы всех звеньев системы и соответствия проектным требованиям.

(III)Этап опытной эксплуатации и приемки (1 месяц)

После прохождения аттестации пуско-наладочных работ система перешла в стадию опытной эксплуатации. В ходе опытной эксплуатации в режиме реального времени отслеживались такие показатели, как стабильность температуры внутри анаэробных варочных котлов, эффективность рекуперации отходящего тепла и рабочее состояние генераторных установок, записывались соответствующие данные, оптимизировались и корректировались параметры системы управления; после опытной эксплуатации была организована профессиональная команда для проведения приемки проекта, сосредоточившаяся на проверке эффективности утилизации отходящего тепла, изоляционного эффекта анаэробных варочных котлов и стабильности работы оборудования. После прохождения квалифицированной приемки проект был официально введен в эксплуатацию.

IV. Анализ эффекта и выгод от эксплуатации проекта

(I) Эффект операции

После официального ввода проекта в эксплуатацию была реализована эффективная регенерация отходящего тепла при производстве биогазовой энергии и постоянная температурная изоляция анаэробных варочных котлов, что привело к замечательным эксплуатационным эффектам, в частности отраженным в следующих аспектах:

Стабильный контроль температуры: Благодаря синергетическому эффекту интеллектуальной системы управления и системы рекуперации отходящего тепла температура внутри анаэробных варочных котлов стабильно поддерживается в оптимальном диапазоне ферментации 35±0,5 градусов. Даже когда зимой температура окружающей среды опускается ниже 0 градусов, колебания температуры внутри варочных котлов не превышают ±1 градус, что полностью решает проблему нестабильной температуры при традиционном методе изоляции и обеспечивает подходящую среду для роста метаногенов.

Улучшенная эффективность ферментации: Стабильная постоянная температура окружающей среды значительно повышает эффективность анаэробной ферментации, и в полной мере проявляются преимущества бионических кишечных анаэробных варочных котлов. Цикл ферментации сокращается с 28 дней до 21 дня, производство биогаза увеличивается более чем на 25%, суточное производство биогаза увеличивается с 1200 кубических метров до 1500 кубических метров, а чистота биогаза (содержание метана) стабильно поддерживается на уровне 60-65%, обеспечивая достаточное количество топлива для выработки электроэнергии.

Эффективная рекуперация отходящего тепла: Эффективность рекуперации отходящего тепла в системе составляет более 85%, а ежедневное отработанное тепло, рекуперируемое двумя генераторными установками, может полностью удовлетворить потребности в изоляции 8 анаэробных варочных котлов, полностью заменяя традиционные методы нагрева электрическим током и паровым котлом, реализуя использование ресурсов отходящего тепла и сокращая энергетические потери.

Стабильная работа системы: Вся система имеет высокую степень автоматизации, а интеллектуальная система управления может осуществлять автоматическую работу, что значительно снижает рабочую нагрузку по эксплуатации и техническому обслуживанию. Со времени пробной эксплуатации частота отказов оборудования составила менее 3%, стабильность системы хорошая, а затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание были эффективно снижены.

(II)Анализ выгод

1. Экономические выгоды

После реализации проекта экономические выгоды значительны, в основном отражаются в трех аспектах: во-первых, экономия затрат на отопление. Замена традиционного электрического отопления на паровое отопление может сэкономить около 1200 евро на затратах на электроэнергию и топливо в день и более 430 000 евро на ежегодных эксплуатационных расходах; во-вторых, увеличение доходов от производства электроэнергии. Производство биогаза увеличено на 25%, что позволяет производить примерно на 900 кВтч больше электроэнергии в день. Согласно местной цене на электроэнергию в -сети, составляющей 0,65 евро/кВтч, годовой дополнительный доход от выработки электроэнергии составляет около 210 000 евро; в-третьих, снижение затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание. Система работает автоматически, что позволяет сократить количество сотрудников по эксплуатации и техническому обслуживанию, что позволяет сэкономить около 120 000 евро на ежегодных затратах на рабочую силу. Комплексный расчет показывает, что проект приносит около 760 000 евро ежегодных экономических выгод, а срок окупаемости инвестиций составляет всего 2,5 года. В то же время годовой доход от продажи электроэнергии может достигать 20 281 евро, а годовая стоимость составляет всего 4 047 евро, что свидетельствует о заметных экономических преимуществах.

2. Экологические преимущества

Во-первых, снижение энергопотребления. Утилизация и использование отходящего тепла от производства биогаза может сэкономить около 120 тонн условного угля в год, уменьшая загрязнение воздуха, вызванное сжиганием угля; во-вторых, сокращение выбросов парниковых газов. Замена традиционных методов отопления рекуперацией отходящего тепла может сократить выбросы углекислого газа примерно на 8000 тонн в год, помогая достичь цели «двойного углерода»; в-третьих, реализация использования ресурсов отходов. Преобразование помета скота и птицы, а также сточных вод в биогаз и органические удобрения снижает выбросы отходов, улучшает качество окружающей среды и реализует «превращение отходов в сокровища».

3. Социальные льготы

Во-первых, это решает проблему переработки отходов животноводства и птицеводства, позволяет избежать загрязнения почвы, воды и воздуха навозом и сточными водами, а также улучшает местную экологическую среду; во-вторых, он обеспечивает экологически чистую электроэнергию, дополняет местное энергоснабжение и устраняет региональную нехватку энергии; в-третьих, он способствует развитию индустрии утилизации сельскохозяйственных отходов, обеспечивает эталонный пример утилизации отработанного тепла и использования аналогичных биогазовых электростанций, стимулирует разработку новых энергетических проектов в прилегающих районах и способствует экологически чистому и устойчивому развитию сельского хозяйства.

 

V. Резюме и перспективы проекта

(I) Краткое описание проекта

Внедряя технологию рекуперации отходящего тепла при производстве биогаза, этот проект рекуперирует отходящее тепло, рассеиваемое во время работы генераторных установок для изоляции анаэробных варочных котлов, образуя замкнутую-систему использования энергии с замкнутым контуром "анаэробной ферментации - выработки электроэнергии из биогаза - рекуперации отходящего тепла - изоляции с постоянной температурой". Он полностью решает проблемы высокого энергопотребления, нестабильной температуры и высоких эксплуатационных затрат, присущих традиционной изоляции анаэробного варочного котла. После реализации проекта он не только повышает эффективность анаэробной ферментации и производства биогаза, реализует использование ресурсов отходящего тепла, но также достигает значительных экономических, экологических и социальных выгод. Он подтверждает осуществимость и превосходство использования отработанного тепла при производстве биогаза для изоляции анаэробного варочного котла, а также предлагает практическую и осуществимую схему для энергосберегающей трансформации биогазовых электростанций среднего-размера.

Ключом к успешной реализации проекта является объединение структурных характеристик бионических кишечных анаэробных варочных котлов, оптимизация параметров теплообмена и изоляции посредством численного моделирования, выбор подходящих изоляционных материалов и оборудования для рекуперации отработанного тепла с оребренными трубами VRCOOLER - конструкция оребренных труб теплообменников эффективно увеличивает площадь теплообмена в 4-6 раз по сравнению с простыми трубами, что значительно повышает эффективность рекуперации тепла. Благодаря профессиональному проектированию и производственным возможностям VRCOOLER, а также интеллектуальной системе управления, достигается точный контроль температуры и эффективное использование отходящего тепла, избегая влияния отходящего тепла и колебаний температуры на эффективность ферментации.

(II) Перспективы на будущее

В будущем, основываясь на опыте реализации этого проекта, мы продолжим оптимизировать систему утилизации отходящего тепла, повысим эффективность утилизации отходящего тепла, изучим каскадный режим утилизации отходящего тепла и будем использовать избыточное отходящее тепло для отопления в селекционном парке и предварительной обработки ферментационного сырья для дальнейшего повышения эффективности использования энергии; в то же время внедрить технологию цифровых двойников для создания модели цифрового двойника системы анаэробной ферментации и утилизации отработанного тепла, реализовать мониторинг в реальном-времени, раннее предупреждение о сбоях и оптимизацию параметров рабочего состояния системы, а также повысить интеллектуальный уровень системы; Кроме того, продвигайте техническую схему этого проекта на биогазовых электростанциях в других областях, таких как животноводство и птицеводство и переработка пищевых отходов, помогайте большему количеству новых энергетических проектов достигать энергосбережения и сокращения выбросов углерода, а также содействуйте высококачественному-развитию зеленой энергетики.