引言随着全球资源逐渐减少，环境问题越来越受到人们的重视。传统的化石能源如煤、石油等进行发电具有局限性，生物质能源吸引越来越多的人关注[1]。有效合理地利用生物质能源可以缓解全球变暖和温室气体排放等环境问题，降低燃料成本[2]。利用沼气发电有助于减少土壤和水污染，减轻许多环境问题。沼气发电技术是近阶段兴起的新型发电技术[3]，主要利用沼气在内燃机中燃烧，产生大量的热量，带动汽轮机和发电机转动发电，从而实现能量转换，将化学能转变为方便利用的电能[4]。李金平[5]等以兰州某80 kW沼气热电联产工程为例，构建1套耦合双效溴化锂吸收式热泵系统，运用AspenPlus软件建立双效溴化锂吸收式热泵模型，并对热电联产余热利用方式进行优化。结果表明，该耦合系统使发酵系统在不同季节均保持恒温厌氧发酵，减少了二氧化碳的排放，保证了系统稳定运行。石惠娴[6]等在不同燃料和不同工况下对燃气内燃机的热电联产系统的机组性能和系统性能进行探究。Gholizadeha[7]等介绍以沼气为燃料的新型双蒸发器电/冷联产系统，从热力学和经济两方面论证系统引进一体化电厂的可行性。研究提出沼气热电联产系统，对系统内发酵罐和内燃机进行热力计算，分析发酵温度对系统性能的影响，从而实现能量的最大化利用，达到节能减排效果，同时为沼气热电联产系统的进一步优化提供思路。1沼气发电系统原理介绍沼气发电系统包括沼气发酵子系统、内燃机发电子系统和换热器子系统共3部分，沼气发电系统工艺流程如图1所示。沼气发电系统主要设备包括预混池、发酵罐、脱硫脱水装置、储气柜、内燃机和换热器。发酵原料经过预混池预处理后进入发酵罐进行厌氧发酵，产生的沼气经过脱硫脱水处理后直接进入内燃机进行燃烧发电。内燃机的余热利用分为两部分，内燃机内缸套冷却水热量被用于发酵罐的增温保温；燃烧产生的烟气热量，通过换热器进行换热产生水蒸气，换热后的烟气排入大气中。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F001图1沼气发电系统工艺流程2沼气发电系统热力学计算该项目沼气发酵子系统日处理粪便量2 780 t/d（猪粪2 260 t/d、鸡粪520 t/d），发酵温度为55 ℃，发酵料液总固体浓度为6.3%时，产沼气量65 500 m3/d，平均每天发电14.41万kWh，沼渣241.27 t/d全部用于生产有机肥，沼液2 464.06 t/d用于沼液还田。项目所在地区温度变化情况如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.T001表1项目所在地区温度变化情况月份日最高气温/°C日最低气温/°C日平均气温/°C11-10-424-7-1311-16419712523131662718227302227828212392212161015681110-20123-7-42.1沼气发酵子系统发酵罐容积产气率[8]γv为：γv=BoSoHRTβCH41-KμmHRT-1+K (1)式中：Bo——发酵原料产甲烷潜力，m3/kg；So——发酵原料的总挥发性固体浓度，kg/m3；HRT——水力停留时间，d；K——沼气池的发酵动力学参数；μm——微生物最大比生长率；βCH4——所产沼气中甲烷的体积百分比含量，%。其中，沼气池的发酵动力学参数K为：K=0.6+0.020 6e0.051So (2)微生物最大比生长率μm与沼气池内发酵物料发酵温度Tb,d的关系为：μm=0.013Tb,d-0.129 (3)发酵罐的产气量Q为：Q=V1γv (4)式中：V1——发酵罐内发酵物料容积，m3。该项目有发酵罐6座，发酵罐分为地上和地下两部分，单座发酵罐地上面积为1 401.1 m2，地下面积为1 130.4 m2。发酵罐地上部分304号不锈钢厚度为0.26 m2，硬质聚氨酯保温材料厚度为0.14 m2；地下部分304号不锈钢厚度为0.24 m2，硬质聚氨酯保温材料厚度为0.14 m2。发酵罐散热量Qf为：Qf=K1F1Tb,d-Ta+K2F2Tb,d-Tg (5)式中：K1、K2——发酵罐地上和地下部分的换热系数，W/(m·K)；F1、F2——地上和地下的换热面积，m2。发酵原料进入发酵罐所需热量Qb,wl为：Qb,wl=m˙mcp,dTb,d-Tm (6)式中：m˙m——发酵料液质量流量，kg/s；cp,d——发酵料液比热容，J/(kg·K)；Tb,d——发酵罐内的发酵温度，℃；Tm——发酵原料的进口温度，℃。2.2内燃机发电子系统内燃机的消耗的一次能源总量Qf'、输出功W、缸套水余热量Qjw和烟气余热量Qfg分别为：Qf'=v˙fφLHVCH4 (7)W=Ptηe (8)Qjw=Qf'ηr,jw (9)Qfg=Qf'ηr,fg (10)式中：Qf'——燃料的热量，kJ；v˙f——燃料进入内燃机的体积流量，m3/h；φ——沼气中甲烷体积分数，%；LHVCH4——甲烷的低位发热值，取35.6 kJ/m3；W——内燃机输出功，kW；P——内燃机功率，kW；t——内燃机工作时间，s；ηe——内燃机发电效率，%；Qjw、Qfg——缸套水和高温烟气回收热量，kJ；ηr,jw、ηr,fg——缸套水和高温烟气热回收效率，%。2.3换热器子系统换热器内的换热量QHEX为：QHEX=mhcp,hTh,in-Th,out=mccp,cTc,out-Tc,in (11)式中：mc、mh——冷热流体质量流量，kg/s；cp,c、cp,h——冷热流体比热容，kJ/(kg·K)；Th,in、Th,out——热流体进出口温度，℃；Tc,in、Tc,out——冷流体进出口温度，℃。2.4能源利用率η1=W+Qjw+QfgQf ' (12)式中：η1——能源利用率。3发酵温度对系统性能影响3.1发酵温度对沼气发电子系统的影响不同发酵温度下发酵罐的产气量如图2所示。发酵料液常温发酵(25 ℃)、中温发酵(35 ℃、40 ℃)、高温发酵(50 ℃、55 ℃)的沼气产生量逐渐增加。因为在满足厌氧发酵温度(15~60 ℃)的范围内。随着发酵温度的升高，发酵罐的容积产气率增大，发酵罐的容积一定，沼气的产生量逐渐增大。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F002图2不同发酵温度下发酵罐的产气量发酵罐的散热量主要由发酵料液温度升高至发酵温度所需热量和发酵罐的散热量两部分组成。主要热量需求为发酵料液所需要的热量，占总热量需求的90%，甚至更多。由于环境温度的变化，全年不同发酵温度下发酵罐的热量需求如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F003图3全年不同发酵温度下发酵罐的热量需求由图3可知，随着发酵温度升高，发酵罐的热量需求逐渐增大，在同一发酵温度的条件下，随着环境温度变化，发酵罐的热量需求均呈现先降低后增加的趋势，且在7月份的热量需求最低，在1月份和12月份的热量需求最高。同一环境温度下，不同发酵温度的热量需求波动很大。3.2发酵温度对内燃机发电子系统的影响不同发酵温度下的内燃机发电量和余热回收量如图4和图5所示。随着发酵温度的升高，内燃机的发电量和余热回收量均呈上升趋势。因为发酵温度升高，发酵罐的沼气产量增大，进入内燃机的沼气热值增加，从而使发电量和余热回收量增大。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F004图4不同发酵温度下的内燃机发电量10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F005图5不同发酵温度下的内燃机余热回收量环境温度较低时，发酵罐所需热量增加，且发酵罐内的发酵温度较高时，内燃机用于发酵罐增温保温的热量不足以满足发酵料液进行厌氧发酵所需，需要额外引入内燃机烟气的热量对发酵罐进行热量补充，使发酵罐正常稳定运行。25 ℃发酵罐所需烟气余热量如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F006图625 ℃发酵罐所需烟气余热量由图6可知，常温发酵(25 ℃)时，发酵罐的热量需求相对较低，内燃机缸套冷却水的余热量可以满足发酵罐的热量需求。环境温度较低（1月份和12月份）时，缸套水剩余热量占缸套水总热量的7%；6月~9月份时环境温度较高，缸套水剩余热量占缸套水总热量的99%。35 ℃、40 ℃发酵罐所需烟气余热量如图7和图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F007图735 ℃发酵罐所需烟气余热量10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F008图840 ℃发酵罐所需烟气余热量由图7、图8可知，环境温度较低时，内燃机缸套冷却水的热量已不能满足发酵罐维持中温发酵的温度，需要引入烟气的余热为发酵罐增温保温；环境温度较高时，缸套水的余热可以保证发酵罐的发酵温度。50 ℃、55 ℃发酵罐所需烟气余热量如图9和图10所示。发酵温度为高温发酵(50 ℃和55 ℃)时，即使在环境温度较高的月份，内燃机缸套水的余热也不能满足发酵罐的热力需求。其中，发酵温度为55 ℃时，环境温度较高的7月份引入的烟气热量占总烟气余热的20.7%，环境温度较低的1月份和12月份引入的烟气热量占总烟气热量的82.9%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F009图950 ℃发酵罐所需烟气余热量10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F010图1055 ℃发酵罐所需烟气余热量3.3发酵温度对系统效率的影响不同环境温度和发酵温度下系统能源利用率如图11所示。全年各月份的环境温度不同，常温发酵(25 ℃)时，系统总效率在1月份和12月份达到最大值，在7月份达到最小值，其他月份的系统总效率在最大值和最小值之间并逐渐减小。中温发酵(35 ℃、40 ℃)时，系统在夏季的总效率最小，在其他季节均达到最大值，因为环境温度较低，缸套冷却水的热量足以满足发酵罐达到正常的发酵温度，但剩余热量未得到充分利用。高温发酵(50 ℃、55 ℃)时，发酵温度较高，发酵罐需热量大，即使在环境温度最高时，内燃机的缸套冷却水余热也不能满足发酵罐的需热量，因此环境温度对高温厌氧发酵时系统的总效率影响不大，总效率值为77.4%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.005.F011图11不同环境温度和发酵温度下系统能源利用率4结语针对国内可再生能源发展生物质能的利用现状，提出沼气发电余热利用系统，该系统利用内燃机输出电能的同时利用缸套水余热为发酵塔增温保温，分析验证发酵温度对系统性能的影响，结果如下：（1）随着发酵温度的升高，沼气发电系统中发酵罐的产气量和散热量、内燃机的发电量和余热回收量均呈增大趋势。（2）受环境温度影响，常温发酵时，内燃机缸套水余热足够满足发酵罐各月份热量需求；中温发酵时，如果环境温度较低，需要烟气余热共同对发酵罐增温保温；高温发酵时，各月份均需要烟气余热对发酵罐进行增温保温。（3）发酵温度为55 ℃时，环境温度对沼气发电余热利用系统总效率的影响不大，总效率值为77.4%。