沼气工程热量计算书

'目录1.锅炉耗煤量的计算21.1厌氧罐所需热量21.1.1热损失Q1的计算21.1.2原料升温所需热量Q2的计算41.1.3反应罐内水分蒸发带走的热量Q3和厌氧发酵产生的热量Q441.1.4厌氧罐所需热量Q41.2锅炉烧煤量与烧煤时间51.2.1锅炉烧煤量51.2.2锅炉烧煤时间61.3热损失校正因子a1和锅炉总效率校正因子a2的测定61.3.1热损失校正因子a161.3.2锅炉总效率校正因子a281.3.3因子a1和a2的计算92.产能和耗能拐点的计算102.1产能计算102.2耗能计算112.2.1北方地区全年耗能计算112.2.2燃煤锅炉的“耗能/产能”比122.2.3沼气锅炉的“耗能/产能”比122.2.4沼气发电机的余热满足率和经济效率132.2.5燃煤锅炉、燃气锅炉和沼气发电机组经济性对比分析152.2.6“拐点”结论163.解决夏天烧煤问题分析173.1沼气发电余热回收173.2太阳能加热1717 热量计算书1.锅炉耗煤量的计算1.1厌氧罐所需热量厌氧罐所需热量QT＝Q1+Q2+Q3-Q4Q1——反应罐总热损失；Q2——原料升温所需热量；Q3——反应罐内水分蒸发带走的热量；Q4——厌氧反应放出的热量。1.1.1热损失Q1的计算（1）保温设计标准列于表1：地区设计热损失东北（-15℃）北方（0℃）南方（15℃）罐体侧壁保温措施300mm岩棉200mm岩棉100mm岩棉热损失10W/m210W/m210W/m2=36KJ/m2h罐顶保温措施200mm苯板150mm苯板50mm苯板热损失10W/m210W/m210W/m2罐底保温措施无无无热损失154W/m2108W/m262W/m2附：W=J/s（2）以北方地区的保温标准为例，不同规模的沼气工程在0℃时热损失列于表2：厌氧罐容积（m3）厌氧罐侧表面积（m2）厌氧罐顶面积（m2）厌氧罐下底面积（m2）罐体侧壁热损失（W）罐顶热损失（W）罐底热损失（W）总热损失（W）30018248.337.218204833939624250025372.055.4253072058719121800337100.677.4337010068204125801000383116.889.93830116895271452517 1200432134.1103.14320134110928165891500491143.1110.14910143111665180062000634182.4140.36340182414874230382800754229.6176.6754022961907328909（3）不同温度（t1）下的热损失采用系数σ计算公式Qt1=σ×Qo由于热损失与温差呈线形关系，所以σ=（35-t1）/35Qo：北方地区0℃时的热损失Qt1：北方地区t1时的热损失采用该方法求得其他温度条件下的热损失列于表3：厌氧罐容积（m3）-5℃（W）0℃（W）5℃（W）10℃（W）15℃（W）20℃（W）25℃（W）30℃（W）300713462425350445935672675178389250010424912178186515521239092606130380014377125801078389867189539135941797100016600145251245010375830062254150207512001895916589142191184994797110474023701500205781800615434128611028977175145257220002632923038197471645613165987365823291一天24h内热损失量列于表4：厌氧罐容积（m3）-5℃（KJ）0℃（KJ）5℃（KJ）10℃（KJ）15℃（KJ）20℃（KJ）25℃（KJ）30℃（KJ）30061637853930946224038525730818923112015405177069500900634788054675475562896450317337737225158112579800124217210869129316517763906211294657823105221552611000143424012549601075680896400717120537840358560179280120016380571433290122852210237548189856143044095362047681500177793915557181333498111119088896966674944452822222120002274825199048317061411421798113745685302756868528434228002497738（4）热损失校正计算热损失与实际热损失的误差采用因子a1校正。a1=Q1(real)/Q1实际热损失的测量、计算方法：17 锅炉停止加热后，罐体温度T1；经过时间t后，罐体温度T2；则Q1(real)=CM（T1-T2）/t1.1.2原料升温所需热量Q2的计算公式：Q=CM△t式中：C=4.2KJ/kg*℃不同进料温度，不同规模的沼气工程，原料升温至35℃，每天所需热量列于表5：厌氧罐容积（m3）每天进料量（t）原料升温所需热量（KJ）进料温度0℃10℃15℃20℃25℃30015220500015750001260000945000630000500253675000262500021000001575000105000080040588000042000003360000252000016800001000507350000525000042000003150000210000012006088200006300000504000037800002520000150075110250007875000630000047250003150000200010014700000105000008400000630000042000001.1.3反应罐内水分蒸发带走的热量Q3和厌氧发酵产生的热量Q4两者都很小，并且相互抵消，可忽略不计1.1.4厌氧罐所需热量Q以青岛地区，1000m3的沼气工程为例，厌氧罐每天所需热量列于表6：月份平均温度（℃）计算热损失Q1（KJ）热损失校正因子a1实际热损失Q1(real)(KJ)原料升温Q2（KJ）厌氧罐每天所需热量（KJ）1-0.712800591.31664077735000090140772-0.412693021.316500937350000900009334.710864371.3141236852500006662368410.58784721.3114201452500006392014515.9684849.61.3890304.542000005090304620.05378401.36991924200000489919217 723.8401587.21.3522063.442000004722063825.2351388.81.3456805.442000004656805921.54840561.3629272.8420000048292731016.1677678.41.3880981.942000005080982118.9935841.61.3121659442000005416594122.011832481.3153822252500006788222说明：进料温度根据1、2月份为0℃，3、4、12月份为10℃，5、6、7、8、9、10、11月份为15℃计算。1.2锅炉烧煤量与烧煤时间1.2.1锅炉烧煤量以青岛地区，1000m3的沼气工程为例，不同月份每天烧煤量列于表7：月份厌氧罐每天所需热量（KJ）锅炉额定效率（%）锅炉总效率校正因子a2所需煤炭的热量（KJ）所需烧煤量（kg）19014077740.811502346259629000093740.811500015559536662368740.811110394644146392014740.811065335642355090304740.81848384133764899192740.81816532032474722063740.81787010631284656805740.81776134230894829273740.818048788319105080982740.818468303336115416594740.819027657358126788222740.8111313704449说明：所需煤量计算根据散煤的发热值6000kcal/kg计算。每月烧煤量和全年烧煤量列于表8：月份123456789101112温度（℃）-0.7-0.44.710.515.920.023.825.221.516.18.92.0天数312831303130313130313031每天烧煤量（kg）59659544142333732431230831933635844917 每月烧煤量（t）18.4816.6613.6712.6910.459.729.679.559.5710.4210.7413.92全年烧煤量（t）1461.2.2锅炉烧煤时间根据最冷月1月份的供热量来确定锅炉的输出功率，锅炉工作8小时，每天所需锅炉的供热量为9014077/0.8=11267596KJ，锅炉供热效率为11267596/（8*3600）=391KW选用CLCS-0.46常压燃煤热水锅炉。耗煤量取规定92kg/h，不同月份的烧煤时间列于表9：月份123456789101112温度（℃）-0.7-0.44.710.515.920.023.825.221.516.18.92.0每天烧煤量（kg）596595441423337324312308319336358449每天烧煤时间（h）6.56.54.84.63.73.53.43.33.53.63.94.91.3热损失校正因子a1和锅炉总效率校正因子a2的测定为了使计算值与实际值相吻合，并为今后的工程提供可靠的计算方法，通过热损失校正因子a1和锅炉总效率因子a2使理论值与实际值相结合。1.3.1热损失校正因子a1在实际工程中，实际条件与理论设定的条件之间存在以下差异：（1）岩棉易吸水，苯板易破碎，造成热损失变大；（2）在施工过程中保温层之间、保温层与罐体之间结合不紧密；（3）保温材料的质量存在问题。17 以上都会造成计算热损失与实际热损失之间存在误差，这种误差可以看作导热系数（或传热系数）的实际值与理论值之间的误差造成的，而热损失与导热系数之间为线性关系，因此采用因子a1校正。a1=Q1(real)/Q1为了测定a1，需要现场测量Q1(real)，通过理论计算Q1①实际热损失Q1(real)的测量、计算方法：罐体温度升至要求温度，锅炉停止加热，此时罐内温度T1；经过时间t后，罐体温度T2；则Q1(real)=CM（T1-T2）/t实际热损失的测定需现场记录数据，表格如下：表10填表时间年月日工程地点厌氧罐容积每天进料量室外温度锅炉停止加热后罐内温度记录时间（例如8：30）罐内温度记录时间罐内温度记录时间罐内温度记录时间罐内温度记录时间②理论热损失Q1的计算方法Q1的计算需核实保温材料数据，列于表11：罐体保温材料厚度密度或导热系数罐顶保温材料厚度密度或导热系数反应罐基础厚度17 1.3.2锅炉总效率校正因子a2锅炉的额定热效率是在煤完全燃烧，司炉工完全按照规程操作，管路采用规定保温措施的条件下测定的，实际过程中，锅炉在以下几方面与理想工作状态有偏差：（1）煤燃烧的程度；（2）煤放出的热量被锅炉中的水吸收的效率；（3）锅炉热水在循环过程中的热损失。这就需要通过校正因子来确定锅炉的实际热效率。a2=K(real)/Ke锅炉实际热效率测定方法：K(real)=Q吸/Q放其中，Q吸=CM（t1-t2），M——罐体内物料质量；t2——锅炉加热前反应罐内物料的温度；t1——锅炉加热后反应罐内物料的温度。Q放=EMcE——煤完全燃烧放出的热量；Mc——每天烧煤量。实际热效率需要通过现场记录数据，列于表12：填表时间年月日工程地点厌氧罐容积每天进料量室外温度锅炉加热前罐内温度记录时间（例如8：30）锅炉加热后罐内温度记录时间17 锅炉日烧煤量锅炉日运行时间至1.3.3因子a1和a2的计算以即墨移风沼气工程为例，计算因子a1和a2。保温措施：罐体尺寸Φ10m×10m罐体侧壁用100mm苯板，罐顶用50mm岩棉；温度：罐体内温度在31℃-33℃之间，每天降0.4℃。进料25℃，室外平均25℃。进料量：每天10吨水，10吨粪。耗煤量：罐内温度由33℃降低到31℃，用时10天；罐内温度由31℃升高到33℃，用时12h，耗煤0.5吨。（1）因子a1的计算①计算热损失Q1：苯板导热系数取0.046W/m*℃罐体侧壁热损失：Q===1167W罐顶热损失：罐顶面积S=1.3ПR2=1.3*3.14*52=102.05m2Q==0.046*102.05*（33-25）=751W罐底热损失：罐底面积S=ПR2=3.14*52=78.5m2Q==1.54*78.5*（33-25）/0.5=1934W总热损失：Q1=1167+751+1934=3852W②实际热损失Q1(real):原料升温需热量计算：Q2＝CM△T=4.2*20*1000*（33-25）=672000KJ罐体所需热量：Q1(real)+Q2=CM（T1-T2）=4.2*800*1000*0.4=1344000KJQ1(real)=（134000-672000）/（24*3600）=7778W③校正因子a1：a1=Q1(real)/Q1=7778/3852=2.017 （1）因子a2的计算原料从31℃升温到33℃，耗煤0.5吨。按照散煤热值6000kcal/kg计算。原料升温所需热量；Q吸=CM（t1-t2）=4.2*800*1000*（33-31）=6720000KJ煤燃烧放出的热量：Q放=EMc=6000*4.2*500=12600000KJK(real)=Q吸/Q放=6720000/12600000=0.53校正因子a1=K(real)/Ke=0.53/0.735=0.722.产能和耗能拐点的计算拐点的含义：产能：沼气工程产生的沼气所含有的能量。耗能：加热原料所需的能量。拐点：随着沼气工程规模的增大，“产能/耗能”比逐渐增大，当产能与耗能相等时，可以看做拐点。说明：（1）拐点计算周期为1年；（2）东北地区、北方地区、南方地区耗能差别较大，需分别计算；（3）调粪水温度不同，耗煤量差别也较大；（4）耗能分燃煤锅炉、燃气锅炉、发电余热回收三种情况；（5）1000m3以上的沼气工程，考虑发电余热回收；（6）发酵温度按35℃计算，产气率按0.8计算，CSTR工艺停留时间为20天；2.1产能计算不同规模的沼气工程，所产生沼气的能量列于表13：厌氧罐容积（m3）一天产生的沼气量（m3）一年产生的沼气量（m3）一年所产沼气完全燃烧放出的热量（KJ）30024087600191143200050040014600031857200008006402336005097152000100080029200063714400001200960350400764572800017 1500120043800095571600002000160058400012742880000注：沼气热值根据标准沼气（CH4含60%）的热值2182OKJ/m3计算。2.2耗能计算2.2.1北方地区全年耗能计算以北方地区为例，保温措施按照表1，不同月份平均每天热损失列于表14：厌氧罐容积（m3）1、2、12月（0℃）（KJ）3、11月（5℃）（KJ）4月（10℃）（KJ）5、10月（15℃）（KJ）6、7、9月（20℃）（KJ）8月（25℃）（KJ）全年热损失（KJ）30053930946224038525730818923112015405113374668850078805467547556289645031733773722515819543738880010869129316517763906211294657823105222695537451000125496010756808964007171205378403585603112300801200143329012285221023754818985614304409536355456202150015557181333498111119088896966674944452838582002120001990483170614114217981137456853027568685493639458以地下水调粪，水温取15℃，每天加热原料所需热量列于表15：厌氧罐容积（m3）每天进料量（t）原料每天升温所需热量（KJ）全年原料升温所需热量（KJ）3001512600004599000005002521000007665000008004033600001226400000100050420000015330000001200605040000183960000015007563000002299500000200010084000003066000000全年所需总热量列于表16：厌氧罐容积（m3）全年热损失（KJ）热损失校正系数a1全年实际热损失（KJ）全年原料升温所需热量（KJ）全年所需总热量（KJ）3001337466881.621399470145990000067389470117 5001954373881.631269982176650000010791998218002695537451.64312859921226400000165768599210003112300801.64979681281533000000203096812812003554562021.65687299231839600000240832992315003858200211.66173120342299500000291681203420004936394581.6789823133306600000038558231332.2.2燃煤锅炉的“耗能/产能”比表17厌氧罐容积（m3）全年所需总热量（KJ）全年所需煤量（t）耗煤支出（万元）全年产生沼气量（m3）沼气收入（万元）耗能/产能比（支出/收入比）30067389470150.55.058760013.10.384500107919982180.88.0814600021.90.3698001657685992124.112.4123360035.00.35410002030968128152.115.2129200043.80.34712002408329923180.318.0335040052.60.34315002916812034218.421.8443800065.70.33220003855823133288.728.8758400087.60.330说明：计算取值：散煤的热值6000kcal/kg，锅炉实际热效率53%，散煤价格1000元/吨，沼气价格1.5元/m3。2.2.3沼气锅炉的“耗能/产能”比（1）全年“产能/耗能”比不同规模的沼气工程，全年产生和消耗的沼气量列于表18：厌氧罐容积（m3）全年所需总热量（KJ）全年所需沼气量（m3）全年产生沼气量（m3）全年剩余沼气量（m3）平均每天剩余沼气量（m3）耗能/产能比（沼气量比）3006738947013860587600489951340.441500107919982161824146000841762310.4238001657685992949642336001386363800.407100020309681281163482920001756524810.398120024083299231379663504002124345820.39417 150029168120341670954380002709057420.381200038558231332208885840003631129950.378说明：计算过程中，燃气锅炉热效率取80%；进料温度取15℃。在实际过程中，夏季剩余的沼气量较多，剩余的沼气可供户用；冬季剩余沼气量较小，难以满足户用。（1）冬季“产能/耗能”比表19厌氧罐容积（m3）每天理论热损失（KJ）每天实际热损失（KJ）每天加热原料所需热量（KJ）每天所需总热量（KJ）每天所需沼气量（m3）每天产生沼气量（m3）每天剩余沼气量（m3）耗能/产能比（沼气量比）30053930986289422050003067894176240640.7325007880541260886367500049358862834001170.70780010869121739059588000076190594366402040.682100012549602007936735000093579365368002640.6701200143329022932648820000111132646379603230.663150015557182489149110250001351414977412004260.6452000199048331847731470000017884773102516005750.640说明：计算过程中，燃气锅炉热效率取80%；进料温度取0℃。2.2.4沼气发电机的余热满足率和经济效率（1）余热满足率分析表20：厌氧罐容积（m3）全年所需总热量（KJ）一年所产沼气完全燃烧放出的热量（KJ）全年可回收的余热量（KJ）余热满足需热率30067389470119114320005160866400.766500107919982131857200008601444000.7978001657685992509715200013762310400.83010002030968128637144000017202888000.84712002408329923764572800020643465600.85715002916812034955716000025804332000.885200038558231331274288000034405776000.89217 说明：发电余热考虑到传热过程中的热损失，被物料所吸收的热量占总能量的27%，所以仅利用发电余热难以满足需求。如果进料温度较高（20℃以上），发电余热可满足要求。在操作过程中，需把夏季产生的多余的气储存起来供冬季发电。（2）发电机效率分析：表21：厌氧罐容积（m3）一年产生的沼气量（m3）沼气收入（万元）全年发电量（Kwh）发电收入（万元）回收的余热折算成沼气量（m3）余热折算成支出（万元）余热+发电收入（万元）发电机经济效率3008760013.11314008.28236523.5511.830.9050014600021.921900013.80394205.9119.710.9080023360035.035040022.08630729.4631.540.90100029200043.843800027.597884011.8339.420.90120035040052.652560033.119460814.1947.300.90150043800065.765700041.3911826017.7459.130.90200058400087.687600055.1915768023.6578.840.90说明：沼气按照1.5元/m3计算，电价按0.63元/度计算，发电量按照1.5度/立方米沼气计算，余热折算成沼气计算。（1）冬季余热满足率计算表20是以一年为计算周期得出的余热满足率，在操作过程中，需把夏季产生的多余的气储存起来供冬季发电，这在实际工程中难以实现。现计算冬季（12、1、2月份）发电余热的满足率，以一天为计算周期，如表22：厌氧罐容积（m3）每天理论热损失（KJ）每天实际热损失（KJ）每天加热原料所需热量（KJ）每天所需总热量（KJ）一天所产沼气完全燃烧放出的热量（KJ）每天可回收的余热量（KJ）余热满足需热率3005393098628949450001807894523680014139360.782500788054126088615750002835886872800023565600.83180010869121739059252000042590591396480037704960.885100012549602007936315000051579361745600047131200.914120014332902293264378000060732642094720056557440.931150015557182489149472500072141492618400070696800.980200019904833184773630000094847733491200094262400.99428002497738399638188200001281638148876800131967361.03017 说明：热损失校正因子a1取1.6，进料温度取20℃，回收的余热占沼气完全燃烧放出热量的27%。2.2.5燃煤锅炉、燃气锅炉和沼气发电机组经济性对比分析（1）燃煤锅炉与燃气锅炉对比：表23厌氧罐容积（m3）燃煤锅炉耗能/产能（支出/收入）燃气锅炉耗能/产能比（沼气量比）比值之差3000.3840.4410.0575000.3690.4230.0548000.3540.4070.05310000.3470.3980.05112000.3430.3940.05115000.3320.3810.04920000.3300.3780.048从表中数据可以看出，燃煤锅炉的经济性好于燃气锅炉，对小规模的沼气工程经济性更明显。说明：计算数据为：热效率：燃煤锅炉53%，燃气锅炉80%；单价：煤1000元/吨，沼气1.5元/m3；当煤和沼气的价格发生变动，“耗能/产能”比会发生相应变动。（2）燃气锅炉与沼气发电机对比燃气锅炉的实际热效率为80%，相当于经济效率为80%。而沼气发电机的效率为90%，所以沼气发电机的经济效率更高。需要说明该结论是在电价0.63元/度、沼气价格1.5元/m3条件下得出的。2.2.6“拐点”结论（1）沼气锅炉：17 所产生的沼气除满足自身热量需求外，剩余的沼气供户用。按照冬季（12、1、2月份）供热设计，沼气锅炉“拐点”结论见表24：前提条件1.进料温度0℃；2.室外平均温度0℃；3.保温措施采用表1方案；4.沼气锅炉热效率80%。结论规格为1000m3的沼气工程，剩余沼气量相当于300m3的户用沼气工程可提供的沼气量；规格为1500m3的沼气工程，剩余沼气量相当于500m3的户用沼气工程可提供的沼气量。（2）沼气发电余热回收：北方地区，冬季（12、1、2月份）发电余热的“拐点”结论见表25：前提条件5.进料温度20℃；6.室外平均温度0℃；7.保温措施采用表1方案；8.发电回收的余热占沼气完全燃烧放出总热量的27%结论规格为2800m3的沼气工程，产能=耗能，发电余热满足热量需求。3.解决夏天烧煤问题分析3.1沼气发电余热回收夏季，室外平均温度取25℃，余热回收率取27%，利用发电余热可将原料温度提升的度数列于表26：表26厌氧罐容积（m3）每天可回收的余热量（KJ）每天实际热损失（KJ）余热用于原料升温的热量（KJ）每天进料量（t）余热可将原料温度提升的度数（℃）进料需要的温度（℃）300141393615405112598851520.015.0500235656022515821314022520.314.7800377049631052234599744020.614.417 1000471312035856043545605020.714.31200565574440953652462086020.814.21500706968044452866251527521.014.020009426240568685885755510021.113.9当进料温度在表中温度以上时，在夏季发电余热可将原料升温至35℃。当进料温度低于表中温度，可建闷晒池将原料加热到相应温度。3.2太阳能加热以八月份不烧锅炉为目标，调粪水温度15℃，室外温度25℃。按照目前普遍采用的经验值，北方地区（辽宁以南），每m2集热板在冬季阳光充足天气每天可提供45℃热水60公斤（合2520kJ），夏季可提供60℃热水50公斤（合6300kJ）。传热效率取80%，按此计算发电以外需要的集热板面积。太阳能板价格按照1000元/m2计算。所需太阳能板的面积列于表27：表27厌氧罐容积（m3）每天理论热损失（KJ）每天实际热损失（KJ）每天加热原料所需热量（KJ）总需热量（KJ）所需太阳能板面积（m2）太阳能板投资（万元）3001540512464821260000150648229929.95002251583602532100000246025348848.88003105224968353360000385683576576.510003585605736964200000477369694794.71200409536655258504000056952581130113.01500444528711245630000070112451391139.12000568685909896840000093098961847184.717'