沼气工程与沼液热水解工程耦合高效热量循环利用系统及方法

技术领域

本专利涉及沼气工程与沼液热水解工程耦合高效热量循环利用系统，属于沼气工程和沼液热水解技术领域。

背景技术

沼气发电工程中，厌氧发酵系统需要加热和保温，应提供足够的热量；与沼气工程相辅相成的沼液热水解系统，需要品质较高的蒸汽。热量循环利用系统非常重要，如果采用沼气或者电力提供热量，则会导致巨大的能源消耗，并使整个项目的经济性变差。在沼气发电过程中，发电机会产生余热，但在外界气温较低时存在余热不足的问题，如采用粗放式地余热利用，会导致整个工程热量不足、需要外部供热，主要体现如下：

1)单纯使用缸套水热量不足以维持厌氧发酵系统的供热和保温，如果发酵温度下降会导致产气率急剧减少；

2)发电机组提供的烟气无法通过换热提供满足沼液热水解系统的足量蒸汽，如果蒸汽供应不足，会导致热水解系统效果大幅度下降，使沼液无法进行回用，并导致整个沼气工程运行效果下降。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种沼气工程及沼液热水解技术领域中的沼气工程与沼液热水解工程耦合高效热量循环利用系统及方法，且工艺简单、投资节省，通过热量在系统内循环流动和利用，满足整个工程的热量需求。

这种沼气工程与沼液热水解工程耦合高效热量循环利用系统，包括缸套水热量循环系统、烟气余热利用系统、热水解热量循环利用系统和沼液余热循环利用系统；

缸套水热量循环系统包括内燃发电机组、缸套水换热器、塔式散热器、热水输送泵、热水循环箱、热水循环泵、热水控制阀、厌氧发酵池和厌氧发酵池加热盘管；内燃发电机组的B端出口连接至缸套水换热器一侧进口，缸套水换热器一侧出口通过塔式散热器连接至内燃发电机组的A端进口，内燃发电机组与塔式散热器之间的管道为缸套冷却水管道；缸套水换热器另一侧出口连接至热水循环箱进口，热水循环箱出口依次通过热水输送泵和热水控制阀连接至缸套水换热器另一侧进口；热水循环箱出口通过热水循环泵连接至厌氧发酵池的厌氧发酵池加热盘管进口，厌氧发酵池加热盘管出口连接至热水循环箱进口；

烟气余热利用系统包括内燃发电机组、烟气换热控制阀、烟气余热热水换热器和烟气余热蒸汽锅炉；内燃发电机组的C端出口的烟气管道上设有烟气换热控制阀，烟气管道上通过烟气换热控制阀连接有烟气余热热水换热器；烟气余热热水换热器出水口连接至热水循环箱进口，热水循环箱出口依次通过热水输送泵和热水控制阀连接至烟气余热热水换热器进水口；

热水解热量循环利用系统包括进料反应器、热水解反应器、闪蒸反应器和闪蒸反应器伴热管；烟气余热蒸汽锅炉的D端出口连接至热水解反应器进口，热水解反应器出口连接至闪蒸反应器进口，闪蒸反应器蒸汽出口连接至进料反应器蒸汽进口；闪蒸反应器出水口连接至烟气余热蒸汽锅炉的C端进口；

沼液余热循环利用系统包括沼液出料泵、沼液换热器、沼液回用泵、进料池、进料泵、沼液换热控制阀和沼液冷却器；闪蒸反应器沼液出口通过沼液回用泵连接至沼液换热器沼液进口，沼液换热器沼液出口通过沼液换热控制阀连接至进料池进口；进料池进口端设有沼液管道，沼液管道上通过沼液换热控制阀连接有沼液冷却器；进料池出口通过进料泵连接至厌氧发酵池进口，厌氧发酵池出口依次通过沼液出料泵和沼液换热器连接至进料反应器沼液进口；厌氧发酵池沼气出口通过沼气管道连接至内燃发电机组的D端进口。

作为优选：烟气换热控制阀进口连接内燃发电机组的C端出口，烟气换热控制阀的两个出口分别连接至烟气余热热水换热器烟气进口和烟气余热蒸汽锅炉的A端进口，烟气余热热水换热器烟气出口连接至烟气余热蒸汽锅炉的A端进口。

作为优选：闪蒸反应器设有闪蒸反应器伴热管。

作为优选：烟气余热蒸汽锅炉与热水解热量循环利用系统之间的管道为蒸汽管道。

这种沼气工程与沼液热水解工程耦合高效热量循环利用系统的工作方法，包括以下步骤：

S1、厌氧发酵原料与沼液回用泵来的沼液在进料池混合，通过进料泵输送至厌氧发酵池进行厌氧发酵产沼气，沼气经沼气管道进入内燃发电机组进行发电，产生的烟气经烟气管道和烟气换热控制阀进入烟气余热蒸汽锅炉制备蒸汽，之后烟气排放；

S2、厌氧发酵池产生的沼液经沼液出料泵进入沼液换热器预热，预热后的沼液进入进料反应器，与闪蒸反应器回用的余热蒸汽混合加热后进入热水解反应器；在热水解反应器中，利用烟气余热蒸汽锅炉制备的、经蒸汽管道而来的蒸汽进行高温加热和热水解反应；闪蒸反应器上设置闪蒸反应器伴热管，制备蒸汽的用水先经闪蒸反应器伴热管进行预热，然后再进入烟气余热蒸汽锅炉制备蒸汽；

S3、沼液经热水解反应后进入闪蒸反应器，然后通过沼液回用泵输送至沼液换热器将厌氧发酵池出口的沼液进行预热，然后输送回进料池；

S4、内燃发电机组的缸套冷却水经缸套冷却水管道进入缸套水换热器一侧进行冷却，然后进入塔式散热器再次进行冷却；缸套水换热器另一侧被加热后的热水经热水管道进入热水循环箱，然后通过热水循环泵输送至厌氧发酵池加热盘管对厌氧发酵池中的物料进行加热和保温；之后冷水输送回热水循环箱，再通过热水输送泵输送至缸套水换热器进行加热。

作为优选：步骤S1中，内燃发电机组通过燃烧沼气产生烟气，并通过烟气余热蒸汽锅炉制备饱和蒸汽；烟气余热蒸汽锅炉进口连接烟气余热热水换热器。

作为优选：步骤S2中，闪蒸产生的余热蒸汽返回至进料反应器用于沼液的预热。

作为优选：步骤S3中，当夏季温度较高时，沼液通过沼液换热控制阀进入沼液冷却器进行冷却，冷却后沼液回用至进料池。

作为优选：步骤S4中，塔式散热器与缸套水换热器串联，缸套冷却水在缸套水换热器中冷却后进入塔式散热器；当气温较高时，通过塔式散热器使缸套冷却水进一步降温，并降至合适温度后重新循环冷却内燃发电机组的缸套冷却水。

作为优选：步骤S4中，当整个沼气工程负荷较低时，则减少沼液热水解热量循环利用系统的负荷，通过调节烟气换热控制阀，使烟气进入烟气余热热水换热器加热热水循环箱来的热水，并将热水输送至热水循环箱，用于厌氧发酵池的供热，调节热水控制阀以平衡热水的循环流动并调节温度。

本发明的有益效果是：

1、通过缸套水热量循环系统，充分利用内燃发电机组缸套水的热量，满足厌氧发酵池的供热需求，使厌氧发酵池在极端工况下仍能满足38℃左右的恒温发酵。

2、通过烟气余热利用系统，充分利用内燃发电机组热烟气的热量，制备成足够的饱和蒸汽，满足沼液热水解的供热需求，使沼液经充分地热水解后回用至厌氧发酵池，最大化地产生沼气。

3、通过热水解热量循环利用系统，充分利用蒸汽的热量，最大化减少蒸汽消耗，同时通过加热烟气余热蒸汽锅炉的给水，使产生的蒸汽量最大。

4、通过沼液余热循环利用系统，充分利用沼液的余热，一方面加热进料反应器的进料，减少蒸汽用量，另一方面提高厌氧发酵池的进料温度，使缸套水热量在极端工况下仍可以满足厌氧发酵池的供热需求。

5、本发明使沼气工程与沼液热水解工程耦合，提高产气率的同时，也提高了缸套水和烟气的余热量，进一步满足整体热量需求。

6、本发明通过沼气工程与沼液热水解工程耦合，使热量在系统中循环利用，改变以往工程热量不足的情况，不再需要额外供热，在极端工况下也能满足热量需求，大幅度提高工程经济性。

附图说明

图1为本专利的工艺流程示意图。

附图标记说明：1-进料池；2-进料泵；3-沼液管道；4-厌氧发酵池；5-厌氧发酵池加热盘管；6-沼液出料泵；7-沼液换热器；8-进料反应器；9-热水解反应器；10-闪蒸反应器；11-闪蒸反应器伴热管；12-沼液回用泵；13-沼液换热控制阀；14-沼液冷却器；15-沼气管道；16-内燃发电机组；17-烟气管道；18-烟气换热控制阀；19-烟气余热热水换热器；20-烟气余热蒸汽锅炉；21-蒸汽管道；22-缸套水换热器；23-塔式散热器；24-热水管道；25-热水输送泵；26-热水循环箱；27-热水循环泵；28-热水控制阀；29-缸套冷却水管道。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例一

所述沼气工程与沼液热水解工程耦合高效热量循环利用系统，包括缸套水热量循环系统、烟气余热利用系统、热水解热量循环利用系统、沼液余热循环利用系统。

缸套水热量循环系统的主要设备包括内燃发电机组16、缸套水换热器22、塔式散热器23、热水输送泵25、热水循环箱26、热水循环泵27、热水控制阀28、厌氧发酵池4和厌氧发酵池加热盘管5。内燃发电机组16的B端出口连接至缸套水换热器22一侧进口，缸套水换热器22一侧出口通过塔式散热器23连接至内燃发电机组16的A端进口，内燃发电机组16与塔式散热器23之间的管道为缸套冷却水管道29；缸套水换热器22另一侧出口连接至热水循环箱26进口，热水循环箱26出口依次通过热水输送泵25和热水控制阀28连接至缸套水换热器22另一侧进口；热水循环箱26出口通过热水循环泵27连接至厌氧发酵池4的厌氧发酵池加热盘管5进口，厌氧发酵池加热盘管5出口连接至热水循环箱26进口。

厌氧发酵池4的热量主要来源是内燃发电机组16中的缸套水热量。内燃发电机组16的缸套中设有缸套冷却水，并通入缸套水换热器22一侧，通过缸套水换热器22加热循环水对缸套冷却水进行冷却，缸套水换热器22另一侧的水则被加热至合适温度并进入热水循环箱26，再通过热水循环泵27进入厌氧发酵池加热盘管5，最终用于厌氧发酵池4的加热和保温。

塔式散热器23与缸套水换热器22串联，缸套冷却水在缸套水换热器22中冷却后进入塔式散热器23。当气温过高，厌氧发酵池4的热量需求降低，导致缸套水换热器22无法将缸套冷却水降至70℃以下时，塔式散热器23可以使缸套冷却水进一步降温，并降至合适温度后重新循环冷却内燃发电机组16的缸套冷却水。

烟气余热利用系统的主要设备包括内燃发电机组16、烟气换热控制阀18、烟气余热热水换热器19和烟气余热蒸汽锅炉20。内燃发电机组16的C端出口的烟气管道17上设有烟气换热控制阀18，烟气管道17上通过烟气换热控制阀18并联有烟气余热热水换热器19，即烟气换热控制阀18进口连接内燃发电机组16的C端出口，烟气换热控制阀18的两个出口分别连接至烟气余热热水换热器19烟气进口和烟气余热蒸汽锅炉20的A端进口，烟气余热热水换热器19烟气出口连接至烟气余热蒸汽锅炉20的A端进口；烟气余热热水换热器19出水口连接至热水循环箱26进口，热水循环箱26出口依次通过热水输送泵25和热水控制阀28连接至烟气余热热水换热器19进水口。

内燃发电机组16通过燃烧沼气产生烟气，并通过烟气余热蒸汽锅炉20制备饱和蒸汽，正常运行时蒸汽全部用于沼液热水解热量循环利用系统的供热。

烟气余热蒸汽锅炉20前连接烟气余热热水换热器19，当整个沼气工程负荷较低时，由于内燃发电机组16功率下降，导致缸套水热量减少，而厌氧发酵池4的热量仍需供应。此时可以减少沼液热水解热量循环利用系统的负荷，减少进料反应器8的沼液进入，减少蒸汽消耗。同时通过烟气换热控制阀18和烟气余热热水换热器19，将部分烟气热量换热制备热水，在热水控制阀28的作用下，使热水经烟气余热热水换热器19加热后进入热水循环箱26，用于厌氧发酵池4的供热。

热水解热量循环利用系统的主要设备包括进料反应器8、热水解反应器9、闪蒸反应器10和闪蒸反应器伴热管11。烟气余热蒸汽锅炉20的D端出口连接至热水解反应器9进口，热水解反应器9出口连接至闪蒸反应器10进口，闪蒸反应器10蒸汽出口连接至进料反应器8蒸汽进口；闪蒸反应器10出水口连接至烟气余热蒸汽锅炉20的C端进口，闪蒸反应器10设有闪蒸反应器伴热管11。烟气余热蒸汽锅炉20与热水解热量循环利用系统之间的管道为蒸汽管道21。

烟气余热蒸汽锅炉20产生的蒸汽进入热水解反应器9用于沼液热水解，沼液吸收热量后经历闪蒸过程进入闪蒸反应器10。闪蒸产生的余热蒸汽返回至进料反应器8用于沼液的预热，以减少蒸汽的耗量。

闪蒸反应器10内的沼液温度仍有95℃以上，此时通过闪蒸反应器伴热管11预热烟气余热蒸汽锅炉20的给水，通过此过程可以增加烟气余热蒸汽锅炉20的蒸汽产量，以满足热水解反应器9的蒸汽消耗。

沼液余热循环利用系统的主要设备包括沼液出料泵6、沼液换热器7、沼液回用泵12、进料池1、进料泵2、沼液换热控制阀13和沼液冷却器14。闪蒸反应器10沼液出口通过沼液回用泵12连接至沼液换热器7沼液进口，沼液换热器7沼液出口通过沼液换热控制阀13连接至进料池1进口；进料池1前端设有沼液管道3，沼液管道3上通过沼液换热控制阀13并联沼液冷却器14；进料池1出口通过进料泵2连接至厌氧发酵池4进口，厌氧发酵池4出口依次通过沼液出料泵6和沼液换热器7连接至进料反应器8沼液进口。厌氧发酵池4沼气出口通过沼气管道15连接至内燃发电机组16的D端进口。

闪蒸反应器10出口的沼液通过沼液回用泵12输送至进料池1进行调配，因沼液具有较高温度，可以为进料升温，大幅度降低厌氧发酵池4的热需求，解决了在外界气温较低时单纯使用缸套水热量不足以维持厌氧发酵池4供热和保温的问题。

回用沼液在输送至进料池1前，先通过沼液换热器7加热进入进料反应器8的沼液，使沼液升温，减少沼液热水解热量循环利用系统的整体能耗。

当在夏季厌氧发酵池4的热量需求较小时，可以通过进一步冷却闪蒸反应器10出口的沼液，使沼液温度降至60℃以下，以防止厌氧发酵池4的温度过高。

沼液通过沼液热水解反应并回用至厌氧发酵池4进一步发酵，提高了沼气产量，进一步提高了内燃发电机组16的功率，并增加了缸套水和烟气余热，进一步满足沼气工程与沼液热水解工程的整体热量需求。

实施例二

所述沼气工程与沼液热水解工程耦合高效热量循环利用系统的工作方法，包括以下步骤：

S1、厌氧发酵原料与沼液回用泵12来的沼液在进料池1混合，通过进料泵2输送至厌氧发酵池4进行厌氧发酵产沼气，沼气经沼气管道15进入内燃发电机组16进行发电，产生的烟气经烟气管道17和烟气换热控制阀18进入烟气余热蒸汽锅炉20制备蒸汽，之后烟气排放。

S2、厌氧发酵池4产生的沼液经沼液出料泵6进入沼液换热器7预热，预热后的沼液进入进料反应器8，与闪蒸反应器10回用的余热蒸汽混合加热后进入热水解反应器9。在热水解反应器9中，利用烟气余热蒸汽锅炉20制备的、经蒸汽管道21而来的蒸汽进行高温加热和热水解反应。闪蒸反应器10上设置闪蒸反应器伴热管11，制备蒸汽的用水先经闪蒸反应器伴热管11进行预热，然后再进入烟气余热蒸汽锅炉20制备蒸汽，从而提高蒸汽产量。

S3、沼液经热水解反应后进入闪蒸反应器10，然后通过沼液回用泵12输送至沼液换热器7将厌氧发酵池4出口的沼液进行预热，然后输送回进料池1。当夏季天气过热时，沼液可以通过沼液换热控制阀13进入沼液冷却器14进行冷却，冷却后沼液回用至进料池1。

S4、内燃发电机组16的缸套冷却水经缸套冷却水管道29进入缸套水换热器22一侧进行冷却，然后进入塔式散热器23再次进行冷却，以满足发电机缸套水冷却的需求。缸套水换热器22另一侧被加热后的热水经热水管道24进入热水循环箱26，然后通过热水循环泵27输送至厌氧发酵池加热盘管5对厌氧发酵池4中的物料进行加热和保温。之后冷水输送回热水循环箱26，再通过热水输送泵25输送至缸套水换热器22进行加热。热水循环箱26起到调节温度的作用，缸套水换热器22来的热水与厌氧发酵池加热盘管5来的冷水进行混合并调节温度，可以使厌氧发酵池4中的物料保持恒温，防止高温冲击导致厌氧发酵的效率降低。当整个沼气工程负荷较低时，缸套水热量减少，而厌氧发酵池4的热量仍需要供应。此时可以减少沼液热水解热量循环利用系统的负荷，通过调节烟气换热控制阀18，使烟气进入烟气余热热水换热器19加热另一侧的热水，并将热水输送至热水循环箱26，用于厌氧发酵池4的供热，此时需要调节热水控制阀28，以平衡热水的循环流动并调节温度。