規模化養殖場沼氣工程不同熱供方式能耗分析

黃 婧，肖艷春，李 潔，魏云華，林香信，陳 彪*

(1.福建省農業科學院農業工程技術研究所 350003；2.福建省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所)

規模化養殖場沼氣工程不同熱供方式能耗分析

黃 婧1，肖艷春1，李 潔1，魏云華1，林香信2，陳 彪1*

(1.福建省農業科學院農業工程技術研究所 350003；2.福建省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所)

以莆田市某大型養殖場的沼氣工程為例，對燃煤熱水鍋爐、沼氣鍋爐、太陽能和沼氣發電余熱利用4種熱供方式進行能耗分析，結果表明：從能源消耗、運行經濟效益以及二氧化碳減排方面進行評價，沼氣發電余熱利用熱供方式明顯優于其他3種熱供方式,建議在規模化養殖場的大中型沼氣工程中推廣熱電聯產CHP模式。

養殖場；熱供方式；沼氣發電；余熱利用；熱電聯產

建設規模化養殖場已成為發展趨勢，但規模養殖的污水排放量相對集中[1-2]，而且其中的有機物、氨氮、總磷濃度仍然很高，還含有一定濃度的重金屬[3]，如果將這些污染物直接排放或施用于農田，會對生態環境安全造成嚴重威脅。沼氣工程是國際上公認的解決養殖污染比較有效的方式之一[4]。隨著沼氣工程的推廣，有效保持沼氣工程運行的穩定性、經濟性已成為沼氣工程發展的核心問題，而厭氧發酵溫度是影響沼氣中溫發酵產氣率的關鍵因素之一，有研究表明：中溫發酵最適溫度為35℃[5-6]。因此，采取經濟高效的熱供方式是保障大中型沼氣工程中溫發酵必須解決的關鍵問題[7]。

目前沼氣工程熱供方式主要有燃煤熱水鍋爐、沼氣鍋爐、太陽能和沼氣發電余熱利用4種方式[8-10]。本文以莆田市某大型養殖場的沼氣工程為例，通過對沼氣工程的環境條件、進出料情況、厭氧反應器散熱情況、增溫條件等進行分析，研究4種不同加熱方式能耗情況，以期從中篩選出經濟高效的熱供方式，為福建省規模化養殖場沼氣工程持續穩定運行奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 養殖場基本情況

福建莆田鴻達牧業有限公司年存欄45 000頭商品豬、3000頭母豬，每天產生糞污385.2 t，其中總固體含量21.3 t[11]。養殖場的糞污經過采集管道全部進入HDPE厭氧反應器。

1.2 沼氣工程熱平衡數據計算

1.2.1 發酵料液進料時損失的熱量 系統進料損失的熱量計算公式：

Q1=1000×Cf×m×(tf-t進)

(1)

(1)式中：m—每天進入發酵系統的鮮料液量(t/d)；Cf—發酵料液比熱容，取3.9 kJ/(kg·℃)；tf—厭氧發酵系統內料液溫度，取35℃；t進—鮮料液的溫度，取15℃。

根據公式計算，該養殖場發酵料液進料時損失的熱量Q1=30045.6 MJ。

1.2.2 厭氧反應器散熱損失的熱量 厭氧反應器散熱損失的熱量主要是由反應器的頂部、壁面和底部在一定時間內損失熱量的總和。反應器總散熱量計算公式[12]為：

Q反=Q底+Q側+Q頂

(2)

由于該養殖場采用的是HDPE厭氧反應器，其容積為25 800 m3，厭氧反應器的圍護結構為HDPE膜，其厚度為1.5 mm，厭氧反應器上半部為地面式，下半部為埋入式。經橢球體公式計算，厭氧反應器上半部的表面積為2384 m2，下半部的表面積為4770 m2，整個厭氧反應器散熱損失的熱量包括上半部和下半部兩部分，其計算公式：

Q2=Q上+Q下

(3)

厭氧反應器上半部傳散熱量計算公式[13]：

(4)

(4)式中：Az—散熱面積(m2)；δ1—HDPE膜的厚度，取0.0015 m；λ1—由于HDPE厭氧反應器頂層為空氣和產生沼氣的儲氣膜，其導熱系數采用空氣的導熱系數，為0.028 W/(m·℃)；tf—厭氧發酵系統內料液的溫度，取35℃；t外—室外全年平均溫度，取19.5℃；t—傳熱時間，取86 400 s。

經計算，厭氧反應器上半部散熱量Q上=59 596.2 MJ。

埋入地下部分厭氧反應器散損失熱量的計算，可把厭氧反應器下半部分散熱視為恒壁溫半無限大導熱問題，由于HDPE膜的厚度1.5 mm，可將該厭氧反應器下半部分散熱量視為大平壁散熱問題，因此反應器下半部散熱量按照以下公式[14]計算：

(5)

(5)式中：Az—散熱面積(m2)；t—傳熱時間，取 86 400 s；λ—土壤的傳熱系數，取0.5 W/(m·℃)；ρ—密度，取1500 kg/m3；Cp—定壓熱容，取1.9 KJ/kg；tf—發酵系統內的料液溫度；t土—土壤溫度，取19.5℃。

經計算，厭氧反應器下半部散熱量Q下=45 970.5 MJ。

因此，厭氧反應器散熱損失的熱量Q2=Q上+Q下=105 566.7 MJ。

1.2.3 沼氣工程總散熱損失的熱量 根據能量守恒定律，輸入沼氣工程的能量應等于沼氣工程損失的能量。因此，厭氧反應器中發酵料液的中溫發酵溫度輸入能量需大于等于損失的熱量才能保證厭氧反應器內發酵料液所需的溫度。有些影響因素可忽略不計，故沼氣工程熱量平衡方程式：

Q總=Q1+Q2+Q3

(6)

(6)式中：Q1—發酵料液進料時損失的熱量；Q2—厭氧反應器散熱損失的熱量；Q3—供熱管路散熱損失的熱量。取供熱管路散熱損失占總能耗的1%，則沼氣工程總散熱損失的熱量公式[15]為：

Q總=1.01×(Q1+Q2)

(7)

沼氣工程總耗熱量Q總=136 968.4 MJ。

1.3 不同熱供方式能耗數據計算

以福建莆田鴻達牧業有限公司沼氣工程為例，對該工程燃煤熱水鍋爐、沼氣鍋爐、太陽能和沼氣發電余熱利用4種熱供方式進行能耗對比、環保評價及經濟效益分析，選擇較佳的熱供方式。

1.3.1 燃煤熱水鍋爐熱供系統 燃煤熱水鍋爐熱供系統是指以標準煤為燃料的熱水鍋爐，則鍋爐熱供系統需要消耗的熱量計算公式[15]：

(8)

(8)式中：Q煤—燃煤需要消耗的能耗(kJ)；Q總—沼氣工程每天總散熱量(kJ)；η煤—選用熱效率為76.8%的鍋爐進行熱供，取76.8%。

標準煤消耗量的計算公式[15]：

(9)

(9)式中：M煤—標準煤消耗量(t)；q煤—標準煤的熱值，取29 302 kJ/kg。

根據公式計算得到采用沼氣鍋爐熱供方式每天需要消耗的熱量和標準煤消耗量：Q煤=178 344.3 MJ ，M煤=6.08 t。

1.3.2 沼氣鍋爐熱供系統 沼氣鍋爐熱供系統是以沼氣工程產生的沼氣為燃料對鍋爐進行加熱獲得熱水，通過熱水循環為沼氣工程供熱。沼氣鍋爐產生熱量的計算公式參照公式(8)、(9)，沼氣鍋爐的熱效率為80%，計算采用沼氣鍋爐熱供方式每天需要消耗的熱量和標準煤消耗量：Q沼=171 210.5 MJ，M煤=5.84 t。

1.3.3 太陽能熱供系統 太陽能熱供系統是以太陽能作為輔助能源，為沼氣工程提供能量。該系統節能環保、操作簡單，但由于受天氣制約，提供的能量有限，因此太陽能熱供系統還需要額外輔助能源才能滿足沼氣工程每天所需的耗熱量，剩下的能耗由燃煤鍋爐供給。

選用燃煤鍋爐作為輔助熱源，標煤計算公式為公式(9)，輔助熱源消耗熱量的計算公式：

Q輔=Q總×(1-f)

(10)

(10)式中：Q輔—輔助熱源的有效供熱量(kJ)；f—太陽能保證率，取55%。

根據計算公式，計算得到采用太陽能熱供方式每天需要輔助能源消耗熱量和標準煤消耗量：Q輔=61 635.8 MJ，M煤=2.10 t。

1.3.4 沼氣發電余熱利用熱供系統 沼氣發電余熱利用熱供系統是通過應用余熱回收式的發電機組，利用發電余熱回收系統中的熱量給厭氧反應器中發酵料液加熱。采用國產沼氣發電機組，其熱效率可達80%，其中余熱利用效率通常為50%。因此，沼氣發電系統產生的余熱量計算公式：

Q余=50%×V×qn

(12)

(12)式中：V—沼氣工程日產氣量(m3)；qn—該工程沼氣的標準熱值，取25.08 MJ/m3。經測定，該沼氣工程在發酵溫度為35℃條件下其日產氣量為11 000 m3。經計算，沼氣發電每天余熱回收熱量Q余=137 940 MJ。由此得出，在維持35℃發酵溫度下，利用該熱供方式每天產生的余熱大于沼氣工程的總耗熱量(136 968 MJ)，可以完全滿足厭氧反應器保持中溫發酵的能耗需求。因此該利用方式不需要消耗額外的能量。

2 結果與分析

2.1 4種熱供方式能耗對比及CO2的排放量分析

根據上述能耗數據計算4種熱供方式全年一次能耗、標準煤消耗量和CO2排放量(表1)。其中，CO2排放量是根據每噸標準煤的二氧化碳排放值為2.54 t計算的[16]。

從表1中可以看出，太陽能熱供系統消耗的標準煤和CO2排放量，與燃煤熱供系統相比均減少65.5%，與沼氣鍋爐熱供系統相比均減少64.0%。因此，太陽能熱供系統與這兩種傳統熱供方式相比具有一定的優勢，但太陽能熱供系統易受天氣等自然條件的制約，運行穩定性難以保證。沼氣發電余熱利用熱供系統，其可利用的熱能，完全滿足沼氣工程的中溫發酵需要，不需要消耗額外的標準煤，也沒有二氧化碳的排出，對環境的污染最小，不僅節省了能源消耗，而且充分利用已經產生的能源，大大提高了能源的利用效率。因此，從能耗對比及CO2的排放量分析，較佳的熱供方式是沼氣發電余熱利用熱供系統。

表1 4種熱供方式每年的一次能耗與標準煤消耗量

2.2 4種熱供方式的運行經濟效益分析

沼氣發電余熱利用熱供系統不僅可以將余熱進行充分利用，還可將厭氧發酵過程中產生的甲烷進行發電，將高品位清潔能源轉化為高價值的電能(政府出臺相關政策：沼氣工程產生的電能并網價格是0.69元/度)，能夠最大程度發揮沼氣工程的經濟效益，提高養殖企業建立沼氣工程的積極性。其他熱供方式不僅需要消耗額外的能源，還存在CO2排放問題。因此，從維護運營的經濟角度分析，較佳的熱供方式是沼氣發電余熱利用熱供系統。

2.3 畜禽污染物能源化利用熱電聯產CHP模式的構建

沼氣工程熱電聯產CHP模式(圖1)中，厭氧反應器產生的沼氣進入沼氣凈化系統，再通過沼氣發電機組將沼氣轉化為電能，在這過程中產生的蒸汽通過換熱器轉化為采暖負荷和制冷負荷，循環冷卻水通過管道進入厭氧消化反應器保溫系統，充分利用發電產生的余熱。不僅可以完全利用厭氧發酵過程中產生的甲烷，氣體不會排放造成環境污染，而且可以將余熱進行充分利用，對厭氧反應器進行保溫，促進甲烷產氣量的提高，在此過程中最大化地發揮了甲烷的經濟效益。從上述能耗分析看出，大中型沼氣工程適合利用熱電聯產CHP模式處理畜禽養殖污染物。

圖1 養殖污染物沼氣工程熱電聯產CHP模式框架圖

3 小結

通過實例計算沼氣工程4種不同加熱方式的能耗情況，從能源消耗、運營經濟效益以及二氧化碳減排方面進行比較分析，結果表明：沼氣發電余熱利用方式明顯優于燃煤熱水鍋爐、沼氣鍋爐、太陽能加熱3種方式。建議在福建省規模化養殖場的畜禽污染物能源化利用中推廣熱電聯產CHP模式。

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(責任編輯：劉新永)

Energy consumption analysis of different heat-supplying methods in biogas project of large-scale raising farm

HUANG Jing1, XIAO Yan-chun1, LI Jie1, WEI Yun-hua1, LIN Xiang-xin2, CHEN Biao1*
(1.AgriculturalEngineeringandTechnologyInstituteofFujianAcademyofAgriculturalSciences,FujianProvince350003; 2.AgriculturalQualityStandardsandTestingTechnologyInstituteofFujianAcademyofAgriculturalSciences)

Taking the biogas project of a large raising farm in Putian as an example, the energy consumption analysis on four kinds of heat supplements, i.e., coal-burning boiler, biogas boiler, solar energy and waste heat utilization of biogas power generation were carried out. The results show that the heat supply mode of waste heat utilization of biogas power generation was significantly better than the other three methods in the aspects of energy consumption, operational economic benefits and carbon dioxide emission reduction. It is proposed to extend the cogeneration CHP model in large-and medium-sized biogas projects of large raising farms.

Raising farms; heat-supplying mode; biogas power generation; waste heat utilization; cogeneration

2017-02-15

黃婧，女，1985年生，助理研究員。

*通訊作者：陳彪，男，1965年生，副研究員 (E-mail：nychenbiao@sohu.com)。

福建省科技計劃項目——省屬公益類科研院所基本科研專項(2014R1015-13、2015R1015-4、2015R1015-9、2015R1025-5)；福建省農業科學院科技創新團隊項目(2016PI-5)。

10.13651/j.cnki.fjnykj.2017.05.004