牲畜運輸船牲畜糞便廢棄物能源轉換系統設計研究

鐘震宇，潘國敏

（廣東中遠海運重工有限公司，東莞 523146）

1 前言

傳統的船舶動力系統主要是以燃油、天然氣等作為燃料，而燃油是非再生資源，且燃油燃燒后產生的有害氣體對大氣、環境造成嚴重的危害。隨著各國對環保的越來越重視，全球對成本低又環保的再生資源利用引起極大的關注，很多船舶設計公司都在持續不斷地設計和研究如天然氣、風力、太陽能、核能等新能源應用。

本設計研究的核心目標是利用牲畜運輸船上的糞便廢棄物進行能源轉換，將糞便廢棄物合理轉化為能源，有效地利用船舶自身的資源降低運行成本，減少對大氣、環境的污染，促進牲畜運輸船的更新換代。

牲畜運輸船所運載的動物每天產生的排泄物是驚人的，所消耗的人力、物力巨大，給船上的污物處理和存儲帶來很大的不便。因此，充分利用牲畜運輸船糞便廢棄物進行能源轉換，形成一條半自給自足的燃料供應鏈，為船舶航行推進和日常使用提供動力，既能節省燃油消耗，又能大大改善對大氣、環境的污染。

2 牲畜糞便廢棄物能源轉換系統

本系統主要功能是將糞便廢棄物合理轉化為能源，利用牲畜船上的糞便排泄物、有機物和死亡生物等，在高效催化微生物的作用下轉換為沼氣。該系統可有效地利用船舶自身的資源，降低運行成本，減輕船舶污物的處理壓力。

2.1 系統結構

本系統劃分為四大模塊：糞便廢棄物收集模塊；糞便廢棄物發酵模塊；熟料轉換成殘渣排放模塊；沼氣凈化和壓縮收集模塊。四大模塊之間有序鏈接，組成完整的能源轉換系統。

2.2 工作原理

（1）在糞便廢棄物收集模塊中，定時打開牛欄沖洗裝置的自動沖洗控制閥，糞便廢棄物便自動流入糞便投料口，在投料口處進行部分液體分離，并將大部分的沖洗水經過濾后重復作清洗使用；

（2）經過糞便收集過程，糞便廢棄物將進入發酵模塊中，在密閉無氧發酵罐中發生發酵反應，經過初反應、主反應、熟料三個過程。在糞便廢棄物的發酵反應過程中，菌種投料口會在菌種密度檢測儀的監控下完成發酵菌種的補充；

（3）經充分反應后的熟料會在反應艙自身壓力的作用下流到殘渣貯存艙，同時在反應艙和殘渣貯存艙中配置攪拌泵以加快反應的速率。殘渣貯存艙中廢料在溢流的作用下經管道進入殺菌消毒單元，經過處理后直接排放舷外。在殘渣貯存艙到殺菌消毒單元之間設置應急排放管、應急排放閥；

（4）在熟料轉換成殘渣排放過程的同時，沼氣的凈化和壓縮收集過程也同時發生。在反應艙的頂部設置沼氣收集管道連接沼氣處理模塊（含凈化機組、壓縮機組），經過凈化和壓縮后進入沼氣收集罐體，進而供應給相應的機器使用。

糞便廢棄物能量轉換系統示意圖見圖1，系統流程圖見圖2。

2.3 應用前景

2.3.1 從能源角度分析

（1）以4 500 m2的牲畜船為例.該船能裝載3 000頭奶牛，每頭奶牛每天能產生糞便和尿液約30 kg，每噸糞便可產生沼氣190 m3。3 000 頭牲畜船所有奶牛每天產生的沼氣量為17 100 m3，以60%的轉化率計算，每天可產生沼氣10 260 m3。

（2）沼氣的熱值為35.4 MJ/m3，燃油的熱值為40 MJ/kg，即1 t 燃油的熱值相當于=1 100 m3沼氣的熱值。由此可得出該船一天產生的沼氣熱值相當于9.3 t 燃油的熱值。

（3）對于4 500 m2母型船，連續航行18 000 n mile （約30 天）測得到的數據是每天消耗燃油19 t，即相當于每天所需沼氣量為20 900 m3。

通過以上的計算，對該船的能源供應設計方案為：

采用純沼氣動力，續航30 天需要的沼氣為627 000 m3,船舶自供應513 000 m3，岸上需提供存儲115 000 m3。

2.3.2 從環境角度分析

沼氣作為清潔能源和可再生資源，其主要成分為甲烷，沼氣燃燒后不會產生有害氣體，經充分完全反應后所產生的無機物對海洋沒有直接的危害，可直接排放到海里，可降低污水處理系統的處理能力。

2.3.3 從經濟角度分析

除一部分船舶自身提供的沼氣外，只需補充部分的燃料就能維持船舶的使用要求，有效地減輕了燃油消耗。沼氣的價格遠低于燃油，降低了營運成本，提高了市場競爭力。同時，牲畜產生的大量糞便經過一系列化學和機械過程，并經過嚴格的殺菌凈化處理后可直接排放到大海，解決了傳統牲畜船對牲畜糞便的存儲、處理和運輸問題，減少了處理牲畜排泄物的人力和物力。

2.3.4 從降低船員的工作強度分析

傳統牲畜運輸船的牲畜糞便處理全部依靠人工，在航行的過程中進行不斷的收集、堆積，既惡化了牲畜的生活條件和船員的工作條件，也消耗了大量的工作時間。通過本牲畜糞便廢棄物能量轉換系統，糞便經過一系列的化學和機械過程能直接排放到大海，減少處理牲畜排泄物的人力和物力。

3 主要設計參數

3.1 動力裝置

該船配備一臺6 000 kW 燃氣內燃主機（能同時燃燒天然氣、純沼氣）、3 臺750 kW 燃氣發電機、一臺900 kW 軸帶發電機，航速為18 kn。

3.2 發酵單元

有機物在隔絕空氣和一定的溫度、濕度、酸堿度密閉艙室內，經過沼氣細菌的分解代謝而產生一種優質可燃氣體。沼氣是混合了甲烷和二氧化碳等成分的可燃性氣體，主要成分是甲烷。沼氣的制取在陸上得到了廣泛的應用，借鑒陸上的制取方式，在糞便廢棄物的發酵模塊中嚴格地控制沼氣的制造過程。以4 500 m2牲畜船為例，可將原重油艙與柴油艙改成沼氣的發酵艙和殘渣貯存艙（見圖3）。

3.3 沼氣處理單元

沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳，在燃燒放熱過程中，二氧化碳會降低熱的利用率，導致放熱成本增加。因此為了充分利用沼氣資源，需要首先進行二氧化碳脫除處理。本項目配置了兩套沼氣壓縮處理模塊，能有效去除沼氣中的二氧化碳、水蒸氣和硫化物等成分，避免沼氣熱值的降低，減少各種雜質對沼氣發電機的損耗，并減少對環境的污染。

3.4 殺菌消毒單元

經過充分發酵反應后產生的沼渣和沼液，需要進行相應的消毒凈化處理后才能排放。本項目配套的殺菌消毒裝置，采用先進的殺菌處理工藝，可以有效地凈化發酵艙內的殘渣和殘液，經過處理的殘渣和殘液可直接排放到大海，有效避免了對環境的污染，同時沼渣和沼液直接排放能有效減少船的運營成本，提高經濟效益。

3.5 壓縮單元

本船建有四個壓縮罐體（見圖4），其中兩個容積為1 500 m3、壓強為500 pa 的罐體供儲蓄岸上補充供應的沼氣；兩個容積為1 500 m3、壓強為500 pa 的罐體供船舶燃料發酵產生的沼氣收集。四個罐體可相互調配使用。

3.6 甲烷催化微生物的儲備

本項目配備了甲烷催化微生物的儲備系統供沼氣發酵使用。沼氣發酵微生物是在缺氧條件下降解有機質產生沼氣的一群微生物，如甲烷鬃毛菌屬。甲烷鬃毛菌屬可能是自然界最主要的一種制造甲烷的微生物，它們寄居在廢水、沼澤和濕地中，通過分解身邊其它微生物產生的醋酸鹽，釋放出甲烷和二氧化碳。將甲烷鬃毛菌儲存于轉化單元中，將加快牲畜糞便廢棄物轉化為甲烷氣體的化學反應過程。

4 結束語

本新型沼氣動力牲畜運輸船，相比于傳統牲畜運輸船能節省50%以上的燃料。目前，本企業對于配備牲畜廢棄物能源轉換系統的沼氣動力牲畜運輸船的研發已經取得了初步成果且在不斷改進，一旦在此技術領域取得了突破性進展，便可聯合牲畜船領域的各大船東合作進行投產，這必將創造出巨大的經濟效益。