寒區沼氣工程增溫保溫方式經濟效益估算

史風梅，裴占江，王粟，李鵬飛，于秋月，趙躍坤，劉杰

（1.黑龍江省農業科學院黑龍江省黑土保護利用研究院，黑龍 江哈爾濱 150086；2.黑龍江省農業科學院農業部種養循環重點實驗室，黑龍 江哈爾濱 150086；3.黑龍江省農業科學院黑龍江省秸稈能源化重點實驗室，黑龍 江哈爾濱 150086；4.黑龍江省農業科學院成果產業處，黑龍 江哈爾濱 150086）

0 引言

黑龍江是農業大省，每年產生約1億t的農作物秸稈和禽畜糞污，給當地環境和經濟發展帶來了巨大壓力[1]。厭氧發酵被認為是處理有機廢棄物最為常用和有效的技術[2]。厭氧發酵是一個非常復雜的生物化學過程，受溫度、pH值、C/N和有機負荷等參數的影響，其中，溫度是影響厭氧消化運行效率和微生物活性的重要因素之一[3]，[4]。有研究表明，厭氧發酵溫度越高，產氣效率就越高，體系的啟動速度就越快[4]，[5]。當發酵溫度低于10℃或溫度波動超過2～3℃時，厭氧發酵會受到抑制，造成不可逆的影響[6]，[7]。因此，寒區的沼氣工程需要采取適當的增溫保溫措施，以保證其在低溫環境中亦能持續穩定運行。

建設較早或小型的沼氣工程一般采用單一能源（如沼氣或其他可再生能源）直接燃燒產生的熱能或發電余熱來滿足沼氣工程的需要[7]。而新建或大型沼氣工程則常采用沼氣發電/熱、生物質能發電/熱、太陽能、空氣源熱泵、地源熱泵等多種熱源互補的加熱模式[8]，[9]。除加熱措施外，還需在反應器外敷設導熱系數小的保溫材料，將沼氣工程建設在溫室或凍土層以下，以達到降低沼氣工程熱損失，減少加熱所消耗的能量的目的。在我國，沼氣工程上常用的保溫材料有擠塑聚苯板（XPS）、聚氯乙烯（PVC）、橡塑海綿、聚氨酯等[3]，[10]；常見的增溫熱源有沼氣鍋爐、沼氣發電余熱、太陽能、生物質鍋爐等[3]，[11]。

鑒于黑龍江省冬季漫長寒冷，氣溫較低，使得厭氧發酵體系的內外溫差較大，在無增溫保溫措施時，反應體系的溫度會降低或波動過大，導致沼氣工程的產氣效率和持續穩定運行受到影響[6]。因此，在黑龍江省的沼氣工程中敷設保溫材料和配備加熱設施是十分重要的。目前，對保溫層厚度的計算和升溫措施的經濟評價大都基于中溫厭氧發酵，鮮有針對低溫運行情況的報道[12]，[13]。因此，在最適經濟運行溫度的基礎上，本文以位于哈爾濱的沼氣工程為例，計算了幾種保溫材料的厚度；在此基礎上對沼氣熱水鍋爐、生物質熱水鍋爐、太陽能和沼氣發電余熱回收等幾種增溫方式進行了經濟評價。研究結果可為寒區沼氣工程保溫材料選擇、保溫層厚度計算及增溫措施選擇提供計算方法和選擇依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文涉及到的沼氣工程運行參數，如最適經濟運行溫度（TD）、水力停留時間（HRT）和豬糞水總固體濃度（TS）的具體數值分別為20.6℃，15 d和7%，此時容積產氣率為0.615 m3/（m3·d）。

根據某一實際工程模擬厭氧反應器如下：厭氧反應罐總容積為2 826 m3（高徑比為1∶1，表面積和容積比為0.43），其中罐高18 m，液面高14 m，椎體高度為3 m，底面直徑為15 m，罐底、罐頂和側面的面積分別為176.63，190.23，659.4 m2。罐頂和罐體的材質分別為6 mm和8 mm厚的鋼板，底部地基為70 mm厚的鋼筋混凝土，保溫層由0.5 mm厚的彩鋼進行防護。厭氧反應罐的具體尺寸如圖1所示。

圖1 厭氧反應罐尺寸圖Fig.1 Diagram of the anaerobic reactor

1.2 計算方法

1.2.1 保溫層厚度計算

沼氣工程厭氧發酵罐的罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數允許值分別為0.8，0.7，0.52 W/（m2·℃）[3]，將其代入復合傳熱系數K的計算式[式（1）]，可計算出發酵罐各部分保溫層的厚度，取其中最大值作為該種保溫材料的厚度。

1.2.3 增溫措施的經濟性評估

首先根據厭氧發酵罐的日產氣量和沼氣工程所處地區的日最低溫度確定沼氣鍋爐和生物質熱水鍋爐的出力值、沼氣發電機組的裝機容量以及太陽能集熱板的面積；然后根據市場價格得到加熱系統的資金投入情況，利用費用年值法對各種增溫方式進行經濟性評估；最后結合年收入和燃料年投入等情況綜合評估加熱方式的經濟性[14]。

①沼氣鍋爐加熱

假定加熱沼氣工程所用的沼氣體積為V1，則沼氣鍋爐可提供的熱量Q0為

式中：JT為傾斜輻射量，取8.96 MJ；ηs為集熱器的日平均集熱效率，取0.55；ηL為管路及熱水箱的損失效率，取0.2；f為太陽能保證率，取1.0；Q0為日供熱量，MJ。

本文采用真空管集熱器，方位角為0°（朝向正南），偏重于冬季使用，傾角取為40°，補償比為99%，則最終的集熱面積Se=S/0.99。

③沼氣發電余熱利用加熱

沼氣發電裝機容量P的計算式為

④生物質常壓熱水鍋爐加熱

生物質常壓熱水鍋爐的選型與生物質沼氣鍋爐類似，在此不再贅述。

⑤費用年值法

費用年值AC的計算式為

式中：PC為費用現值，元；n為加熱系統的使用年限，a；i為年利率，取為10%。

2 結果與分析

2.1 保溫層厚度

沼氣工程要求厭氧發酵罐的頂部、側壁和底部的傳熱系數允許值分別為0.8，0.7，0.52 W/（m2·℃），將其代入式（1）可計算出發酵罐各部分保溫層的厚度（圖2）。取其中最大值作為對應保溫材料的厚度，則XPS、橡塑海綿、PVC和聚氨酯的理論厚度分別為35.6，43.2，216.0，25.4 mm，經1.5系數[3]修正并參考市場上保溫材料的規格，其應用的厚度分別為50，60，300，40 mm。如果采用PVC進行保溫，為保證保溫效果，應根據厭氧反應罐的尺寸進行裁剪，采用同層錯縫搭接，搭接長度須大于50 mm，內外分層錯縫敷設；若采用另外幾種保溫材料，則無需分層敷設，只需要同層搭接即可。保溫層均需從下往上安裝，綁扎固定材料為鍍鋅鐵絲、包裝帶或50～80 mm寬的扁鋼。保溫材料與反應器和保溫層之間的空隙用聚氨酯發泡材料進行填充。已知哈爾濱的日最低溫度為-37.7℃，厭氧反應器的發酵溫度為20.6℃，水力停留時間為15 d，容積產氣率為0.615 m3/（m3·d），則根據式（1），（4）和（5）可得到日最大溫降與保溫層厚度的關系如圖3所示。由圖3可知，保溫材料可以降低厭氧發酵罐的熱量損失，尤其是保溫層比較薄的時候，保溫材料的保溫效果尤為顯著。以PVC為例，當厭氧發酵罐的保溫層厚度為0和10 mm時，厭氧發酵罐的日最大溫降分別為2.64℃和1.86℃，溫降的變化速率為-0.078℃/mm；當保溫層厚度為150 mm和160 mm時，厭氧發酵罐的日最大溫降分別為0.385℃和0.365℃，溫降的變化速率為-0.002℃/mm。因此，隨著保溫材料厚度的增加，其保溫效果降低且經濟投入相應增加。為了減少溫度波動對厭氧發酵罐的影響，該沼氣工程要求最大溫度波動小于0.5℃/d。據圖3可知，當日最大溫降為0.5℃時，XPS、橡塑海綿、PVC和聚氨酯的厚度分別為21.62，26.25，108.10，15.44 mm。因此，當XPS、橡塑海綿、PVC和聚氨酯的厚度分別為50，60，300，40 mm時，該厭氧發酵罐的最大溫度波動小于0.5℃/d。此時，厭氧發酵罐的最大散熱量分別為為2.61×106，3.31×106，2.22×106，2.36×106kJ/d，無加熱時的最大溫降可達到0.25，0.32，0.21，0.23℃/d。

圖2 傳熱系數與保溫層厚度之間的關系Fig.2 The relationship between heat transfer coefficient and insulation layer thickness

圖3 日最大溫降與保溫層厚度之間的關系Fig.3 The relationship betweenΔTmax and thickness of insulation layer

沼氣工程實踐證明，鋼筋混凝土材質的厭氧反應器的使用壽命大于20 a，鋼板卷制的厭氧發酵罐的使用壽命為20 a。文中涉及到的幾種保溫材料的使用壽命均比厭氧發酵罐的長。因此，根據保溫材料的工程用量及市場價格就可計算出在保溫方面的資金投入。保溫材料的市場價格、使用壽命和使用量等見表1。由表1可知，與橡塑海綿、PVC和聚氨酯相比，以XPS為保溫材料時，厭氧發酵罐的資金投入是最少的。

表1 保溫材料的費用Table 1 The cost of several insulation materials

2.2 產能與耗能計算

已知厭氧發酵罐的發酵溫度為20.6℃，水力停留時間為15 d、容積產氣率為0.615 m3/（m3·d），XPS保溫層厚度為50 mm，結合該沼氣工程的環境溫度和新鮮料液溫度，可得到沼氣工程的能量平衡計算結果（表2）。由表2可知，該沼氣工程的耗能約為3.08×109kJ/a，其中發酵罐散熱約為2.59×108kJ/a，加熱原料耗能約為2.82×109kJ/a，產能約為1.33×109kJ/a。沼氣工程的耗能約為產能的23.1%，原料加熱的耗能約為總耗能的91.6%。

根據工程所在地的最低溫度為-37.7℃，得到厭氧發酵罐的日最大耗能約為1.68×107kJ，其中發酵罐散熱約為2.61×106kJ，原料加熱耗能約為1.42×107kJ，原料加熱耗能為總耗能的84.52%，發酵罐的散熱損失為總耗能的15.48%。厭氧發酵罐每日產能約為3.65×107kJ，耗能約為產能的46.13%。

2.3 大中型沼氣工程不同加熱方式的經濟效益分析

由于溫度對沼氣工程的運行穩定性和產氣效率影響較大，為維持沼氣工程的穩定、高效運行，需要采取適當的增溫和保溫措施來減少厭氧發酵溫度的波動。通過上文的產能與耗能計算結果可知，發酵罐散熱占總熱能損耗的15%左右，僅依靠保溫措施不能保證其穩定運行，還需配套使用經濟、適用和可靠的加熱增溫措施。目前，沼氣工程上常用的增溫措施有沼氣鍋爐加熱、生物質鍋爐加熱、沼氣發電余熱回收和太陽能加熱等。因此，本文基于日最大需熱量來選擇加熱裝置型號，根據年需熱量、年散熱量和年產能等計算燃料投入和收入，并對加熱方式進行經濟性評價。

2.3.1 設備選型及經濟核算

①沼氣鍋爐加熱

由式（6）可知，厭氧發酵罐每日所產的1 737.99 m3沼氣中的1 002.12 m3需要供給沼氣鍋爐。因此，本工程選用2 t沼氣熱水鍋爐，成本（包括安裝費等在內，下同）約為6.00萬元。為保證厭氧發酵罐持續穩定運行，每年需要183 540.59 m3的沼氣作為沼氣鍋爐的燃料，按市場價格1.0元/m3計算，需要18.35萬元，剩余的450 825.76 m3沼氣按照1.0元/m3售出，可收入45.08萬元。

②太陽能加熱

黑龍江省的太陽能資源比較豐富，可以利用太陽能系統對沼氣工程進行加熱。本文采用真空管集熱器，方位角為0°（朝向正南），偏重于冬季使用，傾角取40°，補償比為99%，根據式（7）可得到集熱面積為4 313.55m2，按市場價格1 000元/m2計算，則太陽能集熱器的投資金額約為431.36萬元。厭氧發酵罐產生的沼氣以市場價出售，可獲得63.44萬元的收入。

③沼氣發電余熱利用加熱

通過回收沼氣發電裝置中的余熱同樣可以加熱發酵料液。沼氣發電的裝機容量P可由式（8）計算得到，發電量Qe可由式（9）計算得到。根據每日沼氣產量計算得到與本厭氧發酵罐配套的裝機容量為152.07 kW，取160 kW，因此，選用單機功率為80 kW的發電機2臺，每臺市場價格為11.0萬元。因沼氣發電的熱電效率為30%，所以有70%的產能轉化為余熱，而余熱回收設備的效率為70%～80%，因此，能夠回收的熱量約為產能的49%～56%，本文取50%，則每天回收的可利用的發電余熱為1 737.99×21 000×50%=18 248.90＞16 835.68 MJ，可以滿足為厭氧發酵罐的加熱需求。2臺80 kW的發電機組余熱回收裝置的成本約為160 kW×500元/kW=8.0萬元，則裝置總成本為30.00萬。每日產生的電量為1 737.99×21 000×0.3/3 600=3 041.48 kW·h/d，按0.75元/（kW·h）的價格出售，則每日售電的收入為2 281.11元，可得發電收入83.260 5萬元/a。沼氣價格按1.0元/m3算，每日需投入1 737.99元，燃料投入費用則為63.44萬元/a。

④生物質鍋爐加熱

已知生物質鍋爐的效率為80%，則燃料需要提供的最大熱量為1.68×107/0.8=2.10×107kJ，因此，需要玉米秸稈壓塊（熱值為16 000 kJ/kg）1.32 t或玉米秸稈（干基熱值為17 383 kJ/kg）1.211 t，分別需要花費765.4元/d（壓塊燃料的價格為580元/t）或181.6元/d（玉米秸稈的價格為150元/t）。應安裝出力值為6.187 MW的常壓熱水鍋爐以滿足厭氧發酵罐的增溫要求，選取10 t常壓熱水鍋爐，成本約為42.4萬元。

每年該厭氧發酵罐耗能3.08×109kJ，則燃料需要提供3.85×109kJ的熱能，需要玉米秸稈壓塊240.90 t，需要花費13.97萬元/a，或玉米秸稈221.73 t，則需要花費3.33萬元/a。厭氧發酵罐生產的沼氣以市場價出售，可收入63.44萬元。

⑤熱水循環泵加熱

上述加熱方式均采用熱水循環加熱法，雖然熱源不同，但采用的動力設備及加熱管線是一樣的，故每種加熱方式的年運行費用相同。設定熱水循環泵每天24 h運行，進出水溫差為20～30℃。根據中國建筑設計研究院編寫的《建筑給排水設計手冊》（第2冊）中給出的方法，可計算出出水溫差為20℃時熱水循環泵的流量為1.68×107/（4.19×20×24×3 600）=2.33 L/s。因此，可以選用功率為3 kW的熱水循環泵2臺（一臺備用），水泵價格為5 000元/臺，兩臺共計1.0萬元。

2臺3 kW的熱水循環泵每天消耗72 kW·h的電量，年耗電26 280 kW·h，電價按0.5元/（kW·h）計，每年電費為13 140元，熱水循環泵的年維護費按1 000元/a計，則文中涉及到的幾種加熱方式的運行費用均為1.414萬元/a。

2.3.2 經濟性評價

對沼氣鍋爐加熱、沼氣發電余熱利用、太陽能加熱和生物質鍋爐加熱等加熱方式采用費用年值法和綜合法進行經濟性評價，評價結果見表3。

表3 不同加熱方式的經濟性評價Table 3 The economic evaluation of different heating modes

由表3可知，沼氣鍋爐加熱方式的費用年值明顯比其余4種的低。如果再考慮燃料投入和能源（沼氣或電能）出售得到的收入，則生物質鍋爐（打捆直燃）的經濟性最高，其次是生物質鍋爐（成型燃料），然后是沼氣鍋爐，再就是沼氣發電余熱回收，太陽能加熱最不經濟。鑒于黑龍江省是農業大省，秸稈資源量比較豐富，秸稈焚燒會給環境帶來巨大壓力，所以采用生物質鍋爐（秸稈打捆直燃）作為升溫熱源，即可提高秸稈的利用率，減少環境污染，又可減少企業的經濟投入，有利于沼氣企業及行業的可持續發展。

3 結論

在最適經濟運行溫度為20.6℃，容積產氣率為0.615 L/（L·d）和哈爾濱日最低溫度為-37.7℃的基礎上，由式（1）計算得到XPS、橡塑海綿、PVC和聚氨酯的理論厚度分別為35.6，43.2，216.0，25.4 mm，經1.5系數修正后，實際工程中應用的厚度分別為50，60，300，40 mm。XPS作為保溫材料是最經濟的，應用50 mm厚的XPS板可以保證容積為2 826 m3的厭氧發酵罐（高徑比為1∶1，表面積和容積比為0.43）在水力停留時間為15 d，無外部加熱時的最大溫降為0.25℃/d。

在沼氣工程采用50 mm厚XPS進行保溫的基礎上，綜合評價了沼氣鍋爐加熱、生物質鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發電余熱回收等增溫方式的經濟性，結果表明，采用秸稈打捆直燃的生物質鍋爐供暖方式最經濟，其費用年值為8.48萬元，沼氣出售年收入63.44萬元，燃料費用為3.33萬元/a。