規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)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(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所 350003；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所)

規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)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(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所 350003；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所)

以莆田市某大型養(yǎng)殖場(chǎng)的沼氣工程為例，對(duì)燃煤熱水鍋爐、沼氣鍋爐、太陽(yáng)能和沼氣發(fā)電余熱利用4種熱供方式進(jìn)行能耗分析，結(jié)果表明：從能源消耗、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益以及二氧化碳減排方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，沼氣發(fā)電余熱利用熱供方式明顯優(yōu)于其他3種熱供方式,建議在規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的大中型沼氣工程中推廣熱電聯(lián)產(chǎn)CHP模式。

養(yǎng)殖場(chǎng)；熱供方式；沼氣發(fā)電；余熱利用；熱電聯(lián)產(chǎn)

建設(shè)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)已成為發(fā)展趨勢(shì)，但規(guī)模養(yǎng)殖的污水排放量相對(duì)集中[1-2]，而且其中的有機(jī)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(nóng)田，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境安全造成嚴(yán)重威脅。沼氣工程是國(guó)際上公認(rèn)的解決養(yǎng)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(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性已成為沼氣工程發(fā)展的核心問(wèn)題，而厭氧發(fā)酵溫度是影響沼氣中溫發(fā)酵產(chǎn)氣率的關(guān)鍵因素之一，有研究表明：中溫發(fā)酵最適溫度為35℃[5-6]。因此，采取經(jīng)濟(jì)高效的熱供方式是保障大中型沼氣工程中溫發(fā)酵必須解決的關(guān)鍵問(wèn)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(yáng)能和沼氣發(fā)電余熱利用4種方式[8-10]。本文以莆田市某大型養(yǎng)殖場(chǎng)的沼氣工程為例，通過(guò)對(duì)沼氣工程的環(huán)境條件、進(jìn)出料情況、厭氧反應(yīng)器散熱情況、增溫條件等進(jìn)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(jīng)濟(jì)高效的熱供方式，為福建省規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖場(chǎng)基本情況

福建莆田鴻達(dá)牧業(yè)有限公司年存欄45 000頭商品豬、3000頭母豬，每天產(chǎn)生糞污385.2 t，其中總固體含量21.3 t[11]。養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污經(jīng)過(guò)采集管道全部進(jìn)入HDPE厭氧反應(yīng)器。

1.2 沼氣工程熱平衡數(shù)據(jù)計(jì)算

1.2.1 發(fā)酵料液進(jìn)料時(shí)損失的熱量 系統(tǒng)進(jìn)料損失的熱量計(jì)算公式：

Q1=1000×Cf×m×(tf-t進(jìn))

(1)

(1)式中：m—每天進(jìn)入發(fā)酵系統(tǒng)的鮮料液量(t/d)；Cf—發(fā)酵料液比熱容，取3.9 kJ/(kg·℃)；tf—厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)料液溫度，取35℃；t進(jìn)—鮮料液的溫度，取15℃。

根據(jù)公式計(jì)算，該養(yǎng)殖場(chǎng)發(fā)酵料液進(jìn)料時(shí)損失的熱量Q1=30045.6 MJ。

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

Q反=Q底+Q側(cè)+Q頂

(2)

由于該養(yǎng)殖場(chǎng)采用的是HDPE厭氧反應(yīng)器，其容積為25 800 m3，厭氧反應(yīng)器的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為HDPE膜，其厚度為1.5 mm，厭氧反應(yīng)器上半部為地面式，下半部為埋入式。經(jīng)橢球體公式計(jì)算，厭氧反應(yīng)器上半部的表面積為2384 m2，下半部的表面積為4770 m2，整個(gè)厭氧反應(yīng)器散熱損失的熱量包括上半部和下半部?jī)刹糠?，其?jì)算公式：

Q2=Q上+Q下

(3)

厭氧反應(yīng)器上半部傳散熱量計(jì)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(yīng)器頂層為空氣和產(chǎn)生沼氣的儲(chǔ)氣膜，其導(dǎo)熱系數(shù)采用空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，為0.028 W/(m·℃)；tf—厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)料液的溫度，取35℃；t外—室外全年平均溫度，取19.5℃；t—傳熱時(shí)間，取86 400 s。

經(jīng)計(jì)算，厭氧反應(yīng)器上半部散熱量Q上=59 596.2 MJ。

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

(5)

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

經(jīng)計(jì)算，厭氧反應(yīng)器下半部散熱量Q下=45 970.5 MJ。

因此，厭氧反應(yīng)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(jù)能量守恒定律，輸入沼氣工程的能量應(yīng)等于沼氣工程損失的能量。因此，厭氧反應(yīng)器中發(fā)酵料液的中溫發(fā)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(yīng)器內(nèi)發(fā)酵料液所需的溫度。有些影響因素可忽略不計(jì)，故沼氣工程熱量平衡方程式：

Q總=Q1+Q2+Q3

(6)

(6)式中：Q1—發(fā)酵料液進(jìn)料時(shí)損失的熱量；Q2—厭氧反應(yīng)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(shù)據(jù)計(jì)算

以福建莆田鴻達(dá)牧業(yè)有限公司沼氣工程為例，對(duì)該工程燃煤熱水鍋爐、沼氣鍋爐、太陽(yáng)能和沼氣發(fā)電余熱利用4種熱供方式進(jìn)行能耗對(duì)比、環(huán)保評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)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(tǒng) 燃煤熱水鍋爐熱供系統(tǒng)是指以標(biāo)準(zhǔn)煤為燃料的熱水鍋爐，則鍋爐熱供系統(tǒng)需要消耗的熱量計(jì)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(jìn)行熱供，取76.8%。

標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量的計(jì)算公式[15]：

(9)

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

根據(jù)公式計(jì)算得到采用沼氣鍋爐熱供方式每天需要消耗的熱量和標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng) 沼氣鍋爐熱供系統(tǒng)是以沼氣工程產(chǎn)生的沼氣為燃料對(duì)鍋爐進(jìn)行加熱獲得熱水，通過(guò)熱水循環(huán)為沼氣工程供熱。沼氣鍋爐產(chǎn)生熱量的計(jì)算公式參照公式(8)、(9)，沼氣鍋爐的熱效率為80%，計(jì)算采用沼氣鍋爐熱供方式每天需要消耗的熱量和標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量：Q沼=171 210.5 MJ，M煤=5.84 t。

1.3.3 太陽(yáng)能熱供系統(tǒng) 太陽(yáng)能熱供系統(tǒng)是以太陽(yáng)能作為輔助能源，為沼氣工程提供能量。該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、操作簡(jiǎn)單，但由于受天氣制約，提供的能量有限，因此太陽(yáng)能熱供系統(tǒng)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(biāo)煤計(jì)算公式為公式(9)，輔助熱源消耗熱量的計(jì)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(yáng)能保證率，取55%。

根據(jù)計(jì)算公式，計(jì)算得到采用太陽(yáng)能熱供方式每天需要輔助能源消耗熱量和標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量：Q輔=61 635.8 MJ，M煤=2.10 t。

1.3.4 沼氣發(fā)電余熱利用熱供系統(tǒng) 沼氣發(fā)電余熱利用熱供系統(tǒng)是通過(guò)應(yīng)用余熱回收式的發(fā)電機(jī)組，利用發(fā)電余熱回收系統(tǒng)中的熱量給厭氧反應(yīng)器中發(fā)酵料液加熱。采用國(guó)產(chǎn)沼氣發(fā)電機(jī)組，其熱效率可達(dá)80%，其中余熱利用效率通常為50%。因此，沼氣發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱量計(jì)算公式：

Q余=50%×V×qn

(12)

(12)式中：V—沼氣工程日產(chǎn)氣量(m3)；qn—該工程沼氣的標(biāo)準(zhǔn)熱值，取25.08 MJ/m3。經(jīng)測(cè)定，該沼氣工程在發(fā)酵溫度為35℃條件下其日產(chǎn)氣量為11 000 m3。經(jīng)計(jì)算，沼氣發(fā)電每天余熱回收熱量Q余=137 940 MJ。由此得出，在維持35℃發(fā)酵溫度下，利用該熱供方式每天產(chǎn)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(yīng)器保持中溫發(fā)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(jié)果與分析

2.1 4種熱供方式能耗對(duì)比及CO2的排放量分析

根據(jù)上述能耗數(shù)據(jù)計(jì)算4種熱供方式全年一次能耗、標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量和CO2排放量(表1)。其中，CO2排放量是根據(jù)每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的二氧化碳排放值為2.54 t計(jì)算的[16]。

從表1中可以看出，太陽(yáng)能熱供系統(tǒng)消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤和CO2排放量，與燃煤熱供系統(tǒng)相比均減少65.5%，與沼氣鍋爐熱供系統(tǒng)相比均減少64.0%。因此，太陽(yáng)能熱供系統(tǒng)與這兩種傳統(tǒng)熱供方式相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，但太陽(yáng)能熱供系統(tǒng)易受天氣等自然條件的制約，運(yùn)行穩(wěn)定性難以保證。沼氣發(fā)電余熱利用熱供系統(tǒng)，其可利用的熱能，完全滿足沼氣工程的中溫發(fā)酵需要，不需要消耗額外的標(biāo)準(zhǔn)煤，也沒(méi)有二氧化碳的排出，對(duì)環(huán)境的污染最小，不僅節(jié)省了能源消耗，而且充分利用已經(jīng)產(chǎn)生的能源，大大提高了能源的利用效率。因此，從能耗對(duì)比及CO2的排放量分析，較佳的熱供方式是沼氣發(fā)電余熱利用熱供系統(tǒng)。

表1 4種熱供方式每年的一次能耗與標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量

2.2 4種熱供方式的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益分析

沼氣發(fā)電余熱利用熱供系統(tǒng)不僅可以將余熱進(jìn)行充分利用，還可將厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷進(jìn)行發(fā)電，將高品位清潔能源轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的電能(政府出臺(tái)相關(guān)政策：沼氣工程產(chǎn)生的電能并網(wǎng)價(jià)格是0.69元/度)，能夠最大程度發(fā)揮沼氣工程的經(jīng)濟(jì)效益，提高養(yǎng)殖企業(yè)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(wèn)題。因此，從維護(hù)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)角度分析，較佳的熱供方式是沼氣發(fā)電余熱利用熱供系統(tǒng)。

2.3 畜禽污染物能源化利用熱電聯(lián)產(chǎn)CHP模式的構(gòu)建

沼氣工程熱電聯(lián)產(chǎn)CHP模式(圖1)中，厭氧反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入沼氣凈化系統(tǒng)，再通過(guò)沼氣發(fā)電機(jī)組將沼氣轉(zhuǎn)化為電能，在這過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)換熱器轉(zhuǎn)化為采暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷，循環(huán)冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入?yún)捬跸磻?yīng)器保溫系統(tǒng)，充分利用發(fā)電產(chǎn)生的余熱。不僅可以完全利用厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷，氣體不會(huì)排放造成環(huán)境污染，而且可以將余熱進(jìn)行充分利用，對(duì)厭氧反應(yīng)器進(jìn)行保溫，促進(jìn)甲烷產(chǎn)氣量的提高，在此過(guò)程中最大化地發(fā)揮了甲烷的經(jīng)濟(jì)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(lián)產(chǎn)CHP模式處理畜禽養(yǎng)殖污染物。

圖1 養(yǎng)殖污染物沼氣工程熱電聯(lián)產(chǎn)CHP模式框架圖

3 小結(jié)

通過(guò)實(shí)例計(jì)算沼氣工程4種不同加熱方式的能耗情況，從能源消耗、運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益以及二氧化碳減排方面進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明：沼氣發(fā)電余熱利用方式明顯優(yōu)于燃煤熱水鍋爐、沼氣鍋爐、太陽(yáng)能加熱3種方式。建議在福建省規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽污染物能源化利用中推廣熱電聯(lián)產(chǎn)CHP模式。

[1]張心良.豬場(chǎng)污水還田與化肥配施對(duì)農(nóng)田水土環(huán)境和作物產(chǎn)量的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2016(4):645-650.

[2]陳彪,陳敏,錢午巧,等.規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)糞污處理工程設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005(2):126-130.

[3]肖艷春,黃婧,林香信,等.去除豬場(chǎng)沼液重金屬 Pb(II)的離子印跡膜制備及其應(yīng)用[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016,31(1):57-62.

[4]黃婧,肖艷春,陳彪.凈化劑對(duì)豬場(chǎng)沼液中COD的去除及其應(yīng)用條件的響應(yīng)面優(yōu)化[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2015(11):5439-5446.

[5]李深,劉青榮,阮應(yīng)君,等.中型養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣綜合利用系統(tǒng)的運(yùn)行模式和選型優(yōu)化[J].中國(guó)沼氣,2015,33(4):73-76.

[6]陳彪,黃婧,林敬培,等.雙水壓式玻璃纖維增強(qiáng)塑料沼氣池工程技術(shù)與應(yīng)用效益[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,28(1):85-90.

[7]蒲小東,鄧良偉,尹勇,等.大中型沼氣工程不同加熱方式的經(jīng)濟(jì)效益分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010(7):281-284.

[8]姬全勝,巨江,姬書寧.中小規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程應(yīng)用與設(shè)計(jì)[J].甘肅科技,2013,29(8):49-51.

[9]付秋爽,劉海英,吳建旺,等.奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣發(fā)電工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·新能源產(chǎn)業(yè),2011(5):16-18.

[10]張穎.大中型養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣發(fā)電工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].湖南畜牧獸醫(yī),2012(4):20-21.

[11]黃婧,肖艷春,陳彪.規(guī)?；B(yǎng)殖小區(qū)沼氣發(fā)電工程效益分析——以福建莆田鴻達(dá)牧業(yè)有限公司沼氣發(fā)電工程為例[J].能源與環(huán)境,2014(6):44-46.

[12]寇巍,張歡,孫玉輝,等.寒冷地區(qū)沼氣工程的能量平衡分析[C]//2012年中國(guó)沼氣學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.上海,2012：169-174.

[13]劉建禹,陳澤興,李文濤.厭氧發(fā)酵反應(yīng)器一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型的建立與驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(17):217-222.

[14]龍學(xué)軍,劉海亞,伍運(yùn).養(yǎng)殖廢水沼氣產(chǎn)氣量與沼氣發(fā)電量均衡問(wèn)題探討[J].能源工程,2012(1):31-35.

[15]隋新.寒區(qū)沼氣工程能耗分析與節(jié)能技術(shù)研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

[16]涂華,劉翠杰.標(biāo)準(zhǔn)煤二氧化碳排放的計(jì)算[J].煤質(zhì)技術(shù),2014(2):57-60.

(責(zé)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(jì)劃項(xiàng)目——省屬公益類科研院所基本科研專項(xiàng)(2014R1015-13、2015R1015-4、2015R1015-9、2015R1025-5)；福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2016PI-5)。

10.13651/j.cnki.fjnykj.2017.05.004