水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水余熱回收利用技術(shù)的研究

姜衍禮，董信林，崔從明

（山東中天羲和環(huán)境科技股份有限公司，山東 威海 264200）

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中的地位和作用日益凸顯，2010 年，全國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量已達到5 800 萬t，占全國水池總產(chǎn)量的77%。進入21 世紀(jì)，從“養(yǎng)捕兼舉”到“以養(yǎng)為主”的漁業(yè)發(fā)展方針促進了我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)朝著多品種、多模式、工廠化和集約化方向快速發(fā)展，確立了世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國的地位。

目前水產(chǎn)養(yǎng)殖所采用的方式有網(wǎng)箱養(yǎng)殖和陸基工廠化養(yǎng)殖，其中陸基工廠化養(yǎng)殖是主要養(yǎng)殖方式，陸基工廠化養(yǎng)殖一部分采用循環(huán)水養(yǎng)殖，但大多數(shù)是采用流水式或半流水式的養(yǎng)殖方式。這種方式存在能耗巨大，能量浪費嚴重的問題。養(yǎng)殖水量巨大，傳統(tǒng)工藝是采用開放式加熱和降溫系統(tǒng)，養(yǎng)殖水隨加隨排，能量浪費嚴重，同時要花費大量成本。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖控溫現(xiàn)狀分析

不同品種的水產(chǎn)品對水溫要求是不同的，海參育苗要求水溫在16～23 ℃，海水魚（如大菱鲆）養(yǎng)殖一般要求水溫在12～20 ℃，蝦類、貝類養(yǎng)殖要求水溫在22～25 ℃。每年11 月至來年5 月是海水育苗季節(jié)，育苗地區(qū)主要集中在山東半島和遼東半島，而此時近海水溫為0～10 ℃，因此需要給海水升溫；海水育苗一般都采用開放式流水方式，有大量廢水排放，因此傳統(tǒng)室內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖不但耗能大，而且能源浪費嚴重[1]。

傳統(tǒng)的加熱方案主要是采用燃煤、燃氣鍋爐和地?zé)峋畵Q熱，這些做法存在如下三個問題：

一是采用燃煤鍋爐造價和運行費用雖然較低，但引起嚴重的大氣污染，不符合國家節(jié)能減排的基本國策，不符合循環(huán)經(jīng)濟的政策，屬于國家限制取締的能源方式[2]。

二是采用燃氣鍋爐存在氣源問題，一般養(yǎng)殖場位置較偏，天然氣管網(wǎng)無法配套；還存在安全問題。

三是采用地?zé)峋畵Q熱的方式，并不是每個養(yǎng)殖地區(qū)都具有地?zé)豳Y源，一般鉆井深度在2 000 m 以內(nèi)、出水溫度在60 ℃以上的地?zé)峋庞虚_采價值。地?zé)嵋矊儆趪屹Y源，有嚴格的審批手續(xù)，而且地?zé)崴泻蚧镙^高，具有一定腐蝕性，不能直排，需要回灌，目前回灌技術(shù)有一定難度，只掌握在幾個較大的地?zé)峁峁臼种?。所以水產(chǎn)養(yǎng)殖不適合采用地?zé)釗Q熱的方式，東營、天津等地去年已明文禁止使用地?zé)峋∷?/p>

2 水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水余熱回收技術(shù)應(yīng)用

水產(chǎn)養(yǎng)殖會排放大量廢水，廢水余熱回收是一個必須重視的節(jié)能方式。對于工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖廢水，排放量控制在5%～10%，一般不必考慮廢熱回收。但廢水量達到20%以上的海水育苗和養(yǎng)蝦系統(tǒng)就具有一定回收價值。

廢水換熱的核心設(shè)備就是換熱器和熱泵，通常我們應(yīng)用的換熱器有板式換熱器、管殼式換熱器、流道式換熱器等。

換熱器的選擇要根據(jù)廢水水質(zhì)情況，對于含均勻顆粒物，粒徑較小的水質(zhì)，可采用板式換熱器；對于含油膩容易附著的水質(zhì)，應(yīng)采用管殼式換熱器；對于含絮狀物，粒徑較大的水質(zhì)，應(yīng)采用流道式換熱器。

廢水余熱回收一般采用多級進行，第一級采用換熱器預(yù)熱，第二級采用水源熱泵提溫，第三級采用空氣源熱泵補溫。

3 經(jīng)濟性分析及環(huán)保性比較

水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水余熱回收系統(tǒng)，節(jié)能、環(huán)保和高效，可以完全替代傳統(tǒng)鍋爐，有效解決水產(chǎn)養(yǎng)殖控溫環(huán)節(jié)存在的問題?，F(xiàn)以實際工程為例，進行經(jīng)濟性分析和環(huán)保性比較[2]。

3.1 工程概況

實例工程為山東威海市某水產(chǎn)種業(yè)繁育基地，建筑面積6 000 m2，養(yǎng)殖池水體3 000 m3。每天需要補充新鮮海水1 500 m3，溫度28 ℃，冬季養(yǎng)殖排放廢水溫度25 ℃，海水最低溫度按2 ℃計算。

3.2 熱量負荷計算

冬季加溫?zé)嶝摵?/p>

加熱熱負荷=建筑保溫耗熱量+補充加熱新水耗熱量。

式中：Q1為建筑保溫耗熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M1為養(yǎng)殖水體的質(zhì)量流量，按24 h 流量計取，即3.0×106kg÷24 h÷3600 s=34.7 kg/s；△T 為每天水體降溫溫差，按2 ℃計取。

代入數(shù)據(jù)計算得Q1=291 kW

式中：Q2為補充新水加熱負荷，kW；C 為水比熱容，4.19kJ/（kg·℃）；m 為加熱補水的質(zhì)量流量，按24 小時流量，即1.50×106kg÷24 h÷3600 s=17.36 kg/s；Tr為制取海水溫度，28 ℃；Tj為基礎(chǔ)海水計算溫度2 ℃。

代入數(shù)據(jù)計算得熱水負荷Qh＝1 890 kW

養(yǎng)殖池海水加熱總負荷：Q=Q1+Q2=291+1890=2181 kW

3.3 系統(tǒng)原理

養(yǎng)殖廢水余熱回收系統(tǒng)原理見圖1。

3.4 設(shè)備選型熱量計算

該項目系統(tǒng)流程為：養(yǎng)殖廢水通過廢水管道流入廢水池內(nèi)，廢水池內(nèi)設(shè)廢水潛水泵抽取廢水，經(jīng)廢水過濾器過濾掉大的雜質(zhì)，進入廢水換熱器一次側(cè)，和換熱循環(huán)泵抽取新水池進入廢水換熱器二次側(cè)的新水換熱，然后廢水進入水源熱泵水源側(cè)換熱后排走；新水經(jīng)除砂過濾器后進到新水池，通過換熱循環(huán)泵進到廢水換熱器一級換熱后進到水源熱泵提溫后回到新水池，溫度不足通過補溫循環(huán)泵抽取新水池新水進入空氣源熱泵補溫后回到新水池；新水池供到各養(yǎng)殖池新水，溢出養(yǎng)殖廢水通過廢水管道流入廢水池內(nèi)。如此循環(huán)往復(fù)。

3.4.1 換熱器熱能計算 該項目一級換熱采用鈦板換熱器，一次側(cè)廢水進水25 ℃，出水10 ℃；二次側(cè)海水進水2 ℃，熱量計算如下：

式中：Q3為換熱器一次側(cè)換熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/(kg·℃)；M3為廢水水體的質(zhì)量流量，按20小時流量，即1.50×106kg÷20 h÷3 600 s=20.83 kg/s；Tg為廢水進水溫度，25℃；Th為廢水出水溫度，10 ℃。

代入數(shù)據(jù)計算得Q1=1 396 kW

式中：Q3為換熱器一次側(cè)換熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M3為補充水體的質(zhì)量流量，kg/s；Ty為海水進水溫度，2 ℃；90%為換熱器換熱效率。

代入數(shù)據(jù)計算得Tc=15.5 kW

3.4.2 水源熱泵熱能計算 二級換熱采用水源熱泵，水源側(cè)廢水進水10 ℃，出水4 ℃。

式中：Q4為水源熱泵水源側(cè)換熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M3為廢水水體的質(zhì)量流量，kg/s；Th為廢水進水溫度，10 ℃；T4為廢水出水溫度，4 ℃。

代入數(shù)據(jù)計算得Q1=558 kW

式中：Q4為水源熱泵水源側(cè)換熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M3為補充水體的質(zhì)量流量，kg/s；Tc為海水進水溫度，15.5 ℃；1.2 為熱泵制熱效率。

代入數(shù)據(jù)計算得Tc=22.7 ℃

在海水最低溫度2 ℃時，系統(tǒng)制熱溫度22.7 ℃，差5.3 ℃采用空氣源熱泵補充加熱到28 ℃。

3.4.3 空氣源熱泵熱能計算 三級換熱采用空氣源熱泵，進水22.7 ℃，出水28 ℃。

式中：Q5為空氣源熱泵制熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M4為水體的質(zhì)量流量，kg/s；T5為出水溫度，28 ℃；Tc為廢水出水溫度，22.7 ℃。

代入數(shù)據(jù)計算得Q1=493 kW

3.5 經(jīng)濟性分析

3.5.1 初投資費用估算 根據(jù)計算所得設(shè)備負荷，系統(tǒng)配置鈦板換熱器2 臺，海水源熱泵海水機組2臺，空氣源熱泵10 臺，具體參數(shù)和造價見表1。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備造價表

使用燃煤鍋爐制熱單位體積投資為400 元/m3，本項目3 000 m3水體采用鍋爐系統(tǒng)總投資約為120萬元，不考慮降溫設(shè)備投入，采用廢水余熱回收熱泵比燃煤鍋爐需增加投資63 萬元，造價增加52.5%。

3.5.2 運行費用分析 每天加熱海水熱量為：2 181 kW×24 h×3 600 s=1.88×108kJ

燃煤鍋爐和熱泵機組需要燃料、燃燒效率、熱值、價格等（以威海地區(qū)為例）如表2 所示。

表2 燃煤鍋爐及熱泵機組相關(guān)數(shù)據(jù)

上述熱量完全由燃煤鍋爐提供能源費用計算如下：

每天耗煤量為：

1.88 ×108÷（29 260×65%）＝9 885（kg）

每天燃煤費用：9 885×0.7＝6 920（元）

每年使用時間為11 月至來年4 月合計150天，能耗系數(shù)按75%計算。

每年耗煤量為：6 920×150×75%=779（t）

每年耗煤費為：779×800=62.32（萬元）

采用廢水余熱回收利用系統(tǒng)年運行費用Cr主要為系統(tǒng)熱泵機組和水泵的運行費用，即單位電價乘以系統(tǒng)年度總耗電量：

式中Cε1為電價，招遠地區(qū)為0.64 元/（kW·h）；為系統(tǒng)年度總耗電量，kW·h。

用電設(shè)備功率合計（水泵均為兩用一備）：98.9 kW×2 臺+19.8 kW×5 臺+7.5 kW×2×2 臺+11 kW×2 臺=348.8（kw）

每天耗電量為：348.8×24=8371.2（kW·h）

每天電費為：8 371.2×0.64＝5 358（元）

每年耗電量為：8 371.2×150×75%=94（萬kW·h）

每年電費為：5 358×150×75%=60.28（萬元）

用電設(shè)備每年需耗煤：

121×3 600÷29 260÷0.80（熱電效率）＝18.61（t）

采用廢水余熱回收利用系統(tǒng)每年節(jié)省費用與燃煤鍋爐制熱比較基本持平，但用煤可節(jié)?。?79-18.61=760 t。

3.6 環(huán)保性比較

按統(tǒng)計數(shù)據(jù)，燃燒1 噸標(biāo)準(zhǔn)煤會向大氣排放CO22.62 t，SO28.5 kg，NOX7.4 kg。該項目采用廢水余熱回收利用系統(tǒng)每年可節(jié)省煤炭760 t，每年可減排CO2高達1 991 t，SO2減排6 460 kg，NOX減排5 624 kg[3]。

可見，通過熱泵來減少CO2及其他大氣污染物的效果十分明顯，不僅可以大大減少治污所需的費用，同時對環(huán)境的保護具有重大的意義。

4 結(jié)論

采用廢水余熱回收利用技術(shù)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，雖然造價增加52.5%，制熱運行費用基本持平，但從環(huán)保方面看，廢水余熱回收利用系統(tǒng)可減少燃煤鍋爐燃燒所產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx及煙塵等各污染物。

考慮到廢水余熱回收利用系統(tǒng)還可以一機兩用，具有制冷功能，還能節(jié)省高大的鍋爐房，優(yōu)勢更加明顯。

采用廢水余熱回收利用系統(tǒng)，是替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐的最佳方案，具有重要的節(jié)能、環(huán)保及經(jīng)濟價值，經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著，符合目前我國節(jié)能、環(huán)保的基本政策和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展要求。