蒲小東¹，鄧良偉¹，尹勇²，宋立¹，王智勇¹

（1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，成都610041；2.四川省農(nóng)村能源辦公室，成都610041）

　　摘要：為解決大中型沼氣工程的加熱升溫問題，該文以一個豬場廢水處理沼氣工程為例，對沼氣鍋爐、太陽能和沼氣發(fā)電余熱利用3種加熱方式進行了經(jīng)濟效益分析。結(jié)果表明：沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發(fā)電余熱利用加熱3種方式的投資比為2︰11.2︰1，沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式的費用年值僅為沼氣鍋爐加熱和太陽能加熱方式的60%和12%；沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式無論從經(jīng)濟效益、技術(shù)性能，還是適應(yīng)性、運行持久性等方面都明顯優(yōu)于太陽能加熱和沼氣鍋爐加熱。因此，基于中國的自然經(jīng)濟狀況，大部分大中型沼氣工程應(yīng)優(yōu)先選擇沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式。

　　0引言

　　目前，國內(nèi)外規(guī)模化大中型沼氣工程日益增多，特別是高濃度物料中溫厭氧發(fā)酵是規(guī)?；託夤こ贪l(fā)展的趨勢，溫度是影響沼氣中溫發(fā)酵產(chǎn)氣率的關(guān)鍵因素之一，中溫發(fā)酵最適溫度為35～40℃^[1-3]，如果要使高濃度物料沼氣中溫發(fā)酵工程常年穩(wěn)定運行，保持恒定、高效的產(chǎn)氣量，有必要對沼氣發(fā)酵料液的溫度進行嚴格控制，采取適當(dāng)?shù)募訜岜卮胧?，使發(fā)酵溫度不隨環(huán)境氣溫而變化[4]。故選擇經(jīng)濟高效的加熱升溫方式成為大中型沼氣工程發(fā)展必須解決的問題。

　　有學(xué)者提出，沼氣池的加熱方式主要包括電熱膜加熱、太陽能加熱、化石能源熱水鍋爐加熱、沼氣鍋爐加熱、沼氣發(fā)電余熱利用和燃池式加熱等6種^[5]。對于當(dāng)今國內(nèi)外的規(guī)?；笾行驼託夤こ潭裕蠖鄶?shù)都采用熱水循環(huán)加熱法，從目前實際應(yīng)用來看，主要有沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發(fā)電余熱利用加熱3種方式^[6-7]。

　　沼氣鍋爐加熱是一種傳統(tǒng)的加熱方式，沼氣鍋爐以沼氣為燃料，通過燃燒獲得熱水，熱水經(jīng)換熱器加熱發(fā)酵料液，主要運用于有富裕沼氣的工程；太陽能加熱系統(tǒng)采用定溫控制，通過太陽能集熱系統(tǒng)完成熱能的采集和傳輸，由太陽能熱水通過螺旋換熱管對發(fā)酵料液進行加熱^[8-10]；沼氣發(fā)電余熱利用是目前發(fā)展最快的一種加熱方式，沼氣發(fā)電余熱利用是在沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程中，利用發(fā)電機組發(fā)電，同時燃氣內(nèi)燃機將排放將近600℃的尾氣，高溫氣體中含有大量的余熱，通過余熱回收系統(tǒng)中的換熱器用余熱加熱發(fā)酵料液^[11-12]。

　　本文通過設(shè)計實例，分析了這3種常見的大中型沼氣工程加熱方式并進行了經(jīng)濟效益分析，解決大中型沼氣工程加熱升溫的問題，以促進大中型沼氣工程的穩(wěn)定運行。

　　1研究實例與計算模型

　　1.1研究實例

　　以年存欄5700頭豬（年出欄10000頭豬）的豬場為例，處理豬糞10t/d，尿15t/d，沖洗廢水85t/d。采用“基于濃稀分流的豬場糞便污水處理方法”（專利申請?zhí)?009100584721），分別設(shè)計一座高濃度中溫厭氧消化罐和一座低濃度常溫厭氧消化罐，各參數(shù)如下：

　　1）高濃度中溫厭氧消化罐

　　日進水量：21.4t/d；總固體（TS）：8%；發(fā)酵溫度：中溫發(fā)酵(35±2)℃；有效池容：300m³，尺寸：8.00m×7.00m，錐體高1.05m；水力停留時間HRT：14.0d；建筑結(jié)構(gòu)：鋼結(jié)構(gòu)；容積產(chǎn)氣率：1.33m³/(m³·d)，保溫材料：聚苯乙烯；中溫厭氧消化罐日產(chǎn)氣量為400m³。

　　2）低濃度常溫厭氧消化罐

　　日進水量：88.6t/d；總固體（TS）：0.4%；發(fā)酵溫度：20℃；有效池容：500m³，尺寸：9.00m×8.38m，錐體高1.05m；水力停留時間HRT：14.0d；建筑結(jié)構(gòu)：鋼結(jié)構(gòu)；容積產(chǎn)氣率：0.2m³/(m³·d)；常溫厭氧消化罐日產(chǎn)氣量為100m³。

　　該沼氣站日產(chǎn)沼氣量共計500m³。

　　注：因加熱只針對高濃度物料，故僅討論高濃度中溫厭氧消化罐加熱問題。

　　1.2熱平衡計算

　　對于沼氣工程，由能量守恒定律可知，輸出（損失）的能量和輸入（獲得）的能量應(yīng)相等，才能保證整個系統(tǒng)的溫度恒定。沼氣工程每天損失的能量主要是厭氧消化罐及管道的散熱，以及每天新增投料所需熱量。（發(fā)酵產(chǎn)生的生物化學(xué)熱量相對于外加熱量小得多，故忽略不計）

　　1.2.1厭氧消化罐投料損失的熱量

　　厭氧消化罐投料損失的熱量計算公式（1）為^[13]

　　2結(jié)果與分析

　　2.1投資估算

　　2.1.1沼氣鍋爐加熱

　　沼氣鍋爐加熱方式是指鍋爐以富裕沼氣為燃料獲得熱水，通過熱水循環(huán)向沼氣發(fā)酵系統(tǒng)供熱。該方式加熱效率高，同時對設(shè)備和操作技術(shù)要求比較高。沼氣鍋爐提供的熱量按公式（4）計算^[14]

　　由表1數(shù)據(jù)可知，3種方式運行費用相同，取得效果相同，都可以達到所需加熱升溫要求。但沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發(fā)電余熱利用加熱3種方式的投資比為2∶11.2∶1，沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式投資最低。

　　2.2運行費用

　　3種加熱方式都是采用熱水循環(huán)加熱法，主要在于熱源不同，采用的動力設(shè)備及加熱管線都相同，故年運行費用相同。

　　1）電費

　　設(shè)定每天熱水循環(huán)泵運行16h，功率為0.25kW，每天耗電量為4.0kW·h，電價按0.5元/(kW·h)計，年正常耗電費用為730元。

　　2）維護費

　　年維護費按1000元/a計，則3種加熱方式的運行費用都為1730元/a。

　　2.3經(jīng)濟效益分析

　　1）費用年值

　　在技術(shù)經(jīng)濟學(xué)中，對一個項目的經(jīng)濟分析采用的指標很多，有靜態(tài)評價指標（如投資回收期，投資收益率等）；還有考慮資金時間價值的動態(tài)評價指標（如凈現(xiàn)值、凈年值、費用現(xiàn)值與費用年值以及內(nèi)部收益率等）。本文采用費用年值對各加熱方式進行經(jīng)濟評價^[17-18]。費用年值是將現(xiàn)值分攤到壽命期內(nèi)各年的等額年值，可用公式（6）計算，加熱系統(tǒng)費用年值見表2。

　　根據(jù)費用年值最小判斷準則，由表2可知：沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式的費用年值僅為沼氣鍋爐和太陽能加熱方式的60%和12%，明顯優(yōu)于其余2種加熱方式。

　　2）年收入

　　采用不同加熱方式的年收入情況見圖1（本文只計算沼氣及發(fā)電收入，沼氣以0.8元/m³計，電以0.5元/(kW·h)計）。

　　3）綜合評價

　　通過以上分析，3種加熱方式的綜合評價見表3。

　　由表3可知，沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式無論從經(jīng)濟效益、技術(shù)性能，還是適應(yīng)性、運行持久性等方面都明顯優(yōu)于沼氣鍋爐加熱和太陽能加熱。

　　3結(jié)論

　　對于當(dāng)今國內(nèi)外的規(guī)模化大中型沼氣工程，大多數(shù)都采用熱水循環(huán)加熱法，主要有沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發(fā)電余熱利用加熱3種方式。這3種加熱方式在投資、運行費用，適應(yīng)性和經(jīng)濟性等方面都有比較明顯的差別。

　　1）沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發(fā)電余熱利用加熱3種方式的投資比為2∶11.2∶1，沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式的費用年值僅為沼氣鍋爐加熱和太陽能加熱方式的60%和12%。沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式投資和費用年值均為最低。

　　2）沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式無論從經(jīng)濟效益、技術(shù)性能，還是適應(yīng)性、運行持久性等方面都明顯優(yōu)于太陽能加熱和沼氣鍋爐加熱。

　　3）中國大部分大中型沼氣工程應(yīng)優(yōu)先選擇沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式。

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