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(gè)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(jìn)行了經(jīng)濟(jì)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(fèi)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(jì)效益、技術(shù)性能，還是適應(yīng)性、運(yùn)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(jì)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(yùn)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(jìn)行嚴(yán)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(jì)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?，大多數(shù)都采用熱水循環(huán)加熱法，從目前實(shí)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(yùn)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(jìn)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(jī)組發(fā)電，同時(shí)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)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(jì)實(shí)例，分析了這3種常見的大中型沼氣工程加熱方式并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析，解決大中型沼氣工程加熱升溫的問題，以促進(jìn)大中型沼氣工程的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　1研究實(shí)例與計(jì)算模型

　　1.1研究實(shí)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(jì)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(shí)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(jì)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(jì)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(gè)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(jì)）

　　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(jì)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(shí)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(jì)算^[14]

　　由表1數(shù)據(jù)可知，3種方式運(yùn)行費(fèi)用相同，取得效果相同，都可以達(dá)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(yùn)行費(fèi)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(dòng)力設(shè)備及加熱管線都相同，故年運(yùn)行費(fèi)用相同。

　　1）電費(fèi)

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

　　2）維護(hù)費(fèi)

　　年維護(hù)費(fèi)按1000元/a計(jì)，則3種加熱方式的運(yùn)行費(fèi)用都為1730元/a。

　　2.3經(jīng)濟(jì)效益分析

　　1）費(fèi)用年值

　　在技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)中，對一個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)分析采用的指標(biāo)很多，有靜態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)（如投資回收期，投資收益率等）；還有考慮資金時(shí)間價(jià)值的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)（如凈現(xiàn)值、凈年值、費(fèi)用現(xiàn)值與費(fèi)用年值以及內(nèi)部收益率等）。本文采用費(fèi)用年值對各加熱方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)^[17-18]。費(fèi)用年值是將現(xiàn)值分?jǐn)偟綁勖趦?nèi)各年的等額年值，可用公式（6）計(jì)算，加熱系統(tǒng)費(fèi)用年值見表2。

　　根據(jù)費(fèi)用年值最小判斷準(zhǔn)則，由表2可知：沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式的費(fèi)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(jì)算沼氣及發(fā)電收入，沼氣以0.8元/m³計(jì)，電以0.5元/(kW·h)計(jì)）。

　　3）綜合評(píng)價(jià)

　　通過以上分析，3種加熱方式的綜合評(píng)價(jià)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(jì)效益、技術(shù)性能，還是適應(yīng)性、運(yùn)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)?；笾行驼託夤こ?，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(yùn)行費(fèi)用，適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)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(fèi)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(fèi)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(jì)效益、技術(shù)性能，還是適應(yīng)性、運(yùn)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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