畜禽糞污沼氣發電工程中的加熱能量平衡分析

王 蘭， 鄧良偉， 王 霜， 張云紅， 鄭 丹， 宋 立， 劉 刈， 蒲曉東， 王智勇

(農業部沼氣科學研究所， 成都 610041)

畜禽糞污沼氣發電工程中的加熱能量平衡分析

王 蘭， 鄧良偉， 王 霜， 張云紅， 鄭 丹， 宋 立， 劉 刈， 蒲曉東， 王智勇

(農業部沼氣科學研究所， 成都 610041)

文章以江蘇某畜禽糞污沼氣發電項目為例，分析了畜禽糞污沼氣發電工程的中溫厭氧消化系統加熱能量供給及其影響因素。結果表明：該項目中，總加熱能量需求為213.39 GJ·d-1，主要為厭氧消化罐的增溫保溫(75%)和有機肥烘干(25%)，其中厭氧消化罐增溫保溫的熱量需求主要是物料增溫(85.41%～86.45%)、罐體散熱(12.63%～12.9%)和輸熱管散熱(0.68%～1.78%)。因此，當發電余熱回收效率為47.4%，回收熱量為254.54 GJ·d-1時，沼氣發電余熱能夠滿足整個工程的加熱能量需求。在其它條件不變的情況，對影響沼氣工程加熱能量平衡的各主要因素進行單因子分析，結果表明，要保證發電余熱至少滿足中溫厭氧消化增溫保溫能量需求，則進料TS含量不應低于6.17%，余熱回收效率不應低于29.74%，沼氣產量達產比例不應低于設計產量的62.74%，原料量不應低于設計原料的18.63%，保溫系統保溫性能不應低于設計的27.36%。

沼氣發電工程； 畜禽糞污； 發電余熱； 能量平衡

我國是農業大國，畜禽糞便資源豐富，據不完全統計，2012年我國畜禽糞便排放量達32.1億噸[1]。沼氣發酵技術是目前最具前景的畜禽糞便資源化利用技術之一[2]，其利用有機廢棄物產沼氣，即可以有效削減有機污染，又可高效產沼氣，而沼氣的主要成分—甲烷，是一種重要的能源物質[3]。

目前沼氣主要的利用方式有集中供氣、發電、注入天然氣管網、車用燃料、燃料電池、工業原料等[4]。沼氣發電作為一種分布式高品位能源利用技術，已成為沼氣利用的主要方式之一[5]。由于沼氣發電過程產生大量余熱，余熱回收可供沼氣發酵過程升溫保溫、周邊居民取暖等，因此目前熱電聯產(combined heat and power generation, CHP)是歐洲乃至全世界沼氣應用最主要的形式之一[5-6]。據EurObserv’ER統計，，在歐洲和德國CHP發電是沼氣應用的主要形式，沼氣發電分別占沼氣總產量的80%和90%以上，而CHP發電分別占沼氣總發電量的62.2%和71.7%。

但是，在中國沼氣發電技術應用卻屢屢受阻，據統計我國僅有不到3%的沼氣用于發電[7]。據國家可再生能源中心統計，2014年，我國沼氣發電核準容量為446.4 MW，沼氣發電并網容量為215.3 MW，占生物質總發電并網容量的2.27%，若運行小時數按2014年全國平均等效滿負荷運行小時數算，則沼氣總發電量為2.4 TWh，占生物質總發電量的5.8%，占可再生能源發電總量的0.19%，占全國總發電量的0.04%[8]。與德國相較，我國沼氣發電總量僅為德國的7.8%。可見，我國沼氣發電發展緩慢，發電量低，市場份額小，為我國可再生能源發展貢獻微弱。

綜合分析，導致我國沼氣發電技術應用發展緩慢、發電量低的原因主要有以下2點。1) 政府鼓勵不足，方法不當。我國沼氣產業補貼主要是建池補貼，而終端產品補貼不足。對比德國，德國采用FiT新能源補貼政策，對沼氣發電上網每度電進行補貼，事實證明該政策促使德國的沼氣產量提升了50%以上[9-10]。2)盡管我國沼氣技術處于世界領先地位，但是我國沼氣發電技術仍落后于歐美國家，且企業沼氣發電工程設計經驗不足，沼氣發電工程由于發酵溫度低、產氣效率低、能源利用率低、余熱回收利用率低等，導致我國沼氣發電工程利潤薄、難以為繼。筆者主要針對我國沼氣發電工程能源利用低的問題，以江蘇某畜禽糞污沼氣發電項目為例，分別從沼氣發電工程能量衡算、原料配比、原料量設計、保溫系統設計等方面進行分析探討，旨在為沼氣發電工程設計和運行等相關從業者提供依據。

1 沼氣發電工程的能量衡算

1.1 工程簡介

研究對象為江蘇某畜禽糞污沼氣發電項目，該項目以豬場糞污、奶牛鮮糞以及養殖場污水為原料，日處理鮮畜禽糞便約每天500 t，總固體(TS)含量約18.7%； 養殖場沖洗污水每天500 t，總固體(TS)含量約1.8%。采用地上式中溫厭氧消化工藝，厭氧消化罐為完全混合式厭氧反應器，總池容為24000 m3； 設計進料物料TS含量為10.4%，日產沼氣25000 m3，全部用于發電，并入當地電網，日產電約6萬kWh，日產有機肥33 t，日產沼液892 t，發電余熱回收用于中溫厭氧消化罐的增溫保溫和有機肥生產。其工藝流程圖和物料平衡圖如圖1和圖2所示。

1.2 沼氣發電系統中的能量供給

沼氣發電系統中，整個系統的能量主要由厭氧消化罐產生的沼氣提供，而能量去向由生產的電能、發電余熱組成。發電余熱回收用于厭氧消化罐的增溫保溫以及有機肥的烘干。沼氣的甲烷含量一般為50%～70%，熱值為21～24 MJ·m-3[11]。表1羅列了目前國內外主要的大中型沼氣發電機組在滿負荷情況下的能源利用效率。由此可見，沼氣發電機組的發電熱效率在28.7%～46.3%，余熱回收熱效率在42.8%～48.6%。其中大功率機組的發電熱效率往往大于小功率機組，而國外機組的發電熱效率通常在40%左右，往往比國產機組高7%左右[1]，余熱回收熱效率包括了煙道氣的余熱回收，往往大于40%[12-13]，總的能源利用率往往大于80%。項目選用2臺顏巴赫JMS320GS-B.L機組，單機輸出功率為1063 kW，滿負荷情況下，發電機組效率為40.2%，余熱回收熱效率為47.4%。若沼氣甲烷含量按60%計，熱值為21.48 MJ·m-3，該項目可通過余熱回收裝置回收熱能254.54 GJ·d-1。

圖1 工藝流程圖

圖2 物料平衡圖

表1 國內外主要沼氣發電機組熱效率

1.3 厭氧消化罐增溫保溫能量需求

中溫厭氧消化工藝是目前工程應用最為廣泛的厭氧工藝，其反應溫度通常為35oC，但很多地區的環境溫度難以達到該溫度，特別是冬季，因此需要對厭氧消化罐進行增溫保溫。其能量需求(Q)主要包括：物料增溫所需熱量(Q1)、罐體散失熱量補償(Q2)、輸熱管道散失熱量補償(Q3)、沼氣排出和水蒸氣蒸發所帶走的熱量(Q4)，由于Q4數量很少，一般在工程上可不考慮[4, 14]。

由于各月份溫度差異大，因此增溫保溫所需熱量根據當地實際溫度分月計算。該工程所在地區全年近12個月(2015年6月～2016年6月)的氣溫詳見表2，其中最高和最低平均氣溫為26.5℃和2℃，分別在8月和1月。

項目厭氧消化溫度為35℃，物料來料溫度為該工程所在地區月平均氣溫，因此需對物料進行增溫，根據相關公式[4, 15]計算物料增溫所需熱量(Q1)，結果詳見圖3。由圖可知，在8月和1月，室外平均氣溫分別為26.5℃和2℃時，Q1達到最低和最高值，分別為36 GJ·d-1和138 GJ·d-1，全年物料增溫熱量需求平均值為 82.4 GJ·d-1。

厭氧消化罐的保溫系統主要用于降低厭氧消化罐的熱量散發。厭氧消化罐的熱量散發取決于消化罐的結構、材料、罐型、保溫結構。項目總共6座地上式焊接鋼結構厭氧消化罐，每座厭氧消化罐的尺寸為直徑18.8 m，高度15 m，頂高3.76 m，有效容積4000 m3，罐頂、罐壁采用橡塑海綿為保溫材料，厚度分別為60 mm和120 mm，罐底以聚苯乙烯為保溫材料，厚度為120 mm。罐體散發的熱量主要包括罐頂、罐壁和罐底所散發的熱量，根據相關公式[4, 15]計算罐體散發熱量所需能量補償(Q2)，結果詳見圖3。由圖可知，在8月和1月，室外平均氣溫分別為26.5℃和2℃時，Q2達到最低和最高值，分別為5.4 GJ·d-1和20.6 GJ·d-1，全年厭氧消化罐保溫能量需求平均值為12.3 GJ·d-1。

表2 工程所在地區月平均氣溫表 (℃)

項目采用發電余熱進行加熱，發電機余熱回收裝置熱水進口溫度為90oC，出口溫度為70oC，平均溫度為80oC，管外溫度為氣溫，管道為DN50的鍍鋅鋼管輔以橡塑海綿為管道保溫，管道長200 m，埋于地下0.5 m。根據相關公式[4, 15]計算輸熱管道散失熱量補償(Q3)，結果詳見圖3。由圖可知，在8月和1月，室外平均溫度分別為26.5℃和2℃時，Q2達到最低和最高值，分別為0.75 GJ·d-1和1.09 GJ·d-1，全年罐外管道熱量損失能量補償需求平均值為0.9 GJ·d-1。

綜上所述，筆者項目中厭氧消化罐增溫保溫能量需求(Q)在8月和1月，室外平均氣溫分別為26.5℃和2℃時，Q達到最低和最高值，分別為42.15 GJ·d-1和159.69 GJ·d-1，全年厭氧消化系統所需總熱量平均值為95.6 GJ·d-1。其中，物料增溫、罐體散熱和輸熱管道散熱分別占總能量需求的85.41%～86.45%，12.63%～12.9%，0.68%～1.78%。發電余熱完全能夠滿足全年厭氧消化罐增溫保溫能量需求(見圖3)。

1.4 有機肥烘干能量需求

如圖2所示，項目整個系統產生沼渣78 t·d-1，含水率為70%，經堆肥后，原料含水率降為35%，然后經冷卻、圓盤造粒、回轉烘干、電子包裝等工藝流程制成成品有機肥出售[16-18]。回轉烘干機和熱風爐的熱效率分別為50%和85%。沼渣生產有機肥過程中烘干所需熱量根據相關公式計算[19]。各月份有機肥烘干所需總熱量詳見圖4。經計算，在8月和1月，室外平均氣溫分別為26.5℃和2℃時，有機肥烘干所需熱量達到最低和最高值，因此最小、最大和平均值分別為48 GJ·d-1，53.7 GJ·d-1和50.6GJ·d-1。

綜上所述，江蘇某畜禽糞污沼氣發電項目全年厭氧消化罐增溫保溫以及有機肥烘干所需最大總熱量為213.39 GJ·d-1，其中前者占75%，后者占25%。總需熱量小于發電余熱所能回收的總熱量254.54 GJ·d-1，仍有41.15 GJ·d-1熱量結余。因此沼氣發電余熱回收總熱量足夠沼氣發電工程厭氧消化罐增溫保溫和有機肥烘干使用。

圖4 沼氣發電工程發電余熱利用能量供需平衡

2 沼氣發電工程加熱能量平衡的主要影響因素

2.1 進水TS含量對沼氣發電工程加熱能量平衡的影響

進水TS含量主要通過影響物料增溫所需熱量而影響沼氣工程的加熱能量平衡，而物料增溫所需熱量又是厭氧消化罐增溫保溫的主要需熱源。由圖3可知，筆者項目中，物料增溫所需熱量占厭氧消化罐的增溫保溫所需熱量的85.41%～86.45%。高濃度厭氧消化，進料的TS含量一般在8%～10%，因此在物料增溫過程中有90%左右的能量用于增溫水分，而在產沼氣的過程中水分并不會產沼氣，從而提供能量供給，因此進料的TS含量對沼氣發電工程能量平衡至關重要。如圖2所示，在無沼液回流，每天進料TS總量為104 tTS·d-1，物料的TS產氣率為244 m3·t-1TSd-1，冬季最低氣溫為2oC的情況下，對該項目TS含量對沼氣發電工程能量平衡的影響進行分析，結果如圖5所示。由圖可知，當原料TS含量達到6.17%時，沼氣發電余熱可滿足厭氧消化罐增溫保溫所需熱量，當原料TS含量達到8.02%時，沼氣發電余熱可滿足厭氧消化罐增溫保溫和有機肥烘干所需熱量。

圖5 沼氣發電工程加熱所需熱量隨進水TS含量的變化

圖6 沼氣發電工程加熱所需熱量隨發電余熱回收效率的變化

2.2 發電余熱回收效率對沼氣發電工程加熱能量平衡的影響

項目日產25000 m3沼氣，合537 GJ·d-1熱量， 全部用于發電和余熱回收，而最大總熱量需求和厭氧消化罐增溫保溫熱量需求分別為213.39 GJ·d-1和159.69 GJ·d-1。據此，分析了發電余熱回收效率對沼氣發電工程能量平衡的影響，結果如圖6所示。由圖可知，當余熱回收效率達到29.74%時，沼氣發電余熱僅夠厭氧消化罐增溫保溫所需熱量，當余熱回收效率達到39.74%時，沼氣發電余熱才能滿足厭氧消化罐增溫保溫和有機肥烘干所需熱量。可見，在同時回收缸套冷卻水和煙氣熱量的情況下，國內外大部分發電機組的余熱回收效率均可滿足該項目的加熱需求。

2.3 沼氣達產比例對沼氣發電工程加熱能量平衡的影響

盡管沼氣工程在設計時已充分考慮多方面原因，但是事實上，大部分沼氣工程在運行時均很難達到設計產量。綜合分析，這主要是由于原料量不足、沒有達到設計的發酵溫度、原料產氣率降低等原因造成。若進水TS含量不發生改變，原料量減少不僅會導致沼氣產量減少，而且會導致物料增溫熱量需求和有機肥烘干熱量需求的減少。但原料產氣率降低和發酵溫度不足僅會導致沼氣產量減少，而整個工程的熱量需求不變。因此，文章分析了在原料量變化和不變的情況下，沼氣達產比例對沼氣發電工程能量平衡的影響，結果如圖7所示。結果表明，在原料量不變的情況下，沼氣達產比例大于62.74%，則發電余熱可滿足厭氧消化罐增溫保溫使用，沼氣達產比例大于83.83%，則發電余熱可滿足厭氧消化罐增溫保溫和有機肥烘干使用。若沼氣產量達不到設計產量是由于原料量不足引起的，當原料量大于設計原料量的18.63%時，則發電余熱可滿足厭氧消化罐增溫保溫的需求； 當原料量大于設計原料量的34.6%，則發電余熱可滿足厭氧消化罐增溫保溫和有機肥烘干使用。

圖7 沼氣發電工程加熱所需熱量隨沼氣達產比例的變化

2.4 保溫系統性能對沼氣發電工程加熱能量平衡的影響

在實際運行過程中，由于保溫材料性能、保溫層制作質量等各種原因，往往導致保溫系統性能達不到設計標準。項目將厭氧消化罐的保溫系統視為一體，設計保溫系統視為最佳性能(100%)，將無保溫系統的情況視為最差性能(0%)，而厭氧消化罐罐頂、罐壁結構為鋼結構，罐底結構為鋼筋混凝土，罐外加熱管道采用鍍鋅鋼管，因此在最差性能情況下，系統各部分傳熱系數為構筑物結構的導熱系數計算獲得，結果如圖8所示。由圖可知，若整個工程保溫系統失效，相當于厭氧消化罐和罐外加熱管道均無保溫，那么厭氧消化罐增溫保溫所需熱量為290 GJ·d-1，發電余熱全部用于厭氧消化罐增溫保溫，當冬季室外溫度為2oC時，只能將厭氧消化溫度提升至31.8oC，由于溫度不足，沼氣產量難以達產，繼而發電余熱不足，形成惡性循環。當項目保溫系統性能達到設計的27.36%時，發電余熱可滿足厭氧消化罐增溫保溫熱量供給，當保溫系統性能達到預設的68.48%時，發電余熱可滿足厭氧消化罐增溫保溫和有機肥烘干使用。由此可見，保溫系統對整個沼氣發電工程的加熱能量平衡至關重要，不容一絲馬虎。

圖8 沼氣發電工程加熱所需熱量隨保溫系統性能的變化

3 結論

文章以江蘇某畜禽糞污沼氣發電項目為例，對畜禽糞污沼氣發電工程的能量平衡進行了分析。結果表明：

(1) 沼氣發電機組的發電熱效率和余熱回收效率是影響沼氣發電工程加熱能量平衡的關鍵因素之一。目前國外機組的發電熱效率通常在40%左右，往往比國產機組高7%左右，余熱回收熱效率包括了煙道氣的余熱回收，往往大于40%，總的能源利用率往往大于80%。項目選用的沼氣發電機組，余熱回收熱效率為47.4%，可回收熱能254.54 GJ·d-1。

(2) 項目沼氣發電余熱回收主要用于厭氧消化罐的增溫保溫和有機肥烘干。全年厭氧消化罐增溫保溫以及有機肥烘干所需最大總熱量為213.39 GJ·d-1，其中前者占75%、后者占25%，其小于發電余熱所能回收的總熱量254.54 GJ·d-1，仍有41.15 GJ·d-1熱量結余。因此發電余熱回收總熱量足夠滿足沼氣發電工程的需求。厭氧消化罐增溫保溫的熱量需求又以進料的增溫為主，物料增溫、罐體散熱和輸熱管道散熱分別占總能量需求的85.41%～86.45%，12.63%～12.9%，0.68%～1.78%。

(3) 影響沼氣工程的加熱能量平衡的主要因素有：進水TS含量、發電余熱回收效率、沼氣達產比例、保溫系統性能。在其它條件不變的情況，若要確保沼氣發電余熱足夠厭氧消化罐增溫保溫使用，則原料TS含量應達到6.17%，余熱回收效率應達到29.74%，在進料量不變的情況下，沼氣達產比例應大于設計沼氣產量的62.74%； 在進料量變化的情況下，原料量應大于設計原料量的18.63%，項目保溫系統性能應達到預設的27.36%。若要確保沼氣發電余熱能夠滿足厭氧消化罐增溫保溫和有機肥烘干使用，則原料TS含量應達到8.02%，余熱回收效率應達到39.74%，在進料量不變的情況下，沼氣達產比例應大于設計沼氣產量的83.83%，在進料量變化的情況下，原料量應大于預設原料量的34.6%，保溫系統性能應達到預設的68.48%。

項目能量平衡分析表明，沼氣發電余熱足夠整個發電工程加熱能量需求，其中物料增溫是整個項目需熱量最大的部分。良好的保溫系統性能、足夠的進料TS含量、足夠的沼氣產量、足夠的原料以及良好的發電機組性能是保證該項目能量平衡的關鍵。

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Energy Balance Analysis of Power Generation Fueled by Biogas from Anaerobic Livestock Manure Fermentation /

WANG Lan, DENG Liang-wei, WANG Shuang, ZHANG Yun-hong, ZHENG Dan, SONG Li, LIU Yi, PU Xiao-dong, WANG Zhi-yong /

(Biogas Institute of Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China)

The heat balance and influence factors of biogas fueled power generation in livestock manure fermentation system were analyzed taking a project in Jiangsu province as an example. The results showed that the total heating energy requirement of this project was 213.39 GJ·d-1, including 25% of energy requirement for drying organic fertilizer, 75% for maintaining digester temperature (constitute of material heating 85.41%～86.45%, the heat loss of digester 12.63%～12.9%, and the heat loss of heat supply pipeline 0.68%～1.78%). So, the project could cover the energy requirement when its energy recovery efficiency was 47.4% with power generation of 254.54 GJ·d-1. And in order to ensure that the recovered energy was enough for maintaining digester temperature, the TS content of feeding material should be larger than 6.17%, the waste heat recovery efficiency should be larger than 29.74%, the actual biogas output should be larger than 62.74% of the designed output, the feeding quantity should be larger than 18.63% of the designed value, and the performance of system temperature maintaining should be larger than 27.36% of the designed.

biogas power generation project; livestock manure; waste heat recovery energy; energy balance

2016-08-30

項目來源： 國家自然科學基金(31500105)； 現代農業產業技術體系建設專項資金(CARS-36)

王 蘭(1987-)，女，漢族，四川人，研究實習員，主要從事廢水生物處理工作，E-mail:wanglandiy@sina.com

鄧良偉，E-mail: dengliangwei@caas.cn

S216.4； TK11； X713

B

1000-1166(2016)06-0065-07