沼氣工程兩種輔助增溫方式的經濟效益分析

李金平， 曹崗林， 馮 琛， 楊靄蓉

(1.蘭州理工大學 西部能源與環境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質能與太陽能互補功能系統重點實驗室， 蘭州 730050； 3.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心， 蘭州 730050)

項目來源： 國家“863”計劃課題(2014AA052801)； 甘肅省國際科技合作專項(1604WKCA009)； 甘肅省自然科學基金項目(1508RJYA097)

沼氣工程兩種輔助增溫方式的經濟效益分析

李金平1,2,3， 曹崗林1,2,3， 馮 琛1,2,3， 楊靄蓉1,2,3

(1.蘭州理工大學 西部能源與環境研究中心， 蘭州 730050； 2.甘肅省生物質能與太陽能互補功能系統重點實驗室， 蘭州 730050； 3.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心， 蘭州 730050)

為解決西北地區寒冷季節利用發電機余熱增溫沼氣工程時熱量不足的問題，筆者以蘭州市花莊鎮沼氣工程為研究對象，對沼氣工程各部分熱量需求進行理論計算，同時對太陽能和沼氣鍋爐兩種輔助增溫方式進行了經濟性研究，結果表明：夏季和其它季節發酵塔溫度分別維持在52℃和37℃時，太陽能集熱器和沼氣鍋爐兩種輔助增溫方式的初始投資比為3.75∶1，太陽能集熱器比沼氣鍋爐輔助增溫方式凈現值高43.9%。考慮到國家相關政策、經濟效益、環境效益和西北地區日照充足等因素，當發電機余熱不足時，沼氣工程輔助增溫方式應優先選用太陽能集熱器。

發電余熱； 增溫保溫； 沼氣工程； 太陽能集熱器

蘭州市花莊鎮建有大型奶牛場，發展應用沼氣發電，既可以緩解廠區的電力緊缺，又能減少周邊環境污染，是非常有前景的可再生能源[1]。但生產沼氣過程中，溫度是影響沼氣發酵產氣率的關鍵因素之一，它通過對微生物活性、厭氧反應動力參數和反應器運行效果等方面影響厭氧發酵，進而影響了沼氣的產量[2]。

國內外已有很多關于溫度對厭氧發酵影響的研究[3-4]。對于沼氣發酵溫度的溫度一般可以分為3個發酵區，即常溫、中溫和高溫發酵區，三者所對應的溫度依次為10℃～26℃，28℃～38℃和46℃～60℃[5-7]。目前，大中型沼氣工程中由于中溫和常溫發酵能耗較少，可使沼氣發酵整體產氣維持在一個相對適中的水平，并且具有良好的經濟效益，因而得到了廣泛的應用[8]。蘭州屬中溫帶大陸性氣候，冬天嚴寒，環境溫度較低，為了維持發酵塔進行恒溫厭氧發酵，必須對發酵塔的進料、發酵塔自身和儲氣罐進行增溫保溫措施，使整個系統的運行不受環境溫度的影響[9]。目前，大中型沼氣工程增溫保溫的方法有很多種，主要采用化石能源鍋爐、沼氣鍋爐、太陽能和發電機余熱等增溫方式[10-13]。

發電機余熱增溫是目前增溫發酵系統最有效的方式之一，但單一的發電余熱難以滿足沼氣工程所需的熱量[14]。筆者針對發電機余熱供熱不足的現象，分別分析了太陽能和沼氣鍋爐兩種輔助增溫方式的經濟性，以此來解決熱量不足的問題，以保證大中型沼氣工程系統的穩定運行。

1 工程概況

1.1 工程的簡介

蘭州市花莊鎮奶牛場存欄5000頭，由于每天奶牛排泄產生大量糞便，因而采用厭氧發酵處理排泄物，將發酵產生的沼氣進行脫水脫硫后存儲于儲氣罐內，經沼氣發電機進行熱電聯產[15]。該沼氣工程約占地4000 m2，下面是工程設備的一些參數以及對應的流程，系統如圖1所示。

圖1 系統流程圖

1.1.1 牛糞預處理

在牛糞進入酸化池之前進行預處理。首先，將牛糞用攪輪送入，期間加入水進行預混合，水料比約為1∶3，攪輪安裝傾角為25°，進入調漿池前設置一道格柵，其規格為長0.9 m，寬0.8 m，格柵間距0.015 m。其次，料液進入調漿池(高1.5 m，直徑4.7 m)，其目的是防止雜質進入酸化池，造成切割泵的損壞。最后，由切割泵泵入酸化池，酸化池為全地下鋼筋混凝土結構，容積120 m3，起調節水質及預酸化的作用。

1.1.2 USR厭氧發酵塔

發酵塔為地上式圓柱型，半徑4.2 m，高11.2 m，有效發酵容積550 m3，用于原料的發酵，通過定期的進料出料，實現連續產氣。厭氧發酵塔內設置DN50不銹鋼管換熱器增溫，利用發電余熱對塔體增溫，同時采用多層材料對塔體進行保溫，塔頂側壁有超壓防護裝置，避免輸氣管道堵塞時塔內壓力過大而造成的損失。

1.1.3 沼液、沼渣的后期處理

處理池為全地下鋼筋混凝土結構，容積200 m3，主要用于沼液沼渣的臨時存儲，處理池配有1臺污水泵，將發酵完的沼液送往遠處山上，對山上貧瘠的土地土壤進行改良。另外，富余的沼液沼氣站以每噸5元的價格對外出售。

1.1.4 沼氣凈化和收集

從發酵塔出來的沼氣經過一個逆止閥后送入沼氣凈化系統，首先經脫水器、脫水后的沼氣進入脫硫器，除去沼氣中含有的H2S氣體。脫硫器采用Fe2O3進行脫硫，脫硫后H2S含量在100 mg·m-3以下。凈化的沼氣進入300 m3的儲氣罐。該儲氣罐為水封鐘罩式，罐體自身高12.6 m。考慮到鐘罩式儲氣罐的上下移動，塔身分為兩部分，從地面到5.2 m處柜體本身采用混凝土保溫，為圓柱型地上式，5.2 m處到儲氣罐頂部采用聚苯板保溫層，為正八面體型(邊長3.65 m，高7.4 m)。水封鐘罩式儲氣罐工藝簡單，施工方便，檢修周期長，節省勞力，堅固耐用，壽命長，采用水封，整個罐體在冬天需要進行保溫[16]。在進入發電機前分別設置4個集水井，分別安置在逆流閥與發酵塔之間1個，脫硫與儲氣罐之間1個，儲氣罐到沼氣發電機處兩個，確保進入發電機前的含水量達標。

1.1.5 沼氣的利用

沼氣發電機與儲氣罐連接。發電機組為捷克TEDOM公司生產，型號Cento T88 SPE BIO，電能輸出最大值76 kW，發電機發電效率31.5%，進機壓力要求2～3 kPa，甲烷濃度大于50%。沼氣發電機利用自身的煙氣以及缸套水的熱量加熱外循環水，外循環水總的質量流量是3 kg·s-1。考慮到料房和工作間的增溫保溫，因而進入發酵塔和儲氣罐的外循環水的實際質量流量為2 kg·s-1，溫度記錄冬天外循環水加熱前和加熱后的平均水溫65℃和45℃，夏天的平均水溫75℃和55℃，平均溫差20℃。整個發電系統運行時間段為7:30～11:30，14:00～18:00和22:00～24:00，選取牛糞作為發酵原料TS=8%。

2 系統熱負荷計算

目前，國內外在計算大中型發酵塔的熱量損失包含三部分[17,22]：發酵塔本身、進出物料和沼氣出發酵塔攜帶的熱量(這部分熱量所占的比例較小，因而忽略不計)。儲氣罐的散熱量僅包含自身散熱量；因此，此沼氣工程的日平均散熱負荷可認為主要是發酵塔本身、進出物料和儲氣罐自身散熱損失之和。

QT=Q1+Q2+Q3

(1)

式中：QT為系統總散熱量，kJ；Q1，Q2和Q3為發酵塔本身、儲氣罐和進出物料的散熱量，kJ。

2.1 發酵塔散熱量

該工程發酵塔為地上式圓柱型。發酵塔的頂部、側壁和底部的材料及相關參數如下表1[18-19]：

表1 發酵塔體材料及相關參數

發酵塔總散熱量包括3部分：發酵塔頂部、側壁和底部的散熱量。表達式如下[18]：

公式(2)為計算某段時間內總的散熱量：

Q1=(Qt+Qs+Qb)t

(2)

式中：Qt，Qs和Qb分別為發酵塔頂部、側壁和底部的散熱量，kJ；t為時間，h。

公式(3)為多層平壁熱傳導公式，在此處為計算發酵塔的頂部和底部的散熱量：

(3)

式中：A為頂部或底部的面積，m2；Tin為發酵塔內料液發酵溫度，℃；Tj為發酵塔頂部或底部外部環境的溫度，℃；δj為發酵塔各部分結構的厚度，m；λj為發酵塔各部分結構的導熱系數，W·m-1K-1。

公式(4)為多層圓筒壁熱傳導公式，在此處為計算發酵塔的側壁散熱量:

(4)

式中：T1為側壁最里層壁面溫度，℃；Tk+1為側壁第k層壁外表面溫度，℃；rk+1為側壁第k層保溫層外壁半徑，m；rk為側壁第k層保溫層內壁半徑，m；h∞為外界空氣自然對流換熱系數，由于蘭州地區氣候干燥，不考慮水分蒸發折算的對流換熱系數，冬季取8.5 W·m-2K-1，夏季取11.9 W·m-2K-1[24]，春秋兩季取兩者的平均值；H為發酵塔的高度，m。

在分析過程中，由于發酵塔罐體下埋地下一米，因而在計算過程中，側壁的熱量計算分為兩部分。在計算過程中各自所處的環境溫度不同。

2.2 儲氣罐散熱量

該儲氣罐同為地上式圓柱型。由于儲氣罐的上半部分和下半部分采用的材料與結構不同，因而儲氣罐的散熱量計算與發酵塔略有區別，如圖2所示[18-19]。

圖2 儲氣罐示意圖

儲氣罐頂部、上側壁、下側壁和底部的材料及相關參數如下表2。

表2 儲氣罐體材料及相關參數

儲氣罐總散熱量包括4部分：儲氣罐底部、頂部、上側壁和下側壁散熱量。

表達式如下[18]：

Q2=Qa+Qb+Qc+Qd

(5)

式中：Qa，Qb，Qc和Qd分別為儲氣罐底部、頂部、上側壁和下側壁的散熱量，kJ。

儲氣罐底部和下側壁散熱量對應的與發酵塔對應部分的計算方法一致。考慮到儲氣罐頂部和上側壁的形狀，散熱量的計算方法為多層導熱。由于對進入內燃機沼氣溫度的要求，以及防止儲氣罐中水的凍結對儲氣罐造成嚴重后果，儲氣罐上側壁平均壁溫10℃，下側壁溫度16℃，對儲氣罐從11月到次年3月份進行增溫保溫。

2.3 發酵塔進料所需熱量

發酵塔進料所需熱量見公式(6)和公式(7)。

(6)

式中：m為進料量，kg·h-1；Trw為進料的溫度，℃；cp為進料的比熱，kJ·kg-1k-1。

cp=4.17×(1-0.0812TS)[25]

(7)

式中：TS為料液含固率。

2.4 發酵塔內部吸收發電余熱熱量

發酵塔內部吸收發電余熱熱量見公式(8)。

(8)

式中:Qe為發酵塔內部吸收發電機余熱熱量，kJ；cw為外循環水比熱，kJ·kg-1k-1；qe為發電機外循環水質量流量，kg·h-1；Te,out，Te,in分別為發電機二次循環水進出口水溫，℃；

根據蘭州市某郊區不同月份氣溫條件、不同深度的土壤溫度和不同季節的進料溫度，由上述傳熱學公式計算系統的月平均日需熱負荷如表3。

表3 不同月份系統平均日需熱負荷

3 分析結果

3.1 投資預算

3.1.1 太陽能集熱器面積計算

太陽能集熱器面積的計算，將直接影響沼氣工程的保溫情況，進而直接影響到整個系統的產氣速率。太陽能集熱器集熱量的計算為系統的總需熱量除去沼氣發電機余熱產生的熱量。當陰雨天時，太陽能儲熱水箱中有輔助電熱絲為沼氣工程增溫保溫。

集熱器面積計算表達式如下[27]：

(9)

式中:Qre為系統除去發電機余熱外所需熱量，此處取一月份平均值，kJ；Ae為太陽能集熱面積，m2；HT為傾斜輻射量，單位面積傾斜表面平均太陽能總輻射量，為使太陽能集熱器能夠保證系統全年穩定運行，取1月份值計算，MJ·m-2；η為集熱器日平均集熱效率；ηs為管路及熱水箱損失效率，一般取 0.2～0.3；f為太陽能保證率[27-28]。

當集熱器的方位角偏于正南和傾角不等于當地緯度時，集熱器面積計算式為[27]：

(10)

式中：Ar為補償后的面積，m2；r為補償比。

筆者系統采用真空管集熱器，日平均集熱效率取55%，偏重冬季使用，傾角取51°，查文獻[29]補償比為94%，管路及熱水箱損失效率取0.2，集熱器傾斜面上月平均單日集熱量如下表4所示[30]。

表4 蘭州地區太陽能保證率為100%的集熱器集熱量

通過計算得出復合增溫保溫系統所需要的太陽能集熱面積是為245 m2，太陽能集熱器的價格為171500元。

3.1.2 沼氣鍋爐的計算

沼氣鍋爐是通過燃燒產生的經過脫硫和脫水的沼氣獲取一定量的熱水，與太陽能增溫系統類似，都是通過循環熱水對恒溫厭氧發酵塔和儲氣罐內部增溫保溫[28]。

沼氣鍋爐產生的熱量表達式如下[31]：

Qb=V×q×ηb

(11)

式中：Qb為沼氣鍋爐的日產熱量，kJ；V為沼氣的日需量，m3；q為單位體積沼氣的熱值，因沼氣的CH4含量為56%，進氣溫度為20℃，故取18.7MJ·m-3；ηb為沼氣鍋爐產熱效率，取80%。

沼氣鍋爐的日供熱量Qb≥QT—Qe=1704.5 MJ，因而需要沼氣的最大日用量是113.9 m3。考慮到恒溫厭氧發酵過程中對溫度的限制，筆者選取熱水鍋爐。該工程選取型號為JJ-004，出水量為0.5 t·h-1的沼氣鍋爐[32]。

通過以上計算，在發電機余熱存在的基礎上，兩種增溫方式的投資估算見表5。

3.2 效果和年收入

通過計算對比發現在整個系統添加太陽能集熱器之后，所產生熱量完全能滿足該發酵系統的熱量需求。如圖2所示。

表5 兩種輔助增溫方式的初投資 (元)

圖2 系統日需熱量以及太陽能與發電余熱日供熱量

通過計算，蘭州郊區某沼氣發電工程平均日需熱量7531.9 MJ，太陽能與發電余熱增溫保溫系統日產熱量7623.4 MJ，完全能滿足整個系統的供熱需求，保證整個系統的產氣速率。

在整個發酵過程中，當選擇合適的發酵溫度和進料量時，沼氣產氣率將會達到一個最佳的效果。當進料量為19140 t原料時，產氣量相比歷年同樣進料量多產氣55450 m3，如表6所示。

表6 不同月份沼氣產量、產氣率和進料量

如果遇到陰雨天時，運用蓄熱罐內部的電熱絲加熱循環熱水對整個系統進行輔助加熱。采用不同的輔助增溫方式的年收入情況見圖3(筆者只計算沼氣及發電收入，沼氣以每m30.85元計，因發電機的發電時間基本在用電高峰時期，因此電以每m30.6元計)。

圖3 兩種輔助增溫方式的年收入

通過計算，太陽能的年收入為38813元，沼氣鍋爐的年收入為11913元。

3.3 經濟效益評價

在技術經濟學中，對一個項目的經濟分析采用的指標很多，有靜態評價指標(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評價指標(如凈現值、凈年值、費用現值與費用年值以及內部收益率等)。筆者采用凈現值對兩種輔助增溫方式進行經濟評價[33]。

(12)

式中：CF為每年的等額收益，元；PC為初始投資，元；n為設備使用年限，a；i為年利率，取10%。

通過以上計算，兩種輔助增溫方式的凈年值如下表7。

表7 兩種輔助增溫方式凈現值

根據凈現值最大判斷準則，由表7可知：單從凈現值上看出NPV(太陽能集熱器)>NPV(沼氣鍋爐)，其中太陽能集熱器比沼氣鍋爐輔助增溫凈現值高43.9%。考慮到國家相關政策、經濟效益和環境效益的前提下，對于目前沼氣工程在發電機余熱利用不足的情況下應優先選用太陽能集熱器。

4 結論

為解決發電余熱增溫保溫大中型沼氣工程熱量不足的問題，筆者主要闡述了兩種輔助增溫方式的經濟性對比。

(1)相比其它沼氣工程的計算分析，文章考慮到了對于儲氣罐在寒冷季節的保溫，更加全面的分析了整個系統的供能需求，為沼氣工程在熱量平衡方面提供了更加完善的分析。

(2)當發電余熱不足時，兩種輔助方式相比，太陽能和沼氣鍋爐兩種輔助方式的初始投資比為3.75∶1，沼氣鍋爐的初始投資相對較低。但輔助太陽能集熱器比沼氣鍋爐增溫方式凈現值高43.9%。

(3)對于西北地區地處太陽能輻照密集區，考慮到國家相關政策、經濟效益和環境效益的前提下，當發電機余熱不足時，沼氣工程輔助增溫方式應優先選用太陽能集熱器。

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EconomicBenefitAnalysisonTwoAuxiliaryHeatingMethodsforHeatingofBiogasPlant

/LIJin-ping1,2,3，CAOGang-lin1,2,3,FENGChen1,2,3，YANGAi-rong1,2,3

/ (1.WesternChinaEnergy&EnvironmentResearchCenter,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China; 2.GansuKeyLaboratoryofComplementaryEnergySystemofBiomassandSolarEnergy,Lanzhou730050,China; 3.ChinaNorthwesternCollaborativeInnovationCenterofLow-carbonUrbanizationTechnologies,Lanzhou730050,China)

The waste heat from power generation is often not enough for heating of biogas plant in cold season of Northwest region. In this paper, taking the biogas plant in Huazhuang of Lanzhou as example, the theoretical heat demand of each part of biogas system were calculated, and the economic efficiency of two kinds of auxiliary heating (Solar heat and biogas boiler) were analyzed. The result showed that, when the system kept the temperature at 52℃ in summer, and 37℃ in other seasons, the initial investment ratio of two auxiliary heating was 3.75∶1. The net present value of solar auxiliary heating was 43.9% higher. Considering the relevant national policy, economic benefits, environmental benefits and the northwest sunny condition, etc, solar heat collectors was preferred to choose as auxiliary heating mode for biogas project

waste heat power generation； warming and insulation； biogas plant； solar collector

2016-10-08

2017-08-14

李金平 (1977 -)，男，寧夏中寧人，教授，主要從事先進可再生能源系統方面的研究工作，E-mail：lijinping77@163.com

S216.4; TK6

B

1000-1166(2017)05-0050-07