濃縮沼液的三效節能蒸發工藝研究

唐弓斌， 陳一帆， 盧譽遠， 周淑珍， 黃福川

(1.廣西大學 化學化工學院， 廣西 南寧 530004； 2.廣西石化資源加工與過程強化重點實驗室， 廣西 南寧 530004； 3.廣西玉林大智生物科技有限公司， 廣西 玉林 537000； 4.廣西畜禽養殖廢棄物綜合利用工程技術研究中心， 廣西 南寧 530004)

項目來源： 星火計劃(2015GA790003)

濃縮沼液的三效節能蒸發工藝研究

唐弓斌1，2， 陳一帆1,2， 盧譽遠3,4， 周淑珍3,4， 黃福川1，2

(1.廣西大學 化學化工學院， 廣西 南寧 530004； 2.廣西石化資源加工與過程強化重點實驗室， 廣西 南寧 530004； 3.廣西玉林大智生物科技有限公司， 廣西 玉林 537000； 4.廣西畜禽養殖廢棄物綜合利用工程技術研究中心， 廣西 南寧 530004)

沼液的無害化處理排放因成本過高，影響了沼氣工程的推廣。文章在傳統多效蒸發濃縮技術的基礎上，利用MVR技術及空氣源熱泵技術，開發1種適用于中小型沼氣工程配套的沼液濃縮三效蒸發工藝。經處理后的水能到達Ⅱ類水標準，并獲得濃縮液，為沼液的資源化處理、減少污水排放處理成本，進行新的探索。

沼氣工程； 沼液； 資源化處理； 三效蒸發

隨著人們生活質量的提高，對畜禽產品的需求量也在不斷提升，因此極大地促進了畜禽養殖業的發展。而畜禽養殖業中的污水排放，始終是制約其快速發展的技術瓶頸。沼氣工程的實施有利于減輕養殖排泄物對環境的影響。

沼氣是有機質(如農作物、秸稈、人畜糞便、生活垃圾、有機廢棄物等及污水)在厭氧的條件下，通過特定微生物的作用形成的[1]。在厭氧發酵過程中，發酵原料中的大部分有機質被分解成蛋白質、氨基酸等多種水溶性物質，形成厭氧發酵液(即沼液)；而原料中不能被微生物分解或分解不完全的物質形成了沼渣[2]。這些沼渣、沼液如不能妥善的處理，直接排放不僅會對環境造二次污染，更是一種巨大的資源浪費[3]。盡管沼渣、沼液的物質組成與比例會因發酵原料的不同而有所差異，但是對其進行資源化綜合利用十分必要，并且是可行的。沼渣的處理工藝已較為成熟，脫水后可制成有機肥或有機復混肥[4]。目前，沼液的處理途徑大致有兩種：一是生化處理，即降解其中的污染物，使其達到相關排放標準；二是農業資源化利用，即對沼液進行濃縮，回收其有效營養物，減少體積以便于運輸，使其用途商業化[5]。濃縮沼液經過處理回收后，通常應用于3個方面：用作液體肥料、用來防治病蟲害、用來浸種與催芽。

目前，沼液一般是進行常規的排污水處理后，才能達到排放標準。其設備投資大、運行成本高，普通中小畜禽養殖企業難以承受。因此，有必要開發新的工藝進行沼液處理，使之既投資小、運行成本低、操作簡單，又能達到排放的法規要求。

對于我國大部分中小畜禽養殖企業而言，一套年處理量3000噸～5000噸傳統工藝的污水處理裝置大約需300萬至500萬元人民幣，成本過高，且運行費、能耗也較高，企業普遍無法承受。目前，有部分企業將沼液直接排放，污染水體環境。

1 沼液濃縮的技術現狀

沼氣的發展前景十分廣闊，但是厭氧發酵后沼液的處理影響了其綜合經濟效益。國內外學者針對沼液的資源化處理做了大量的研究工作。目前，對沼液的濃縮技術的研究，主要集中在膜過濾濃縮技術和負壓蒸發濃縮技術。此外，還有電絮凝法、冷凍濃縮法[6-7]。但因都存在投資巨大、運行成本高等問題，難以投入實際應用。

1.1 膜過濾濃縮技術

膜分離技術是一項物理分離技術，是指在一定溫度和壓力下，通過膜兩側的壓力差，使沼液進行滲透分離。在利用膜技術濃縮沼液的過程中，清水富集在膜的滲透側，而其濃縮液被擋在未滲透側，從而達到分離的效果。

國內外學者對此領域研究也較多。例如梁康強[8]等采用碟管式反滲透膜進行沼液的分離，沼液濃縮后的清水可回收并用于調漿；濃縮液則用于大白菜的種植實驗，且提高了大白菜的品質。徐國銳[9]利用納濾膜對以畜禽糞便為發酵原料的沼液進行濃縮，研制出沼液氨基酸水溶性肥料產品，驗證了使用沼液濃縮液配無土栽培營養液的可行性。宋成芳[10]等采用超濾膜將畜禽養殖廢棄物產生的沼液進行了濃縮，測定結果顯示濃縮液的營養濃度遠高于原溶液，且重金屬含量遠遠低于國家的肥料標準限制。

雖然膜技術具有簡單、高效、節能、分離效率高等特點，但因存在膜受污染導致壽命短缺及維護費用高等問題，制約了它的推廣，只有突破技術瓶頸才有可能推廣應用。

1.2 負壓蒸發濃縮技術

在一定溫度壓力下，液體在蒸餾釜中被加熱，當溫度達到混合液的泡點，液體開始汽化，生產的氣相被引出并經冷凝冷卻后收集起來。泡點受壓力、溫度等因素影響，壓力愈小，泡點愈低。負壓蒸發濃縮技術就是根據泡點隨壓力變化的特點，利用提高真空度，降低泡點的方法，實現對沼液的濃縮。

負壓蒸發是一種成熟而有效的液體濃縮技術。焦有宙[11]對沼液負壓蒸發濃縮裝置中的蒸發罐、冷凝器、循環液槽、真空泵進行了參數計算與設備選型，并進行了實驗。實驗結果表明：負壓濃縮技術在沼液的濃縮中，既能有效防止沼液內有效成分的流失，又能起到濃縮效果。鄧蓉[12]采用負壓真空濃縮法對沼液濃縮進行研究，該實驗發現：沼液的濃縮效果與速度隨真空度的升高呈上升趨勢；當真空度為90%時，冷凝液水質能達到了GB18596-2001標準。

綜上所述，膜技術在沼液濃縮的工業化應用中因膜污染的制約還無法推廣應用，高效膜的制造與清洗問題是制約其進一步發展的主要原因之一；負壓蒸發技術，理論上可實現對沼液的濃縮，但是因工藝和設備上的原因，影響了負壓蒸發技術在沼液濃縮上的應用。該研究就是利用負壓蒸發和機械蒸汽再壓縮(MVR)的原理，引入多效蒸發工藝對禽畜養殖廢棄物和厭氧發酵處理后的沼液進行濃縮。沼液的濃縮液可用于制造液肥的基礎肥，其冷凝水可達到直排標準；并根據沼液濃縮的工況，進行工藝參數的優化設計，以實現對能量的綜合利用和沼液的高值化利用，為沼液濃縮的工業化應用進行新的探索。

2 多效蒸發的工藝研究

多效蒸發技術在制糖、制藥、食品、石化、廢水處理等領域早已實現了工程上的應用，且效果良好[13-15]。但是在沼液濃縮處理領域，國內外未見報道。筆者針對以畜禽養殖廢棄物進行厭氧發酵后所產生的沼液，開發對沼液進行濃縮的新工藝。

2.1 多效蒸發的原理

沼液的蒸發過程是沼液不斷地從熱源吸熱，并不斷地沸騰讓水分汽化的過程，作為蒸發熱源的高溫蒸汽成為加熱蒸汽。為了多次利用蒸汽，通常把第一效蒸發罐所產生的蒸汽用做第二效蒸發罐的加熱蒸汽，而第二效所產生的蒸汽又進入第三效蒸發罐作為加熱蒸汽。依此類推，以達到節省蒸汽的目的。

蒸發系統的效數越多，蒸汽反復利用的次數也越多。為了保證蒸發過程傳熱的進行，各效蒸發罐必須具有必要的傳熱溫差。在建立多效蒸發系統的總溫差(首效罐的加熱蒸汽與末效罐蒸汽之間的溫度差)之后，各效罐的溫度差可自動調節以建立蒸汽的產供平衡關系。各效罐間的溫度的分配只隨單效蒸發罐產生的蒸汽的變化而變化，不能隨意變化。最后排出的低焓蒸汽經過換熱冷凝成水，可達Ⅱ類水質以上，可直接排放。換熱產生的熱能可預熱沼液，冷凝水的低焓能可采用熱聲發動機回收發電。

采用多效蒸發工藝可以節省蒸汽。然而，效數過多是不經濟的；同時，效數的增加會增加有效溫差的損失。因為蒸發系統的溫差是有限的，效數的增加會使每效罐所能分得的溫差減少，從而會降低蒸發罐的蒸發強度，導致蒸發罐的傳熱系數下降。因此，在沼液濃縮工藝中采用三效的蒸發工藝，其具有較高的能耗比。

2.2 三效蒸發裝置設計

沼液成分復雜，含水率高。沼液的主要成分為氨基酸。筆者工藝設計中，以甘氨酸(C2H5NO2)代替復雜的氨基酸成分，按沼液的質量濃度為10%進行研究。針對沼液特性,設計的三效蒸發工藝中采用新的節能技術。

(1)引入多效蒸發工藝用于沼液濃縮，并優化其濃縮工藝；

(2)利用空氣能熱泵和熱聲發動機回收二次蒸汽中的余熱。空氣能熱泵收集的熱量用于發酵池的加熱及沼液的預熱；熱聲發動機產生的機械能可用于發電，向壓縮機或真空泵提供能量；

(3)利用MVR蒸汽壓縮機將低品質蒸汽轉變為高品質蒸汽，而壓縮機所需的電能由熱聲發動機回收的余熱轉化而來，當能量不足時，可外接電源；

(4)筆者設計的多效蒸發節能工藝，利用集成模塊一體化設計，該工藝裝置的綜合成本遠低于目前常規沼液處理的裝置成本，可實現沼液的高值化利用。

2.2.1 系統的工作原理

三效蒸發工藝是將3個蒸發罐串聯在一起運行蒸發操作，沼液與加熱蒸汽采用并聯的方式進入蒸發罐。

第一效的加熱蒸汽來自于鍋爐蒸汽(來自于沼氣鍋爐)，第一效產生的二次蒸汽經MVR蒸汽壓縮系統后用于對第二效里沼液的加熱。同樣，第二效產生的二次蒸汽經處理后用于第三效里沼液的加熱。

沼液在第一效被加熱后，在壓力差的條件下，依次經過各效蒸發罐，在蒸發罐里被前一效的蒸汽加熱。

2.2.2 系統的組成

三效濃縮蒸發系統基本構成如圖1所示。蒸汽通過的設備有：泵、蒸發罐、MVR蒸汽壓縮系統、氣水分離器、空氣能熱泵、熱聲發動機、平衡箱；沼液通過的設備有：泵、預熱器、真空罐；除此還有溫度計、壓力表、真空表、安全閥等。

圖1 系統基本構成

2.2.2.1 系統工藝流程

(1)沼液由泵抽出，經預熱器然后送入一效蒸發罐加熱管里；同時鍋爐產生的飽和蒸汽進入一效蒸發罐的加熱室；

(2)第一效中的加熱蒸汽通過加熱管壁將熱量傳給沼液；沼液受熱沸騰，部分水分蒸發成二次蒸汽。二次蒸汽經MVR壓縮機增溫提壓成高品質蒸汽，進入二效蒸發罐。然后打開閥門，濃縮后的沼液在壓差的存在下，自動流入二效蒸發罐；

(3)進入第二效的沼液，被第一效進入的加熱蒸汽加熱，蒸發生產二次蒸汽；同樣，沼液進入第三效蒸發罐；

(4)第二效產生的二次蒸汽經MVR壓縮機變為高品質蒸汽進入第三效；沼液自第二效進入第三效蒸發罐后，進一步被濃縮，最后排出；系統運行的過程中，真空系統一直運作，保持足夠的真空度；

(5)沼液被加熱產生的二次蒸汽，經空氣能熱泵回收余熱。空氣能熱泵收集的熱能用于發酵池的升溫及沼液的預熱；熱聲發動機輸出的機械能用于發電，供MVR壓縮機及泵使用；

(6)各效蒸發罐中加熱蒸汽換熱后冷凝成汽凝水。而汽凝水具有很高的溫度，將其排入自蒸發器中，自蒸發生成蒸汽。自蒸發生成的蒸汽與第三效沼液蒸發生成的蒸汽由空氣能熱泵與熱聲發動機回收余熱。而從自蒸發器中排出的冷凝水由熱聲發動機回收能量，然后可作為工業用水。

2.2.2.2 該系統的設備相關參數

(1)蒸發罐是三效蒸發工藝中的關鍵設備,系統中選用升膜式蒸發罐。蒸發罐加熱室中的換熱管選用φ25 mm×2.5 mm的不銹鋼管，長度1.5 m；蒸發室的高度可設為換熱管長度的1.5～2倍；換熱管的數量可根據相應工況下的換熱面積進行計算設定；

(2)MVR蒸汽壓縮機選用離心壓縮機對二次蒸汽加熱；

(3)真空泵選用隔膜式真空泵；

(4)氣水分離器選用填料除沫分離器；

(5)自蒸發器選用柱式自蒸發器；

(6)空氣能熱泵、熱聲發動機和太陽能熱水器。空氣能熱泵采用太陽能輔助的空氣源熱泵，熱聲發動機選用以氦氣為工質的行波熱聲發動機；

(7)鍋爐。在沼液的濃縮工藝中，采用沼氣鍋爐；

(8)系統采用水壓實驗檢測。

2.2.3 沼液濃縮的工藝模擬

筆者以甘氨酸代替復雜的氨基酸成分，但是沼液成分復雜，且隨著溫度的升高會釋放氨氮。在負壓條件下，沼液蒸發的溫度也隨之降低，有機物分子化學鍵更加穩定牢固，從而能有效防止其分解揮發[16]。由文獻[16]可知，在減壓蒸發的條件下，投入硫酸溶液將沼液的pH值控制在5以下時，能有效防止氨氮等營養物質的揮發。

為了使模擬試驗更加簡化、減少沼液因高溫導致營養成分的流失，筆者設計的三效蒸發工藝將3個蒸發罐的壓力分別控制在0.050 Mpa，0.035 Mpa，0.020 Mpa,使得沼液的泡點控制在85℃以內。按沼液的流量每小時1000 kg·h-1，預熱后溫度70℃。利用Aspen plus模擬沼液的濃縮過程的工況，且對模型做了如下假設： 1)不計傳熱過程中的溫差損失； 2)沼液在各效蒸發罐濃縮過程中及時加入試劑以控制pH值在5下，不計氨氮等元素的揮發； 3)不考慮因蒸發罐表面積垢而導致傳熱系數的改變。沼液和加熱蒸汽的模擬流程見圖2。

圖2 沼液濃縮流程圖

如圖2所示：第一效蒸發罐由E1-A，E1-B和FL1模擬，第二效蒸發罐由E2-A，E2-B和FL2模擬，第三效蒸發罐由E3-A，E3-B和FL3模擬；壓縮機C和補水裝置MIXER模擬機械蒸汽再壓縮部分中的壓縮機模塊。模擬后，沼液蒸發過程的熱力狀況見表1，蒸汽變化量見表2，工藝中排出的汽凝水及補水參數見表3，換熱量見表4。

表1 沼液蒸發過程的熱力狀況

表2 蒸汽變化量

表3 排出的汽凝水及補水量

表4 換熱量

由表1可知：第一效排出的濃縮液(NSY1)流量為781.4 kg·h-1，沼液濃度為12.8%；第二效的濃縮液(NSY2)流量為546.7 kg·h-1，沼液濃度為18.3%；第三效排出的濃縮液流量為291.2 kg·h-1，沼液濃度為34.3%；

由表2和表3可知：流量為240 kg·h-1，溫度100.0℃的鍋爐飽和蒸汽ZQ1-IN(STREAM)進入第一效蒸發罐，將沼液加熱后變為溫度91.0℃的汽凝水1；第一效蒸發罐生成的二次蒸汽ZQ1-OUT(流量為218.6 kg·h-1，溫度81.6℃)經壓縮機增壓提溫后，再經補水裝置補水后，變為高品質飽和蒸汽ZQ2-IN(流量226.1 kg·h-1，溫度89.8℃)。經第二效換熱后，變成81.8℃的汽凝水2；第二效生成的二次蒸汽ZQ2-OUT(流量234.7 kg·h-1，溫度75.7℃)，同樣變成高品質飽和蒸汽ZQ3-IN(流量242.8 kg·h-1，溫度83.7℃)后進入第三效加熱沼液。最后，蒸汽經換熱后變為73.7℃的汽凝水3。

上述蒸發過程中，各效蒸發罐中分離室E1-B，E2-B，E3-B的壓力分別為0.045 MPa，0.035 MPa，0.020 MPa；Ⅰ效，Ⅱ效，Ⅲ效蒸發罐的筒體規格分別為：φ200 mm×2300 mm，φ400 mm×2300 mm，φ500 mm×2300 mm，沼液在各效蒸發罐內的流量分別為：0.278 kg·s-1，0.217 kg·s-1，0.08 kg·s-1；利用ASME等熵模型模擬壓縮機做功，效率為0.72，模擬結果顯示壓縮機C1，C2的功率分別為6.41 kW，6.94 kW。

從模擬結果可知：沼液經三效蒸發后，濃度由10.0%提升到34.3%；沼液的體積縮小了70.9%。

該工藝具有如下特征：

(1)采用三效蒸發工藝來濃縮沼液，減少排污量，從應用工藝方面來說是可行的，且其濃縮后的沼液可作為液肥的基礎肥；

(2)在工藝裝置中采用的太陽能、熱聲發動機、空氣能熱泵等模塊的節能技術是可行的，且綜合效益顯著，可適用于中小型禽畜養殖場沼液的處理；

(3)采用工藝進行沼液減排裝置的投資比常規污水處理要低30%～50%，且運行費用較低，操作簡便，可實施24小時無人值守。

3 結論

筆者開發的三效蒸發中試工藝中：利用MVR技術對二次蒸汽高質化處理，節省了鍋爐蒸汽的用量；利用空氣能熱泵及熱聲發動機回收了蒸汽中的余熱，到達了節能的目的；沼液濃縮后可商品化(即液肥的基礎肥)，有效避免了資源的浪費以及對環境的污染，排放的冷凝水可達到Ⅱ類水標準，對沼液資源化利用進行新的嘗試。

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ConcentrationofBiogasSlurrybyThree-effectEvaporation/

TANGGong-bin1,2,CHENYi-fan1,2,LUYu-yuan3,4,ZHOUShu-zhen3,4,HUANGFu-chuan1,2/

(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering，GuangxiUniversity,Nanning530004，China; 2.KeyLaboratoryofGuangxiPetrochemicalResourceProcessingandProcessIntensificationTechnology,Nanning530004，China; 3.GuangxiYulinDazhiBiotechnologyCoLtd,Yulin537000，China; 4.EngineeringTechnologyCenterofGuangxiComprehensiveUtilizationofLivestockandPoultryWastes,Nanning530004,China)

Because of excessive costs, the biosafety disposal of biogas slurry affected the promotion of biogas projects. Based on the traditional multi-effect evaporation concentration techniques, adopting MVR technology and air-source heat pump technology, a three-effect evaporation process was developed for concentration of biogas slurry from small and medium biogas projects. After the treatment, it could obtain a standardⅡwater and a concentrated solution. It is a new way of resourceful disposal and reducing discharge cost for biogas slurry

Biogas project； biogas slurry； recycling； three-effect evaporation

2016-08-03

2016-09-18

唐弓斌(1991-)，男，在讀碩士，主要從事節能技術及設備方面的研究工作，E-mail：tanggongbin@sina.com

黃福川，E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn

S216.4

B

1000-1166(2017)04-0061-06