沼氣工程生物質能-太陽能互補供熱系統優化設計

趙 凱， 馮 晶， 孟海波， 李冰峰， 羅 娟， 于佳動， 黃開明

(1.河北省新能源技術推廣站， 河北 石家莊 050021； 2.農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125； 3.農業部農業生態與資源保護總站， 北京 100125)

沼氣工程是處理規?；笄蒺B殖糞污有效方法[1]。近年來，隨著國家對畜禽養殖糞污排放的要求越來越嚴格，國內規?；託夤こ倘找嬖龆郲2]。溫度是影響沼氣工程糞污處理效率以及厭氧消化產氣的關鍵因素之一[3-4]。一般而言，規?；託夤こ滩捎弥袦匕l酵，其適宜的溫度范圍是35℃～40℃[5]。在國內大部分地區，全年溫度變化很大，要使沼氣工程常年穩定高效運行，有必要采用適當的增溫保溫方法對沼氣工程的厭氧消化溫度進行嚴格控制，使沼氣工程的發酵溫度保持在中溫發酵的溫度范圍內[6-7]。

沼氣工程傳統的加熱方式為熱水循環加熱法，所采用的熱源主要包括電熱膜、太陽能集熱器、化石能源熱水鍋爐、沼氣鍋爐、沼氣發電余熱等[7-9]。近年來，生物質固體成型燃料的制備技術日趨成熟，成本逐漸下降[10]。生物質顆粒燃料能量密度與中質煙煤相當；燃燒時CO2零排放，NOX和SO2等的排放量遠小于煤；燃燒特性明顯得到改善，提高了利用效率，連續自動運行條件下，燃燒效率通常能達到86%以上[11]?；谝陨蟽烖c，生物質顆粒燃料熱水鍋爐逐漸在沼氣工程供熱中占有了一席之地[12]。

這幾種加熱方式中，沼氣鍋爐加熱消耗沼氣，不利于沼氣的高值化利用[4]。沼氣發電余熱需要為沼氣工程配備發電機組，并且在當前的技術條件下國產沼氣發電機組能量利用效率較低，而進口沼氣發電機組則投資較高，不適宜中小規模沼氣工程使用[13]。太陽能是一種清潔能源，常年運行費用較低，但它在陰天或者晚上無法工作,具有不連續性，為了實現連續供熱，需要擴大集熱面積和熱量存儲裝置，導致了供熱系統初投資增加[4]。生物質顆粒燃料熱水鍋爐初始投資較低，但常年需要生物質顆粒燃料，運行費用較高[14]。

生物質能-太陽能互補供熱系統沼氣工程供熱是近年來興起的一種供熱方式[14]。該系統通過將生物質顆粒燃燒器和太陽能集熱器聯合組成一個供熱系統，充分利用生物質能與太陽能的優勢，為厭氧消化罐提供穩定的熱源，同時盡量降低運行成本與初始投資[15]。太陽能集熱器面積的增加，可以減少生物質顆粒燃燒器的運行時間，降低運行成本。但是增加太陽能集熱器面積的同時，也增加了初投資[15]。實現經濟效益的最大化，需要對系統中各部分設計參數進行優化[16-18]。

本文擬建立沼氣工程的生物質能-太陽能互補供熱系統的經濟分析模型，并結合實例利用線性規劃方法對供熱系統進行優化，為生物質能-太陽能互補供熱系統的設計提供參考。

1 研究實例與熱量需求

1.1 研究實例

以河北省保定市年出欄4500頭的奶牛場為例，年產生糞便2.95萬噸，設計CSTR發酵罐1座，容積5000 m3，直徑為30 m，高度為8 m，設計停留時間為27天。發酵罐內采用罐內盤管加熱的方式。

1.2 熱平衡計算

厭氧消化需要保持一定的溫度厭氧微生物才能夠保持活性，這就要求厭氧消化罐獲得的熱量必須大于損失的熱量，才能保證整個系統的溫度恒定[19]。一般而言，厭氧消化罐每日損失的熱量主要是每天新增投料所需熱量以及厭氧消化罐每日散熱[19]。厭氧消化過程中的生物化學發熱量較小，可忽略不計[4]。

厭氧消化罐投料損失的熱量計算公式(1)為[20]:

Q1=cm(TD-TF)

(1)

式中：c為料液的比熱容(新鮮料液質量分數約為8%，取水的比熱)，4.2 kJ·kg-1℃-1；m為沼氣池的新鮮料液流量，660×103kg·d-1；TD為沼氣發酵罐內料液的溫度，35℃；TF為新鮮料液的溫度，℃。

厭氧消化罐散熱損失的熱量計算公式(2)為[20-21]:

Q2=(S1α1+S2α2+S3α3) (TD-TE)

(2)

式中：S1，S2，S3為發酵罐頂面積、側壁面積與底面積，分別為706 m2,754 m2與706 m2；α1，α2，α3為發酵罐頂、側壁與底部的傳熱系數，分別為2.63 W·m-2℃-1,0.32 W·m-2℃-1與0.48 W·m-2℃-1；TD為沼氣發酵罐內料液的溫度，35℃；TE為環境溫度，℃。

沼氣工程總需熱量QM為物料升溫與發酵罐散熱損失兩部分之和[19]：

QM=Q1+Q2

(3)

沼氣工程熱量平衡計算結果如表1所示。全年中，華北地區沼氣工程的散熱量相差較大，隨外界環境溫度的升高而升高。其中1月份環境溫度最低，散熱量最大，為330.02 kW；7月份的環境溫度最高，散熱量最低，為139.18 kW。

2 生物質能-太陽能互補供熱系統

2.1 系統設計

本研究中所使用的生物質能-太陽能互補供熱系統如圖1所示。該系統中，太陽能集熱器、生物質顆粒燃燒器及厭氧消化罐通過蓄熱水箱相連接，并在控制單元的控制協調下自動運行[14]。

生物質顆粒燃燒器全功率間歇運行，當蓄熱水箱上部溫度T3大于設定溫度時燃燒器停止運行，小于設定溫度則開始運行。太陽能集熱器出水口溫度T1與蓄熱水箱底部溫度T2溫差超過7℃時，太陽能集熱器循環水泵開始循環;當溫差小于3℃時停止循環。供熱設備將熱量儲存在蓄熱水箱中，并通過換熱裝置將熱量傳遞至供熱終端。

注：T1 為太陽能集熱器出水口溫度，℃； T2 為水箱底部溫度，℃； T3為蓄熱水箱上部的溫度傳感器測得的溫度，℃；虛線表示控制信號。圖1 生物質能-太陽能互補供熱系統流程圖

月份TDTETFQ1Q2QT℃℃℃kWkWkW1月35-1.85240.3589.68330.022月352.25240.3579.93320.283月358.610200.2964.34264.624月3514.715160.2349.47209.705月3520.820120.1734.60154.786月3526.320120.1721.20141.377月3527.220120.1719.01139.188月3525.020120.1724.37144.549月3520.120120.1736.31156.4810月3515.915160.2346.55206.7811月357.210200.2967.75268.0312月350.85240.3583.34323.69

2.2 系統優化

在生物質能-太陽能互補供熱系統中，太陽能集熱器面積的增加可以減少生物質顆粒的使用，降低運行成本，但是會增加系統的初投資。而減少太陽能集熱器面積，則降低系統的初始投資，但生物質顆粒燃燒量增大，運行成本提高。因此該系統在初投資和運行成本之間存在矛盾[14]。本文通過建立系統的經濟優化模型，對系統中主要裝置的參數進行優化設計。

2.2.1 目標函數

系統優化的目標是降低供熱系統每年的費用，即將年運行成本和初投資平均到使用年限的每一年相加為目標函數Fmin，目標函數取最小值時的系統參數為最優設計參數。Fmin如下：

(4)

式中：Finvest為系統的初投資，元；Foperation為系統的運行成本，元；n為系統的使用年限，15 a。

其中，系統的初投資包括生物質顆粒燃燒器及配套鍋爐、太陽能集熱器、蓄熱水箱、循環水泵，以及其他管道儀表等，其計算式如下：

(5)

式中：Pburner為生物質顆粒燃燒器的功率，kW；Nb為生物質顆粒燃燒器的價格，150元·kW-1；Ssolar為太陽能集熱器的面積，m2；Ns為太陽能集熱器的價格，1000元·m-2；Nt為蓄熱水箱的價格，450元·m-3；Ielse為水泵等附件的投資，5000元。

系統的運行成本包括燃燒生物質顆粒燃料的費用，系統的水泵、風機等的用電費用、人工費、系統的維護費用等。其中生物質顆粒燃料費用每月差別較大，需按月計算，其他費用按年計算。計算如式(6)：

(6)

式中：Fpower為燃燒動力費，元；Flabor為人工費，2000元；Fmain為系統的維護費用，500元。i月的生物質顆粒燃料的費用Fi，當Fi<0時取0，計算如式(7)：

(7)

式中：Qi為i月份的沼氣工程所需熱量，kJ；Ei為i月份傾斜表面月平均日太陽輻射量，kJ·m-2d-1；η1為太陽能集熱器的集熱效率，0.5；η2為生物質顆粒燃燒器的燃燒效率，0.9；η3為鍋爐熱效率效率，0.8；η5為生物質鍋爐用盤管換熱器的換熱效率，0.9；η6為采暖用盤管換熱器的換熱效率，0.9；ni為i月份的天數，d；qpellet為生物質顆粒燃料的熱值，kJ·kg-1；Np為生物質顆粒燃料的價格，0.5元·kg-1。

由式(4)～(7)可得目標函數式如下：

(8)

2.2.2 約束條件

生物質顆粒燃燒器的功率應大于太陽能集熱器不運行條件下厭氧消化罐的最大耗熱功率[14]，即：

Pburner×η3×η5×η6≥Qmax

(9)

式中：QMax為厭氧消化罐的最大耗熱功率，kW。

生物質顆粒燃燒器間歇運行，生物質鍋爐間歇運行時間內與太陽能熱水器共同為厭氧消化罐提供熱量，還應當使蓄熱水箱蓄熱，蓄熱水箱內水溫不應超過蓄熱水箱的溫度上限[14-15]，其約束如下：

(10)

式中：ρw為水的密度，1000 kg·m-3；Vtank為蓄熱水箱容積，m3；Cw為水的比熱容，4200 kJ·kg-1℃-1；ΔT為蓄熱溫差，15℃；t2為生物質顆粒燃燒器設計的最短運行時間，0.5 h；E為年平均日太陽總輻照量，MJ·m-2d-1；ts為平均日照時間，h。

生物質鍋爐間歇運行中一個周期的停止運行時間不能過短，如果停止運行的時間過短則不符合燃燒器的工作特性。在一個周期中停止運行的時間是由蓄熱水箱的容積，太陽能集熱器的面積來決定的[14,15]，其約束如下：

(11)

該系統以生物質顆粒燃燒器為主要熱源，限制太陽能提供熱量占總能量需求的比例小于50%。

E×Ssolar×η1≤Qmax×24×3600×0.5

(12)

2.2.3 優化模型

根據以上分析，整理目標函數和約束條件如下式:

目標函數：

約束條件：

Pburner≥509.30

1458×Pburner+387×Ssolar-63000×Vtank≤660474

Vtank≥10.47

Ssolar≤2838.92

2.2.4 優化方法

使用軟件Excel(2010)建立數學模型，通過改變Pburner，Ssolar與Vtank，以目標函數為目標，約束條件為約束，使用規劃求解工具進行求解計算。

3 結果分析

通過計算得知，當生物質能-太陽能互補供熱系統中生物質顆粒燃燒器的功率為509.3 kW，太陽能集熱器(由清華陽光生產)面積為1775.6 m2，蓄熱水箱(由清華陽光生產)容積取10.48 m3時，目標函數取得最小值。此時，初投資為1871695.59元，年運行成本為169735.77元。一年4月～9月中，氣溫較高，厭氧消化罐散熱較少，耗熱量較低。相比其余幾個月份，日照強度較大，日照時間較長。因此，在4～9月由太陽能加熱器所提供的熱量即可保證厭氧消化罐所需熱量。這幾個月份內生物質顆粒鍋爐基本不需要運行，只需做應急加熱使用。

3.1 初投資分析

在生物質能-太陽能互補供熱系統的初投資中，太陽能集熱器的投資占的比例最大，為94.9%；生物質顆粒燃燒器的投資占的比例是4.08%；蓄水箱與水泵等附件投資所占的比例分別為0.25%和0.80%。隨著生物質顆粒燃燒器生產技術的不斷成熟以及生產規模的擴大，其成本會較大幅度地降低，從而能加速生物質能-太陽能互補供熱系統的推廣。

3.2 運行成本分析

生物質能-太陽能互補供熱系統運行成本主要包括生物質顆粒燃料費用、燃料動力費、系統維護費、人工費。在運行成本中，生物質顆粒燃料費用占75.26%，人工費占14.14%，燃料動力費占7.07%，系統維護費占3.53%。

3.3 加熱方式對比分析

當前沼氣工程中常用的加熱方式主要包括：沼氣熱水鍋爐、生物質鍋爐、太陽能等方式。本研究條件下，厭氧消化罐需熱量6973119.96 MJ·a-1。若使用沼氣熱水鍋爐為單一熱源，則年需要消耗沼氣396200 Nm3，則占厭氧消化罐的所產沼氣的20.68%。以0.8元·Nm-3沼氣計，則年運行成本高達316960元。若單獨使用生物質鍋爐為熱源，則年需消耗生物質顆粒燃料633 t·a-1，運行成本為316500元。這兩種加熱方式下年運行成本均高于生物質能-太陽能互補供熱系統。若使用太陽能系統為熱源，則需要太陽能熱水器面積為3144.76 m2，初投資額為314.47萬元，遠高于生物質能-太陽能互補供熱系統優化后的結果，不適合中小規模沼氣工程。

4 結論

(1)以年費用為目標函數，使用線性規劃方法對沼氣工程的生物質能-太陽能互補供熱系統中的設計參數進行了優化。結果表明對于華北地區5000 m3的厭氧消化罐可設計成燃料鍋爐功率為509.3 kW，太陽能集熱器面積為1775.6 m2，蓄熱水箱容積為10.48 m3，此時系統的經濟性最優，初投資為1871696元，年運行成本為169736元，折合年費用為294515元。

(2)在生物質能-太陽能互補供熱系統中，太陽能集熱器的投資比例最大，占到了總投資的94.9%；生物質顆粒燃燒器占4.08%；運行成本中生物質顆粒燃燒為用占75.26%，人工費占14.14%，燃料動力費占7.07%，系統維護費占3.53%。

(3)與沼氣熱水鍋爐、生物質鍋爐相比，生物質能-太陽能互補供熱系統充分利用太陽能運行成本低的優勢，減少了運行成本；與太陽能系統相比，生物質能-太陽能互補供熱系統彌補了太陽能不穩定與初始投資高的缺點。因此，生物質能-太陽能互補供熱系統適合于中小規模的沼氣工程，具有廣泛的推廣價值。