大型沼氣工程沼液蒸發濃縮的能量平衡分析

白曉鳳，李子富，王 琦，王苗苗

(1.中交天航環保工程有限公司博士后科研工作站，天津 300461；2.北京科技大學 能源與環境工程學院，北京 100083)

沼液是沼氣工程的必然產物，含有豐富的氮磷等營養物質和植物生長必須的微量元素，是一種優質的有機液肥[1-7]，可以促進植物生長發育[8-10]。但是由于沼液產生的連續性與農作物施肥的間歇性，沼液在施入農田前需要占用大量的存儲空間[11]。同時，由于沼液的肥效相對較低(沼液中99%以上為水分)，體積龐大，沼液的施用非常不便[12]。沼液運輸不具有經濟性，只能在很小的范圍內得到利用。有研究表明，由于沼液施用的便捷性、經濟性和安全性等問題[13-14]，農戶對沼液的利用積極性不強[15-16]。因此，大型沼氣工程每年產生的大量沼液的處理與處置已成為制約沼氣行業發展的重要因素[17]。

對沼液進行濃縮不但可以提高沼液中的營養物質含量，增加單位沼液的經濟價值，還可以減小沼液的體積，便于沼液的存儲與運輸。目前，沼液的濃縮方法主要有膜技術、帶式干燥、熱濃縮蒸發等[18-19]。其中膜濃縮技術研究較多，包括超濾、納濾、反滲透等。

宋成芳[20]等將超濾膜和納濾膜用于畜禽養殖廢棄物沼液的分離濃縮，處理過程不破壞沼液中有效物質的活性，濃縮液可作為無公害生物肥料的原料。Konieczny[21]等利用離心-兩步超濾-納濾集成系統對沼液進行了濃縮研究，研究發現離心-UF50-UF5-NF0.2的組合工藝處理效果最好，最終的滲透液為原液體積的33%。Gebrezgabher[22]等利用超濾與反滲透聯合工藝對沼液進行濃縮，濃縮液中氮、磷、鉀濃度分別達到6.8，0.5，11.6 kg·t-1。Thorneby[23]等研究發現，在30 bar(25℃)下，反滲透膜的膜通量為20～25 L·m-2h-1，截留率可達98%以上，其中氨的截留率可達到 93%～97%。Hofman[24]等研究發現在反滲透過程中，除了營養物質被截留外，大部分微污染物也能被截留，而兩者的分離有待研究。反滲透技術的能耗取決于運行和技術參數，在大型系統中，可以考慮添加能量循環利用系統[25]。反滲透技術應用于沼液處理的主要限制因素是“結垢”，因為沼液在通過反滲透膜的過程中，其含有的鹽分會沉積在膜的內外表面上。另外，生物膜垢也是常見的一種膜結垢形式。

膜濃縮技術需要對沼液進行復雜的預處理，濃縮過程要求嚴格，存在膜污染和運行費用高的缺點。據資料顯示[18]，德國沼液的膜處理和帶式干燥的總成本費用分別為每噸11.13歐元和12.28歐元。而人們對沼液的蒸發濃縮研究較少，本文將以能否滿足沼液蒸發所需熱量為基礎，分析沼氣發電余熱的利用模式。以德青源大型沼氣工程為例分析以沼氣發電余熱作為熱源的沼液蒸發濃縮的可行性，分析沼液蒸發濃縮對沼氣工程持續健康發展的重要意義。

1 熱電聯產沼氣工程能量分析

熱電聯產沼氣工程的典型工藝流程如圖1所示。沼氣工程熱電聯產指沼氣發電機將沼氣的化學能轉化成電能和熱能，電能供給電網，發電余熱回收后供給厭氧發酵系統。在無外部熱量輸入時，要滿足熱電聯產沼氣工程的自身熱量平衡，則回收的發電余熱須大于厭氧發酵系統自身的熱量需求[26]。即

Q余≥Q

(1)

式中：Q余為回收的發電機余熱；Q為厭氧發酵系統所需的總熱量。

圖1 熱電聯產沼氣工程典型工藝流程圖

1.1 發電機余熱計算

沼氣發電機組的能量平衡如圖2所示。一般情況下，沼氣發電的總效率在70%～80%，先進的沼氣發電機總效率則高于80%。發電余熱主要包括內燃機散熱、空氣冷卻器、潤滑油冷卻器、冷卻水、尾氣5個部分。可回收的發電余熱一般占沼氣總能量的40%左右。

1.1.1 沼氣的總能量計算

沼氣的總能量(以日計)計算見公式(2)(3)：

E=V×q

(2)

q=q1×k

(3)

式中：E為沼氣的總能量(以日計)，MJ·d-1；V為日產沼氣量，m3；q為沼氣的熱值，MJ·m-3；q1為甲烷的熱值，35.9 MJ·m-3；k為沼氣中的甲烷含量，一般在55%～70%。

1.1.2 可回收的發電余熱

可回收的發電余熱(以日計)計算見公式(4)：

Q余=E×η

(4)

式中：Q余為可回收的發電余熱，MJ·d-1；η為余熱回收總效率。

1.2 厭氧發酵系統的熱量需求

厭氧發酵系統的熱量需求包括厭氧發酵罐保溫所需的熱量、進料升溫所需的熱量和管道熱損失[27]，可由公式(5)計算得出。

Q=Q1+Q2+Q3

(5)

式中：Q為厭氧發酵系統的熱量需求，MJ·d-1；Q1為厭氧發酵罐保溫所需的熱量，MJ·d-1；Q2為厭氧發酵沼氣工程的進出料管道熱損失，MJ·d-1；Q3為厭氧發酵罐進料升溫所需的熱量，MJ·d-1。

1.2.1 厭氧發酵罐保溫熱量需求計算

要維持厭氧發酵罐的恒溫運行，需要提供的厭氧發酵罐保溫熱量等于厭氧發酵罐的總散熱量。厭氧發酵罐的總散熱量由厭氧發酵罐頂部散熱量、側壁散熱量和底部散熱量3部分組成，厭氧發酵罐的總散熱量可由公式(6)計算得出。

圖2 沼氣發電機組的能量平衡圖

Q1=Q4+Q5+Q6

(6)

式中：Q1為厭氧發酵罐的總散熱量，MJ·d-1；Q4為厭氧發酵罐頂部散熱量，MJ·d-1；Q5為厭氧發酵罐底部散熱量，MJ·d-1；Q6為厭氧發酵罐側壁散熱量，MJ·d-1。

公式(7)為單層平壁熱傳導公式，可用于計算厭氧發酵罐頂部和底部的散熱量。

(7)

式中：Qi表示厭氧發酵罐頂部、底層散熱量，MJ·d-1；Si為厭氧發酵罐頂部、底層的面積，m2；T0為厭氧發酵罐體內部溫度，℃；Ti為發酵罐外部環境溫度，℃；bi為厭氧發酵罐頂部、底部保溫層厚度，m；λi為厭氧發酵罐頂部、底層保溫層的熱導率，W·m-1℃。

公式(8)為單層圓筒壁的熱傳導公式，用于計算厭氧發酵罐側壁的散熱量。

(8)

式中：H為發酵罐高度，m；r2和r1為厭氧發酵罐側壁保溫層內外半徑，m；T0，Ti，λi意義同公式(7)。

1.2.2 管路等熱量損失計算

厭氧發酵沼氣工程的進出料管道一般較短，而且保溫措施較好，故管道的熱損失Q2相對很小，可以忽略不計，即Q2≈0。

1.2.3 進料升溫所需熱量計算[28]

進料升溫所需熱量計算見公式(9)：

Q3=M×Cp×(T0-TS)

(9)

式中：Q3為厭氧發酵罐進料升溫所需的熱量，MJ·d-1；M為厭氧發酵罐每日的進料量，t·d-1；Cp為進料的比熱容，可近似取水的比熱容，4.2 MJ·t-1℃；T0為厭氧發酵罐體的內部溫度，℃；TS為進料溫度，℃。

2 沼液蒸發濃縮所需熱量分析

沼液蒸發濃縮所需的熱量包括兩部分：一部分是將沼液加熱到沸點所需的熱量，一部分是將達到沸點的沼液持續蒸發濃縮所需的熱量。沼液蒸發濃縮所需的熱量可由公式(10)計算得出。

△H=△H1+△H2

(10)

式中：△H為沼液蒸發濃縮所需的熱量，MJ·d-1；△H1為將沼液加熱到沸點所需要的熱量，MJ·d-1；△H2為持續蒸發濃縮所需的熱量，MJ·d-1。

2.1 將沼液加熱到沸點所需的熱量△H1

假設從厭氧中溫發酵罐到達沼液蒸發器的沼液溫度為T1，則△H1可由公式(11)計算得出。

△H1=m×Cp×(T2-T1)

(11)

式中：m為沼液的質量，t·d-1；Cp為沼液的比熱容(可近似取水的比熱容)，4.2 MJ·t-1℃；T1為沼液到達蒸發器的溫度，℃；T2為沼液的沸點，℃。

2.2 持續蒸發濃縮所需的熱量△H2

沼液達到沸點后需要持續的熱量來保持蒸發的順利進行，這部分熱量由持續蒸發濃縮所需的熱量表示，可由公式(12)計算得到。

△H2=mv×△hv

(12)

式中：mv為蒸發濃縮損失的沼液質量，t·d-1；△hv為沼液的汽化熱，可近似取水的汽化熱，2260 MJ·t-1。

沼液的蒸發比a可由公式(13)表示。沼液的濃縮倍數C可由公式(14)計算得出[29]。從式中可以看出在蒸發初期濃縮倍數隨蒸發比增加變化非常緩慢，但在蒸發末期濃縮倍數隨蒸發比增大急劇升高。說明在蒸發末期蒸發比的變化對濃縮倍數的提高作用較大。

a=mv/m

(13)

C=m/(m-mv)

(14)

2.3 沼液蒸發過程的熱量回收

在整個蒸發過程中，蒸發系統的熱量絕大部分可以回收循環利用，假設回收率為k1，則可回收熱量Qr可由公式(15)計算得出。蒸發過程的實際消耗熱量Qc可由公式(16)計算得出。

Qr=△H×k1

(15)

Qc=1-Qr=△H×(1-k1)

(16)

3 發電余熱利用方式分析

假設厭氧工程產生的沼氣全部用于發電，發電余熱用于發酵罐保溫和進料增溫，若還有剩余可進行沼液的蒸發濃縮，以減少沼液的存儲體積，回收沼液中的營養物質。發電余熱利用的五種模式如圖3所示，圖3表示發電余熱的能量不夠發酵罐的保溫和進料的增溫，此時，需要額外的熱源Q外來保證厭氧發酵的恒溫。即：

Q余+Q外=Q(Q余≤Q)

(17)

圖3 發電余熱不足型

圖4 發電余熱臨界型

圖4表示發電余熱正好等于發酵罐保溫和進料增溫需要的能量，此時不需要額外的熱能就可以維持發酵過程的順利進行。即：

Q余=Q

(18)

圖5 發電余熱微余型

圖5表示發電余熱大于發酵罐保溫和進料增溫所需的熱量，剩余的部分發電余熱可提供部分沼液的蒸發濃縮所需的熱量△H部。即：

Q余=Q+△H部(Q余≥Q)

(19)

圖6 發電余熱滿足型

圖6表示發電余熱大于發酵罐保溫和進料增溫所需的熱量，剩余的部分發電余熱正好滿足發酵系統所產全部沼液蒸發濃縮所需的全部熱量△H。即：

Q余=Q+△H(Q余≥Q)

(20)

圖7表示發電余熱大于發酵罐保溫和進料增溫所需的熱量，剩余的部分發電余熱除滿足發酵系統產全部沼液蒸發濃縮所需的熱量外還有部分能量剩余Q其它的情況。即：

Q余=Q+△H+Q其它(Q余≥Q)

(21)

圖7 發電余熱剩余型

4 案例分析

4.1 案例介紹

北京德青源農業科技股份有限公司健康養殖生態園是國內最大的蛋雞養殖基地，有現代化雞舍32棟，年飼養蛋雞 300萬羽，采用蛋雞高密度疊層筑養。每天產生雞糞212噸(TS=30%)。2007年建成以雞糞污為發酵底物的2 MW大型熱電肥聯產沼氣工程，年產沼氣700萬m3，年發電量1400萬kWh[30]。該沼氣工程的工藝流程如圖8所示。

圖8 工藝流程圖

4.2 能量分析與計算

4.2.1 發電余熱供應分析

德青源沼氣工程年產設計沼氣產量V年為700萬m3，年發電1400萬kWh。根據沼氣發電機組的能量收支平衡圖(見圖2)進行計算(忽略農戶的沼氣用量)。

日產沼氣體積V=V年/365

甲烷含量按65%計算(一般情況下為55%～70%，此處取65%)。

甲烷的熱值q1=35.9 MJ·m-3

沼氣的熱值q= q1×65%=35.9×65%=23.335 MJ·m-3則該工程日產沼氣總能量E為：

E=q×V=23.335×700×104/365=44.75×104MJ·d-1

根據相關文獻[31]可知此沼氣工程發電機的余熱回收效率為沼氣總能量的42%，則該沼氣工程年可回收熱量值Q余為：

Q余=E×42%=44.75×104×42%=18.80×104MJ·d-1

4.2.2 厭氧發酵系統熱量需求分析

厭氧發酵系統熱量需求包括發酵罐的保溫和進料增溫所需的熱量。根據公式(7)～(9)進行計算。其中：發酵罐的發酵溫度T0為38℃；環境溫度Ti和進料溫度Ts采用項目所在地北京的溫度，℃；發酵罐頂部和側壁的保溫層厚度bi取300 mm；發酵罐底基礎為鋼筋混凝土，厚度bi取700 mm；發酵罐保溫材料聚苯乙烯的導熱率λi為0.042 W·m-1℃，鋼筋混凝土的熱導率λi為1.3 W·m-1℃。計算結果如表1所示。從結果可以看出，發電余熱除滿足厭氧發酵系統正常運行所需的熱量外還有剩余。即Q余≥Q。

表1 厭氧發酵系統熱量需求表

4.2.3 沼液蒸發需要的熱量分析

單位體積沼液蒸發所需的能量計算，需要首先確定一個蒸發比，不同的蒸發比所需的蒸發熱量不同。從公式(10)～(12)，可以看出沼液的△H和△H2與蒸發比成線性關系。△H1與蒸發比無關。由于沼液中含有的物質較復雜，蒸發比過大會造成蒸發器的結垢現象顯著，故接下來的計算采用蒸發比為90%，濃縮倍數為10。此時蒸發單位沼液所需能量H90%為2328 MJ·t-1。蒸發熱量回收率k1取90%，則蒸發過程的實際消耗熱量Qc為232.8 MJ·t-1。回收的發電余熱在扣除用于厭氧發酵系統的熱量后的剩余值如表1所示，則實際可蒸發的沼液量V實際可由公式(22)計算得到。

V實際=(Q余-Q)/H90%

(22)

不同月份的每日實際可蒸發量V實際如表2所示。設△= V實際- V。從表中可以看出所有月份的△均大于零，說明剩余發電余熱可滿足全部沼液蒸發的需要(蒸發比90%時)，且存在剩余熱量Q其它。剩余的這部分熱量可以用于雞舍的夏季制冷、冬季的保溫或蔬菜大棚的保溫等。

表2 沼液蒸發熱量需求表(蒸發比90%)

對于德青源這樣的大型沼氣工程而言，沼氣發電余熱量大，沼氣工程可以實現能量的自給自足。發電余熱除滿足自身保溫外還能用于其它用途。圖9是沼氣發電和余熱利用的流程圖。沼液利用發電余熱蒸發后產生的蒸餾出水可以回收利用，蒸餾濃縮液在進行相關營養物質調配后可作為有機液肥出售，可增加系統的經濟效益。剩余的發電余熱可用于雞舍調溫和蔬菜大棚供暖。

此外，以上計算未考慮沼液在作物施肥期的農田直接利用。若將這部分沼液扣除，則沼液蒸發所需能量將進一步降低，發電余熱的剩余量Q其它將會進一步增加。

5 沼液蒸發濃縮的意義

如果沼液不經過濃縮直接作為肥料施于農田，由于受到作物施肥期的限制，需要大量的存儲空間。

注：實線表示物質流，虛線表示能量流圖9 以發電為主的大型沼氣工程余熱利用流程圖

假設附近的果園和農田每年施肥次數一定且施肥的間隔時間不變，每次施肥期均為1個月。則當每年施肥次數分別為2，3，4次時，沼液的平均存儲周期分別為6個月，4個月，3個月。沼液的剩余量即沼液池的實際沼液存儲量最高分別為7.1×104t，4.3×104t，2.9×104t，需要占有大量的存儲空間。另外，沼液儲存池需設置一定的安全系數，其實際需要占據更大的空間。目前該工程的沼液儲存池體積為5×104m3。實際工程中，沼液儲存池大多為無蓋設計，而沼液中含有高濃度的氨氮以及甲烷和硫化氫等會在存儲過程中散逸到大氣中，污染空氣[11]；甲烷是溫室氣體，同時，硫化氫和氨具有刺激性氣味，還會危害人類的健康。同時氨的外溢也會降低沼液的肥效。

若利用發電余熱將沼液進行濃縮，不但可以避免沼液對空氣的污染、減小存儲池的基建投資，還能避免沼液肥效的降低。同時，沼液的濃縮減小了沼液的體積，濃縮沼液中的營養物質含量得到了提高，便于沼液的運輸和銷售，可為沼氣工程增加一部分收入。

經過上述分析計算可知，發電余熱的熱量完全可以滿足沼液蒸發的熱量需求，但實際上由于在一定時期，即農作物施肥期，沼液可以不經過濃縮，直接經管道輸送到附近農田。假設附近的果園和農田每年施肥次數分別為2，3，4次時，需要濃縮的沼液實際分別為10個月，9個月，8個月的沼液。此時沼液的剩余量最高分別為0.71×104t，0.43×104t，0.29×104t。與沼液濃縮前相比，沼液池的體積可縮小90%，大大減小了沼液儲存池的占地面積。綜上所述，沼液蒸發濃縮不但可以解決沼液儲存的問題還能為沼氣工程提供一定的經濟效益，可促進沼氣工程的可持續發展。

6 結論

本文對熱電聯產沼氣工程的能量供求情況進行了分析，分析了5種不同的熱量供求模式。以德青源大型沼氣工程為實例進行了計算分析，結果發現該沼氣工程的發電余熱可滿足第5種熱量供求模式，即余熱不但可以滿足厭氧發酵系統的熱量需求，還可以滿足將全部沼液進行濃縮所需的熱量，同時還有熱量剩余。這部分剩余熱量可用于其它用途，如雞舍調溫和大棚保溫等。分析結果顯示，采用沼液蒸發濃縮技術對于德青源沼氣工程是可行的。同時，沼液的蒸發濃縮還可以減少沼液儲存池的體積，減少沼液存儲過程中氨氮揮發對環境的污染。此外，沼液經蒸發后的濃縮液便于運輸和銷售，可增加沼氣工程的經濟效益。可見沼液的蒸發濃縮對沼氣工程的持續發展具有重要意義。