水產養殖廢水余熱回收利用技術的研究

姜衍禮，董信林，崔從明

（山東中天羲和環境科技股份有限公司，山東 威海 264200）

水產養殖業在我國經濟社會發展中的地位和作用日益凸顯，2010 年，全國水產養殖產量已達到5 800 萬t，占全國水池總產量的77%。進入21 世紀，從“養捕兼舉”到“以養為主”的漁業發展方針促進了我國水產養殖業朝著多品種、多模式、工廠化和集約化方向快速發展，確立了世界第一水產養殖大國的地位。

目前水產養殖所采用的方式有網箱養殖和陸基工廠化養殖，其中陸基工廠化養殖是主要養殖方式，陸基工廠化養殖一部分采用循環水養殖，但大多數是采用流水式或半流水式的養殖方式。這種方式存在能耗巨大，能量浪費嚴重的問題。養殖水量巨大，傳統工藝是采用開放式加熱和降溫系統，養殖水隨加隨排，能量浪費嚴重，同時要花費大量成本。

1 水產養殖控溫現狀分析

不同品種的水產品對水溫要求是不同的，海參育苗要求水溫在16～23 ℃，海水魚（如大菱鲆）養殖一般要求水溫在12～20 ℃，蝦類、貝類養殖要求水溫在22～25 ℃。每年11 月至來年5 月是海水育苗季節，育苗地區主要集中在山東半島和遼東半島，而此時近海水溫為0～10 ℃，因此需要給海水升溫；海水育苗一般都采用開放式流水方式，有大量廢水排放，因此傳統室內水產養殖不但耗能大，而且能源浪費嚴重[1]。

傳統的加熱方案主要是采用燃煤、燃氣鍋爐和地熱井換熱，這些做法存在如下三個問題：

一是采用燃煤鍋爐造價和運行費用雖然較低，但引起嚴重的大氣污染，不符合國家節能減排的基本國策，不符合循環經濟的政策，屬于國家限制取締的能源方式[2]。

二是采用燃氣鍋爐存在氣源問題，一般養殖場位置較偏，天然氣管網無法配套；還存在安全問題。

三是采用地熱井換熱的方式，并不是每個養殖地區都具有地熱資源，一般鉆井深度在2 000 m 以內、出水溫度在60 ℃以上的地熱井水才有開采價值。地熱也屬于國家資源，有嚴格的審批手續，而且地熱水中含硫化物較高，具有一定腐蝕性，不能直排，需要回灌，目前回灌技術有一定難度，只掌握在幾個較大的地熱供熱公司手中。所以水產養殖不適合采用地熱換熱的方式，東營、天津等地去年已明文禁止使用地熱井取水。

2 水產養殖廢水余熱回收技術應用

水產養殖會排放大量廢水，廢水余熱回收是一個必須重視的節能方式。對于工廠化循環水養殖廢水，排放量控制在5%～10%，一般不必考慮廢熱回收。但廢水量達到20%以上的海水育苗和養蝦系統就具有一定回收價值。

廢水換熱的核心設備就是換熱器和熱泵，通常我們應用的換熱器有板式換熱器、管殼式換熱器、流道式換熱器等。

換熱器的選擇要根據廢水水質情況，對于含均勻顆粒物，粒徑較小的水質，可采用板式換熱器；對于含油膩容易附著的水質，應采用管殼式換熱器；對于含絮狀物，粒徑較大的水質，應采用流道式換熱器。

廢水余熱回收一般采用多級進行，第一級采用換熱器預熱，第二級采用水源熱泵提溫，第三級采用空氣源熱泵補溫。

3 經濟性分析及環保性比較

水產養殖廢水余熱回收系統，節能、環保和高效，可以完全替代傳統鍋爐，有效解決水產養殖控溫環節存在的問題?，F以實際工程為例，進行經濟性分析和環保性比較[2]。

3.1 工程概況

實例工程為山東威海市某水產種業繁育基地，建筑面積6 000 m2，養殖池水體3 000 m3。每天需要補充新鮮海水1 500 m3，溫度28 ℃，冬季養殖排放廢水溫度25 ℃，海水最低溫度按2 ℃計算。

3.2 熱量負荷計算

冬季加溫熱負荷

加熱熱負荷=建筑保溫耗熱量+補充加熱新水耗熱量。

式中：Q1為建筑保溫耗熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M1為養殖水體的質量流量，按24 h 流量計取，即3.0×106kg÷24 h÷3600 s=34.7 kg/s；△T 為每天水體降溫溫差，按2 ℃計取。

代入數據計算得Q1=291 kW

式中：Q2為補充新水加熱負荷，kW；C 為水比熱容，4.19kJ/（kg·℃）；m 為加熱補水的質量流量，按24 小時流量，即1.50×106kg÷24 h÷3600 s=17.36 kg/s；Tr為制取海水溫度，28 ℃；Tj為基礎海水計算溫度2 ℃。

代入數據計算得熱水負荷Qh＝1 890 kW

養殖池海水加熱總負荷：Q=Q1+Q2=291+1890=2181 kW

3.3 系統原理

養殖廢水余熱回收系統原理見圖1。

3.4 設備選型熱量計算

該項目系統流程為：養殖廢水通過廢水管道流入廢水池內，廢水池內設廢水潛水泵抽取廢水，經廢水過濾器過濾掉大的雜質，進入廢水換熱器一次側，和換熱循環泵抽取新水池進入廢水換熱器二次側的新水換熱，然后廢水進入水源熱泵水源側換熱后排走；新水經除砂過濾器后進到新水池，通過換熱循環泵進到廢水換熱器一級換熱后進到水源熱泵提溫后回到新水池，溫度不足通過補溫循環泵抽取新水池新水進入空氣源熱泵補溫后回到新水池；新水池供到各養殖池新水，溢出養殖廢水通過廢水管道流入廢水池內。如此循環往復。

3.4.1 換熱器熱能計算 該項目一級換熱采用鈦板換熱器，一次側廢水進水25 ℃，出水10 ℃；二次側海水進水2 ℃，熱量計算如下：

式中：Q3為換熱器一次側換熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/(kg·℃)；M3為廢水水體的質量流量，按20小時流量，即1.50×106kg÷20 h÷3 600 s=20.83 kg/s；Tg為廢水進水溫度，25℃；Th為廢水出水溫度，10 ℃。

代入數據計算得Q1=1 396 kW

式中：Q3為換熱器一次側換熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M3為補充水體的質量流量，kg/s；Ty為海水進水溫度，2 ℃；90%為換熱器換熱效率。

代入數據計算得Tc=15.5 kW

3.4.2 水源熱泵熱能計算 二級換熱采用水源熱泵，水源側廢水進水10 ℃，出水4 ℃。

式中：Q4為水源熱泵水源側換熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M3為廢水水體的質量流量，kg/s；Th為廢水進水溫度，10 ℃；T4為廢水出水溫度，4 ℃。

代入數據計算得Q1=558 kW

式中：Q4為水源熱泵水源側換熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M3為補充水體的質量流量，kg/s；Tc為海水進水溫度，15.5 ℃；1.2 為熱泵制熱效率。

代入數據計算得Tc=22.7 ℃

在海水最低溫度2 ℃時，系統制熱溫度22.7 ℃，差5.3 ℃采用空氣源熱泵補充加熱到28 ℃。

3.4.3 空氣源熱泵熱能計算 三級換熱采用空氣源熱泵，進水22.7 ℃，出水28 ℃。

式中：Q5為空氣源熱泵制熱量，kW；C 為水比熱容，4.19 kJ/（kg·℃）；M4為水體的質量流量，kg/s；T5為出水溫度，28 ℃；Tc為廢水出水溫度，22.7 ℃。

代入數據計算得Q1=493 kW

3.5 經濟性分析

3.5.1 初投資費用估算 根據計算所得設備負荷，系統配置鈦板換熱器2 臺，海水源熱泵海水機組2臺，空氣源熱泵10 臺，具體參數和造價見表1。

表1 系統主要設備造價表

使用燃煤鍋爐制熱單位體積投資為400 元/m3，本項目3 000 m3水體采用鍋爐系統總投資約為120萬元，不考慮降溫設備投入，采用廢水余熱回收熱泵比燃煤鍋爐需增加投資63 萬元，造價增加52.5%。

3.5.2 運行費用分析 每天加熱海水熱量為：2 181 kW×24 h×3 600 s=1.88×108kJ

燃煤鍋爐和熱泵機組需要燃料、燃燒效率、熱值、價格等（以威海地區為例）如表2 所示。

表2 燃煤鍋爐及熱泵機組相關數據

上述熱量完全由燃煤鍋爐提供能源費用計算如下：

每天耗煤量為：

1.88 ×108÷（29 260×65%）＝9 885（kg）

每天燃煤費用：9 885×0.7＝6 920（元）

每年使用時間為11 月至來年4 月合計150天，能耗系數按75%計算。

每年耗煤量為：6 920×150×75%=779（t）

每年耗煤費為：779×800=62.32（萬元）

采用廢水余熱回收利用系統年運行費用Cr主要為系統熱泵機組和水泵的運行費用，即單位電價乘以系統年度總耗電量：

式中Cε1為電價，招遠地區為0.64 元/（kW·h）；為系統年度總耗電量，kW·h。

用電設備功率合計（水泵均為兩用一備）：98.9 kW×2 臺+19.8 kW×5 臺+7.5 kW×2×2 臺+11 kW×2 臺=348.8（kw）

每天耗電量為：348.8×24=8371.2（kW·h）

每天電費為：8 371.2×0.64＝5 358（元）

每年耗電量為：8 371.2×150×75%=94（萬kW·h）

每年電費為：5 358×150×75%=60.28（萬元）

用電設備每年需耗煤：

121×3 600÷29 260÷0.80（熱電效率）＝18.61（t）

采用廢水余熱回收利用系統每年節省費用與燃煤鍋爐制熱比較基本持平，但用煤可節省：779-18.61=760 t。

3.6 環保性比較

按統計數據，燃燒1 噸標準煤會向大氣排放CO22.62 t，SO28.5 kg，NOX7.4 kg。該項目采用廢水余熱回收利用系統每年可節省煤炭760 t，每年可減排CO2高達1 991 t，SO2減排6 460 kg，NOX減排5 624 kg[3]。

可見，通過熱泵來減少CO2及其他大氣污染物的效果十分明顯，不僅可以大大減少治污所需的費用，同時對環境的保護具有重大的意義。

4 結論

采用廢水余熱回收利用技術用于水產養殖系統，雖然造價增加52.5%，制熱運行費用基本持平，但從環保方面看，廢水余熱回收利用系統可減少燃煤鍋爐燃燒所產生的CO2、SO2、NOx及煙塵等各污染物。

考慮到廢水余熱回收利用系統還可以一機兩用，具有制冷功能，還能節省高大的鍋爐房，優勢更加明顯。

采用廢水余熱回收利用系統，是替代傳統燃煤鍋爐的最佳方案，具有重要的節能、環保及經濟價值，經濟效益和社會效益非常顯著，符合目前我國節能、環保的基本政策和國民經濟可持續發展要求。