水产养殖废水余热回收利用技术的研究

姜衍礼，董信林，崔从明

（山东中天羲和环境科技股份有限公司，山东 威海 264200）

水产养殖业在我国经济社会发展中的地位和作用日益凸显，2010 年，全国水产养殖产量已达到5 800 万t，占全国水池总产量的77%。进入21 世纪，从“养捕兼举”到“以养为主”的渔业发展方针促进了我国水产养殖业朝着多品种、多模式、工厂化和集约化方向快速发展，确立了世界第一水产养殖大国的地位。

目前水产养殖所采用的方式有网箱养殖和陆基工厂化养殖，其中陆基工厂化养殖是主要养殖方式，陆基工厂化养殖一部分采用循环水养殖，但大多数是采用流水式或半流水式的养殖方式。这种方式存在能耗巨大，能量浪费严重的问题。养殖水量巨大，传统工艺是采用开放式加热和降温系统，养殖水随加随排，能量浪费严重，同时要花费大量成本。

1 水产养殖控温现状分析

不同品种的水产品对水温要求是不同的，海参育苗要求水温在16～23 ℃，海水鱼（如大菱鲆）养殖一般要求水温在12～20 ℃，虾类、贝类养殖要求水温在22～25 ℃。每年11 月至来年5 月是海水育苗季节，育苗地区主要集中在山东半岛和辽东半岛，而此时近海水温为0～10 ℃，因此需要给海水升温；海水育苗一般都采用开放式流水方式，有大量废水排放，因此传统室内水产养殖不但耗能大，而且能源浪费严重[1]。

传统的加热方案主要是采用燃煤、燃气锅炉和地热井换热，这些做法存在如下三个问题：

一是采用燃煤锅炉造价和运行费用虽然较低，但引起严重的大气污染，不符合国家节能减排的基本国策，不符合循环经济的政策，属于国家限制取缔的能源方式[2]。

二是采用燃气锅炉存在气源问题，一般养殖场位置较偏，天然气管网无法配套；还存在安全问题。

三是采用地热井换热的方式，并不是每个养殖地区都具有地热资源，一般钻井深度在2 000 m 以内、出水温度在60 ℃以上的地热井水才有开采价值。地热也属于国家资源，有严格的审批手续，而且地热水中含硫化物较高，具有一定腐蚀性，不能直排，需要回灌，目前回灌技术有一定难度，只掌握在几个较大的地热供热公司手中。所以水产养殖不适合采用地热换热的方式，东营、天津等地去年已明文禁止使用地热井取水。

2 水产养殖废水余热回收技术应用

水产养殖会排放大量废水，废水余热回收是一个必须重视的节能方式。对于工厂化循环水养殖废水，排放量控制在5%～10%，一般不必考虑废热回收。但废水量达到20%以上的海水育苗和养虾系统就具有一定回收价值。

废水换热的核心设备就是换热器和热泵，通常我们应用的换热器有板式换热器、管壳式换热器、流道式换热器等。

换热器的选择要根据废水水质情况，对于含均匀颗粒物，粒径较小的水质，可采用板式换热器；对于含油腻容易附着的水质，应采用管壳式换热器；对于含絮状物，粒径较大的水质，应采用流道式换热器。

废水余热回收一般采用多级进行，第一级采用换热器预热，第二级采用水源热泵提温，第三级采用空气源热泵补温。

3 经济性分析及环保性比较

水产养殖废水余热回收系统，节能、环保和高效，可以完全替代传统锅炉，有效解决水产养殖控温环节存在的问题。现以实际工程为例，进行经济性分析和环保性比较[2]。

3.1 工程概况

实例工程为山东威海市某水产种业繁育基地，建筑面积6 000 m2，养殖池水体3 000 m3。每天需要补充新鲜海水1 500 m3，温度28 ℃，冬季养殖排放废水温度25 ℃，海水最低温度按2 ℃计算。

3.2 热量负荷计算

冬季加温热负荷

加热热负荷=建筑保温耗热量+补充加热新水耗热量。

式中：Q1为建筑保温耗热量，kW；C 为水比热容，4.19 kJ/（kg·℃）；M1为养殖水体的质量流量，按24 h 流量计取，即3.0×106kg÷24 h÷3600 s=34.7 kg/s；△T 为每天水体降温温差，按2 ℃计取。

代入数据计算得Q1=291 kW

式中：Q2为补充新水加热负荷，kW；C 为水比热容，4.19kJ/（kg·℃）；m 为加热补水的质量流量，按24 小时流量，即1.50×106kg÷24 h÷3600 s=17.36 kg/s；Tr为制取海水温度，28 ℃；Tj为基础海水计算温度2 ℃。

代入数据计算得热水负荷Qh＝1 890 kW

养殖池海水加热总负荷：Q=Q1+Q2=291+1890=2181 kW

3.3 系统原理

养殖废水余热回收系统原理见图1。

3.4 设备选型热量计算

该项目系统流程为：养殖废水通过废水管道流入废水池内，废水池内设废水潜水泵抽取废水，经废水过滤器过滤掉大的杂质，进入废水换热器一次侧，和换热循环泵抽取新水池进入废水换热器二次侧的新水换热，然后废水进入水源热泵水源侧换热后排走；新水经除砂过滤器后进到新水池，通过换热循环泵进到废水换热器一级换热后进到水源热泵提温后回到新水池，温度不足通过补温循环泵抽取新水池新水进入空气源热泵补温后回到新水池；新水池供到各养殖池新水，溢出养殖废水通过废水管道流入废水池内。如此循环往复。

3.4.1 换热器热能计算 该项目一级换热采用钛板换热器，一次侧废水进水25 ℃，出水10 ℃；二次侧海水进水2 ℃，热量计算如下：

式中：Q3为换热器一次侧换热量，kW；C 为水比热容，4.19 kJ/(kg·℃)；M3为废水水体的质量流量，按20小时流量，即1.50×106kg÷20 h÷3 600 s=20.83 kg/s；Tg为废水进水温度，25℃；Th为废水出水温度，10 ℃。

代入数据计算得Q1=1 396 kW

式中：Q3为换热器一次侧换热量，kW；C 为水比热容，4.19 kJ/（kg·℃）；M3为补充水体的质量流量，kg/s；Ty为海水进水温度，2 ℃；90%为换热器换热效率。

代入数据计算得Tc=15.5 kW

3.4.2 水源热泵热能计算 二级换热采用水源热泵，水源侧废水进水10 ℃，出水4 ℃。

式中：Q4为水源热泵水源侧换热量，kW；C 为水比热容，4.19 kJ/（kg·℃）；M3为废水水体的质量流量，kg/s；Th为废水进水温度，10 ℃；T4为废水出水温度，4 ℃。

代入数据计算得Q1=558 kW

式中：Q4为水源热泵水源侧换热量，kW；C 为水比热容，4.19 kJ/（kg·℃）；M3为补充水体的质量流量，kg/s；Tc为海水进水温度，15.5 ℃；1.2 为热泵制热效率。

代入数据计算得Tc=22.7 ℃

在海水最低温度2 ℃时，系统制热温度22.7 ℃，差5.3 ℃采用空气源热泵补充加热到28 ℃。

3.4.3 空气源热泵热能计算 三级换热采用空气源热泵，进水22.7 ℃，出水28 ℃。

式中：Q5为空气源热泵制热量，kW；C 为水比热容，4.19 kJ/（kg·℃）；M4为水体的质量流量，kg/s；T5为出水温度，28 ℃；Tc为废水出水温度，22.7 ℃。

代入数据计算得Q1=493 kW

3.5 经济性分析

3.5.1 初投资费用估算 根据计算所得设备负荷，系统配置钛板换热器2 台，海水源热泵海水机组2台，空气源热泵10 台，具体参数和造价见表1。

表1 系统主要设备造价表

使用燃煤锅炉制热单位体积投资为400 元/m3，本项目3 000 m3水体采用锅炉系统总投资约为120万元，不考虑降温设备投入，采用废水余热回收热泵比燃煤锅炉需增加投资63 万元，造价增加52.5%。

3.5.2 运行费用分析 每天加热海水热量为：2 181 kW×24 h×3 600 s=1.88×108kJ

燃煤锅炉和热泵机组需要燃料、燃烧效率、热值、价格等（以威海地区为例）如表2 所示。

表2 燃煤锅炉及热泵机组相关数据

上述热量完全由燃煤锅炉提供能源费用计算如下：

每天耗煤量为：

1.88 ×108÷（29 260×65%）＝9 885（kg）

每天燃煤费用：9 885×0.7＝6 920（元）

每年使用时间为11 月至来年4 月合计150天，能耗系数按75%计算。

每年耗煤量为：6 920×150×75%=779（t）

每年耗煤费为：779×800=62.32（万元）

采用废水余热回收利用系统年运行费用Cr主要为系统热泵机组和水泵的运行费用，即单位电价乘以系统年度总耗电量：

式中Cε1为电价，招远地区为0.64 元/（kW·h）；为系统年度总耗电量，kW·h。

用电设备功率合计（水泵均为两用一备）：98.9 kW×2 台+19.8 kW×5 台+7.5 kW×2×2 台+11 kW×2 台=348.8（kw）

每天耗电量为：348.8×24=8371.2（kW·h）

每天电费为：8 371.2×0.64＝5 358（元）

每年耗电量为：8 371.2×150×75%=94（万kW·h）

每年电费为：5 358×150×75%=60.28（万元）

用电设备每年需耗煤：

121×3 600÷29 260÷0.80（热电效率）＝18.61（t）

采用废水余热回收利用系统每年节省费用与燃煤锅炉制热比较基本持平，但用煤可节省：779-18.61=760 t。

3.6 环保性比较

按统计数据，燃烧1 吨标准煤会向大气排放CO22.62 t，SO28.5 kg，NOX7.4 kg。该项目采用废水余热回收利用系统每年可节省煤炭760 t，每年可减排CO2高达1 991 t，SO2减排6 460 kg，NOX减排5 624 kg[3]。

可见，通过热泵来减少CO2及其他大气污染物的效果十分明显，不仅可以大大减少治污所需的费用，同时对环境的保护具有重大的意义。

4 结论

采用废水余热回收利用技术用于水产养殖系统，虽然造价增加52.5%，制热运行费用基本持平，但从环保方面看，废水余热回收利用系统可减少燃煤锅炉燃烧所产生的CO2、SO2、NOx及烟尘等各污染物。

考虑到废水余热回收利用系统还可以一机两用，具有制冷功能，还能节省高大的锅炉房，优势更加明显。

采用废水余热回收利用系统，是替代传统燃煤锅炉的最佳方案，具有重要的节能、环保及经济价值，经济效益和社会效益非常显著，符合目前我国节能、环保的基本政策和国民经济可持续发展要求。