寒区沼气工程增温保温方式经济效益估算

史风梅，裴占江，王粟，李鹏飞，于秋月，赵跃坤，刘杰

（1.黑龙江省农业科学院黑龙江省黑土保护利用研究院，黑龙 江哈尔滨 150086；2.黑龙江省农业科学院农业部种养循环重点实验室，黑龙 江哈尔滨 150086；3.黑龙江省农业科学院黑龙江省秸秆能源化重点实验室，黑龙 江哈尔滨 150086；4.黑龙江省农业科学院成果产业处，黑龙 江哈尔滨 150086）

0 引言

黑龙江是农业大省，每年产生约1亿t的农作物秸秆和禽畜粪污，给当地环境和经济发展带来了巨大压力[1]。厌氧发酵被认为是处理有机废弃物最为常用和有效的技术[2]。厌氧发酵是一个非常复杂的生物化学过程，受温度、pH值、C/N和有机负荷等参数的影响，其中，温度是影响厌氧消化运行效率和微生物活性的重要因素之一[3]，[4]。有研究表明，厌氧发酵温度越高，产气效率就越高，体系的启动速度就越快[4]，[5]。当发酵温度低于10℃或温度波动超过2～3℃时，厌氧发酵会受到抑制，造成不可逆的影响[6]，[7]。因此，寒区的沼气工程需要采取适当的增温保温措施，以保证其在低温环境中亦能持续稳定运行。

建设较早或小型的沼气工程一般采用单一能源（如沼气或其他可再生能源）直接燃烧产生的热能或发电余热来满足沼气工程的需要[7]。而新建或大型沼气工程则常采用沼气发电/热、生物质能发电/热、太阳能、空气源热泵、地源热泵等多种热源互补的加热模式[8]，[9]。除加热措施外，还需在反应器外敷设导热系数小的保温材料，将沼气工程建设在温室或冻土层以下，以达到降低沼气工程热损失，减少加热所消耗的能量的目的。在我国，沼气工程上常用的保温材料有挤塑聚苯板（XPS）、聚氯乙烯（PVC）、橡塑海绵、聚氨酯等[3]，[10]；常见的增温热源有沼气锅炉、沼气发电余热、太阳能、生物质锅炉等[3]，[11]。

鉴于黑龙江省冬季漫长寒冷，气温较低，使得厌氧发酵体系的内外温差较大，在无增温保温措施时，反应体系的温度会降低或波动过大，导致沼气工程的产气效率和持续稳定运行受到影响[6]。因此，在黑龙江省的沼气工程中敷设保温材料和配备加热设施是十分重要的。目前，对保温层厚度的计算和升温措施的经济评价大都基于中温厌氧发酵，鲜有针对低温运行情况的报道[12]，[13]。因此，在最适经济运行温度的基础上，本文以位于哈尔滨的沼气工程为例，计算了几种保温材料的厚度；在此基础上对沼气热水锅炉、生物质热水锅炉、太阳能和沼气发电余热回收等几种增温方式进行了经济评价。研究结果可为寒区沼气工程保温材料选择、保温层厚度计算及增温措施选择提供计算方法和选择依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文涉及到的沼气工程运行参数，如最适经济运行温度（TD）、水力停留时间（HRT）和猪粪水总固体浓度（TS）的具体数值分别为20.6℃，15 d和7%，此时容积产气率为0.615 m3/（m3·d）。

根据某一实际工程模拟厌氧反应器如下：厌氧反应罐总容积为2 826 m3（高径比为1∶1，表面积和容积比为0.43），其中罐高18 m，液面高14 m，椎体高度为3 m，底面直径为15 m，罐底、罐顶和侧面的面积分别为176.63，190.23，659.4 m2。罐顶和罐体的材质分别为6 mm和8 mm厚的钢板，底部地基为70 mm厚的钢筋混凝土，保温层由0.5 mm厚的彩钢进行防护。厌氧反应罐的具体尺寸如图1所示。

图1 厌氧反应罐尺寸图Fig.1 Diagram of the anaerobic reactor

1.2 计算方法

1.2.1 保温层厚度计算

沼气工程厌氧发酵罐的罐顶、罐壁和罐底的传热系数允许值分别为0.8，0.7，0.52 W/（m2·℃）[3]，将其代入复合传热系数K的计算式[式（1）]，可计算出发酵罐各部分保温层的厚度，取其中最大值作为该种保温材料的厚度。

1.2.3 增温措施的经济性评估

首先根据厌氧发酵罐的日产气量和沼气工程所处地区的日最低温度确定沼气锅炉和生物质热水锅炉的出力值、沼气发电机组的装机容量以及太阳能集热板的面积；然后根据市场价格得到加热系统的资金投入情况，利用费用年值法对各种增温方式进行经济性评估；最后结合年收入和燃料年投入等情况综合评估加热方式的经济性[14]。

①沼气锅炉加热

假定加热沼气工程所用的沼气体积为V1，则沼气锅炉可提供的热量Q0为

式中：JT为倾斜辐射量，取8.96 MJ；ηs为集热器的日平均集热效率，取0.55；ηL为管路及热水箱的损失效率，取0.2；f为太阳能保证率，取1.0；Q0为日供热量，MJ。

本文采用真空管集热器，方位角为0°（朝向正南），偏重于冬季使用，倾角取为40°，补偿比为99%，则最终的集热面积Se=S/0.99。

③沼气发电余热利用加热

沼气发电装机容量P的计算式为

④生物质常压热水锅炉加热

生物质常压热水锅炉的选型与生物质沼气锅炉类似，在此不再赘述。

⑤费用年值法

费用年值AC的计算式为

式中：PC为费用现值，元；n为加热系统的使用年限，a；i为年利率，取为10%。

2 结果与分析

2.1 保温层厚度

沼气工程要求厌氧发酵罐的顶部、侧壁和底部的传热系数允许值分别为0.8，0.7，0.52 W/（m2·℃），将其代入式（1）可计算出发酵罐各部分保温层的厚度（图2）。取其中最大值作为对应保温材料的厚度，则XPS、橡塑海绵、PVC和聚氨酯的理论厚度分别为35.6，43.2，216.0，25.4 mm，经1.5系数[3]修正并参考市场上保温材料的规格，其应用的厚度分别为50，60，300，40 mm。如果采用PVC进行保温，为保证保温效果，应根据厌氧反应罐的尺寸进行裁剪，采用同层错缝搭接，搭接长度须大于50 mm，内外分层错缝敷设；若采用另外几种保温材料，则无需分层敷设，只需要同层搭接即可。保温层均需从下往上安装，绑扎固定材料为镀锌铁丝、包装带或50～80 mm宽的扁钢。保温材料与反应器和保温层之间的空隙用聚氨酯发泡材料进行填充。已知哈尔滨的日最低温度为-37.7℃，厌氧反应器的发酵温度为20.6℃，水力停留时间为15 d，容积产气率为0.615 m3/（m3·d），则根据式（1），（4）和（5）可得到日最大温降与保温层厚度的关系如图3所示。由图3可知，保温材料可以降低厌氧发酵罐的热量损失，尤其是保温层比较薄的时候，保温材料的保温效果尤为显著。以PVC为例，当厌氧发酵罐的保温层厚度为0和10 mm时，厌氧发酵罐的日最大温降分别为2.64℃和1.86℃，温降的变化速率为-0.078℃/mm；当保温层厚度为150 mm和160 mm时，厌氧发酵罐的日最大温降分别为0.385℃和0.365℃，温降的变化速率为-0.002℃/mm。因此，随着保温材料厚度的增加，其保温效果降低且经济投入相应增加。为了减少温度波动对厌氧发酵罐的影响，该沼气工程要求最大温度波动小于0.5℃/d。据图3可知，当日最大温降为0.5℃时，XPS、橡塑海绵、PVC和聚氨酯的厚度分别为21.62，26.25，108.10，15.44 mm。因此，当XPS、橡塑海绵、PVC和聚氨酯的厚度分别为50，60，300，40 mm时，该厌氧发酵罐的最大温度波动小于0.5℃/d。此时，厌氧发酵罐的最大散热量分别为为2.61×106，3.31×106，2.22×106，2.36×106kJ/d，无加热时的最大温降可达到0.25，0.32，0.21，0.23℃/d。

图2 传热系数与保温层厚度之间的关系Fig.2 The relationship between heat transfer coefficient and insulation layer thickness

图3 日最大温降与保温层厚度之间的关系Fig.3 The relationship betweenΔTmax and thickness of insulation layer

沼气工程实践证明，钢筋混凝土材质的厌氧反应器的使用寿命大于20 a，钢板卷制的厌氧发酵罐的使用寿命为20 a。文中涉及到的几种保温材料的使用寿命均比厌氧发酵罐的长。因此，根据保温材料的工程用量及市场价格就可计算出在保温方面的资金投入。保温材料的市场价格、使用寿命和使用量等见表1。由表1可知，与橡塑海绵、PVC和聚氨酯相比，以XPS为保温材料时，厌氧发酵罐的资金投入是最少的。

表1 保温材料的费用Table 1 The cost of several insulation materials

2.2 产能与耗能计算

已知厌氧发酵罐的发酵温度为20.6℃，水力停留时间为15 d、容积产气率为0.615 m3/（m3·d），XPS保温层厚度为50 mm，结合该沼气工程的环境温度和新鲜料液温度，可得到沼气工程的能量平衡计算结果（表2）。由表2可知，该沼气工程的耗能约为3.08×109kJ/a，其中发酵罐散热约为2.59×108kJ/a，加热原料耗能约为2.82×109kJ/a，产能约为1.33×109kJ/a。沼气工程的耗能约为产能的23.1%，原料加热的耗能约为总耗能的91.6%。

根据工程所在地的最低温度为-37.7℃，得到厌氧发酵罐的日最大耗能约为1.68×107kJ，其中发酵罐散热约为2.61×106kJ，原料加热耗能约为1.42×107kJ，原料加热耗能为总耗能的84.52%，发酵罐的散热损失为总耗能的15.48%。厌氧发酵罐每日产能约为3.65×107kJ，耗能约为产能的46.13%。

2.3 大中型沼气工程不同加热方式的经济效益分析

由于温度对沼气工程的运行稳定性和产气效率影响较大，为维持沼气工程的稳定、高效运行，需要采取适当的增温和保温措施来减少厌氧发酵温度的波动。通过上文的产能与耗能计算结果可知，发酵罐散热占总热能损耗的15%左右，仅依靠保温措施不能保证其稳定运行，还需配套使用经济、适用和可靠的加热增温措施。目前，沼气工程上常用的增温措施有沼气锅炉加热、生物质锅炉加热、沼气发电余热回收和太阳能加热等。因此，本文基于日最大需热量来选择加热装置型号，根据年需热量、年散热量和年产能等计算燃料投入和收入，并对加热方式进行经济性评价。

2.3.1 设备选型及经济核算

①沼气锅炉加热

由式（6）可知，厌氧发酵罐每日所产的1 737.99 m3沼气中的1 002.12 m3需要供给沼气锅炉。因此，本工程选用2 t沼气热水锅炉，成本（包括安装费等在内，下同）约为6.00万元。为保证厌氧发酵罐持续稳定运行，每年需要183 540.59 m3的沼气作为沼气锅炉的燃料，按市场价格1.0元/m3计算，需要18.35万元，剩余的450 825.76 m3沼气按照1.0元/m3售出，可收入45.08万元。

②太阳能加热

黑龙江省的太阳能资源比较丰富，可以利用太阳能系统对沼气工程进行加热。本文采用真空管集热器，方位角为0°（朝向正南），偏重于冬季使用，倾角取40°，补偿比为99%，根据式（7）可得到集热面积为4 313.55m2，按市场价格1 000元/m2计算，则太阳能集热器的投资金额约为431.36万元。厌氧发酵罐产生的沼气以市场价出售，可获得63.44万元的收入。

③沼气发电余热利用加热

通过回收沼气发电装置中的余热同样可以加热发酵料液。沼气发电的装机容量P可由式（8）计算得到，发电量Qe可由式（9）计算得到。根据每日沼气产量计算得到与本厌氧发酵罐配套的装机容量为152.07 kW，取160 kW，因此，选用单机功率为80 kW的发电机2台，每台市场价格为11.0万元。因沼气发电的热电效率为30%，所以有70%的产能转化为余热，而余热回收设备的效率为70%～80%，因此，能够回收的热量约为产能的49%～56%，本文取50%，则每天回收的可利用的发电余热为1 737.99×21 000×50%=18 248.90＞16 835.68 MJ，可以满足为厌氧发酵罐的加热需求。2台80 kW的发电机组余热回收装置的成本约为160 kW×500元/kW=8.0万元，则装置总成本为30.00万。每日产生的电量为1 737.99×21 000×0.3/3 600=3 041.48 kW·h/d，按0.75元/（kW·h）的价格出售，则每日售电的收入为2 281.11元，可得发电收入83.260 5万元/a。沼气价格按1.0元/m3算，每日需投入1 737.99元，燃料投入费用则为63.44万元/a。

④生物质锅炉加热

已知生物质锅炉的效率为80%，则燃料需要提供的最大热量为1.68×107/0.8=2.10×107kJ，因此，需要玉米秸秆压块（热值为16 000 kJ/kg）1.32 t或玉米秸秆（干基热值为17 383 kJ/kg）1.211 t，分别需要花费765.4元/d（压块燃料的价格为580元/t）或181.6元/d（玉米秸秆的价格为150元/t）。应安装出力值为6.187 MW的常压热水锅炉以满足厌氧发酵罐的增温要求，选取10 t常压热水锅炉，成本约为42.4万元。

每年该厌氧发酵罐耗能3.08×109kJ，则燃料需要提供3.85×109kJ的热能，需要玉米秸秆压块240.90 t，需要花费13.97万元/a，或玉米秸秆221.73 t，则需要花费3.33万元/a。厌氧发酵罐生产的沼气以市场价出售，可收入63.44万元。

⑤热水循环泵加热

上述加热方式均采用热水循环加热法，虽然热源不同，但采用的动力设备及加热管线是一样的，故每种加热方式的年运行费用相同。设定热水循环泵每天24 h运行，进出水温差为20～30℃。根据中国建筑设计研究院编写的《建筑给排水设计手册》（第2册）中给出的方法，可计算出出水温差为20℃时热水循环泵的流量为1.68×107/（4.19×20×24×3 600）=2.33 L/s。因此，可以选用功率为3 kW的热水循环泵2台（一台备用），水泵价格为5 000元/台，两台共计1.0万元。

2台3 kW的热水循环泵每天消耗72 kW·h的电量，年耗电26 280 kW·h，电价按0.5元/（kW·h）计，每年电费为13 140元，热水循环泵的年维护费按1 000元/a计，则文中涉及到的几种加热方式的运行费用均为1.414万元/a。

2.3.2 经济性评价

对沼气锅炉加热、沼气发电余热利用、太阳能加热和生物质锅炉加热等加热方式采用费用年值法和综合法进行经济性评价，评价结果见表3。

表3 不同加热方式的经济性评价Table 3 The economic evaluation of different heating modes

由表3可知，沼气锅炉加热方式的费用年值明显比其余4种的低。如果再考虑燃料投入和能源（沼气或电能）出售得到的收入，则生物质锅炉（打捆直燃）的经济性最高，其次是生物质锅炉（成型燃料），然后是沼气锅炉，再就是沼气发电余热回收，太阳能加热最不经济。鉴于黑龙江省是农业大省，秸秆资源量比较丰富，秸秆焚烧会给环境带来巨大压力，所以采用生物质锅炉（秸秆打捆直燃）作为升温热源，即可提高秸秆的利用率，减少环境污染，又可减少企业的经济投入，有利于沼气企业及行业的可持续发展。

3 结论

在最适经济运行温度为20.6℃，容积产气率为0.615 L/（L·d）和哈尔滨日最低温度为-37.7℃的基础上，由式（1）计算得到XPS、橡塑海绵、PVC和聚氨酯的理论厚度分别为35.6，43.2，216.0，25.4 mm，经1.5系数修正后，实际工程中应用的厚度分别为50，60，300，40 mm。XPS作为保温材料是最经济的，应用50 mm厚的XPS板可以保证容积为2 826 m3的厌氧发酵罐（高径比为1∶1，表面积和容积比为0.43）在水力停留时间为15 d，无外部加热时的最大温降为0.25℃/d。

在沼气工程采用50 mm厚XPS进行保温的基础上，综合评价了沼气锅炉加热、生物质锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热回收等增温方式的经济性，结果表明，采用秸秆打捆直燃的生物质锅炉供暖方式最经济，其费用年值为8.48万元，沼气出售年收入63.44万元，燃料费用为3.33万元/a。