卞創(chuàng)賢， 陳晶晶， 陸小華， 王昌松， 王 棟,2

(1.南京工業(yè)大學 材料化學工程國家重點實驗室， 南京 210009； 2.南陽天冠生物天然氣科技有限公司， 河南 南陽 473000)

我國生豬養(yǎng)殖在全球占比最大，畜禽糞污量也最多。對于畜禽糞污，沼氣工程是最常見的處理手段。然而，我國的沼氣工程的效率普遍較低。以江蘇為例，調研發(fā)現(xiàn)與養(yǎng)殖場配套的沼氣工程往往采用常溫發(fā)酵，導致產氣率低，冬天甚至停止產氣[1]。值得關注的是常溫環(huán)境下非洲豬瘟病毒可在糞便中存活11～15天之久[2]，而目前的沼氣工程的運行方式無疑增加了非洲豬瘟傳播的風險。

采用中高溫發(fā)酵，不僅可提高產氣率[3]，也可有效殺死病毒和細菌[4]。為了提高沼液的溫度，目前國內沼氣工程一般采用盤管加熱的形式。但是盤管加熱的方式熱效率低，而且管外側容易結垢，導致加熱效率更差[5]，熱量入不敷出；另一方面，部分沼氣工程采用的冷料直接進罐的方式，會導致發(fā)酵罐內溫度波動大，進而影響發(fā)酵效率。

筆者課題組針對沼液的流變特性[6]，設計出了針對沼液的高效換熱器[7]。本文擬基于此新型沼液換熱器和現(xiàn)行沼氣工程間歇進料的運行模式，以華東地區(qū)氣候為背景，嘗試建立符合沼氣工程運行模式的進料溫度與時間相關的非穩(wěn)態(tài)預熱工藝，以便能讓發(fā)酵罐始終“喝熱水”、進熱料，從而獲得穩(wěn)定的發(fā)酵溫度，實現(xiàn)沼氣工程全年高效運行。

1 非穩(wěn)態(tài)預熱工藝設計

1.1 沼氣工程規(guī)模

根據我國農業(yè)行業(yè)標準NY/T667-2011，本設計選擇典型大小的沼氣工程規(guī)模[1]和運行條件[8]見表1，其中料液進料溫度范圍是依據以江蘇省為代表的華東地區(qū)不同月份的環(huán)境溫度、土壤溫度的變化情況來確定的[9]。

表1 沼氣工程規(guī)模與運行條件

1.2 沼液換熱器基本參數

沼液換熱器屬于套管換熱器，內管為扭曲結構[10]，扭曲管幾何結構及中試裝置如圖1和圖2所示，通過實驗室大量實驗驗證了沼液換熱器的換熱效率。其單根沼液換熱器參數和運行條件見表2。

表2 單根沼液換熱套管參數及最佳運行條件

本文主要基于江蘇省現(xiàn)有沼氣工程的特點華東地區(qū)氣候特征，以及圖1和圖2所示的新型沼液換熱器性能來進行沼液進料中換熱器最優(yōu)匹配的工藝設計。

圖1 沼液換熱器扭曲管結構圖

圖2 沼液換熱器中試實驗裝置示意圖

1.3 預熱工藝

工藝流程圖如圖3所示，從養(yǎng)殖場收集糞污與沖洗廢水，至配料池中進行料液配比，在料液調配過程中對料液進行邊調配邊加溫的預處理，加熱到發(fā)酵溫度的料液通過物料泵泵入發(fā)酵罐進行發(fā)酵，發(fā)酵后得到的沼氣部分輸送給鍋爐進行燃燒供熱。

圖3 沼氣工程料液增溫工藝流程圖

其中沼液換熱系統(tǒng)包括鍋爐，熱水儲水箱，扭曲管換熱器，熱交換循環(huán)泵，料液循環(huán)泵。鍋爐通過沼氣燃燒對冷水進行加熱，加熱至70℃，然后熱水通過熱水泵泵入換熱器，料液通過物料泵進入沼液換熱器與熱水進行熱交換。

由于沼氣工程往往是間歇性進料，因此本文設計的加熱方式為非穩(wěn)態(tài)換熱模式，通過物料泵將沼液在換熱器中循環(huán)加熱，使得沼液從常溫逐步升至35℃。

1.4 系統(tǒng)熱負荷計算

料液加熱預處理過程的熱負荷主要由2個部分組成，料液升溫所需的熱負荷和配料池散熱引起的熱負荷，因此料液預加熱的日平均熱負荷為:

Q=Ql+Qf

(1)

式中:Q為料液加熱預處理過程的熱負荷，MJ；Ql為料液加熱所需的熱量，MJ；Qf為配料池散熱所損失的熱量，MJ。

料液加熱所需熱量是指一定時間內使物料溫度由進料溫度升到適宜發(fā)酵溫度所要補充的熱量，料液加熱預處理所需熱量由公式(2)計算得到:

Ql=m×cp×(t2-t1)

(2)

式中:m為進料量，kg·d-1;cp為進料比熱容，kJ·kg-1℃，按4.18 kJ·kg-1℃計算；t2為料液進入發(fā)酵罐發(fā)酵溫度，℃;t1為料液進入配料池的溫度，℃。

由于多數沼氣工程配料池為水泥池且埋在地下，周圍土壤具有一定的保溫效果，本文配料池散熱所損失的熱量按升溫所需熱量的15%進行計算，此部分可根據實際工程情況改動。配料池散熱所損失的熱量為：

Qf=0.15×Ql

(3)

1.5 日產沼氣量與需求量計算

日產沼氣量采用經驗公式(4)進行計算：

Vc=nr×V

(4)

式中：Vc為日產沼氣量，m3；nr為容積產氣率，m3·m-3d-1；V為厭氧消化罐體積，m3。

料液升溫系統(tǒng)所需要熱量主要來源于沼氣鍋爐燃燒沼氣所提供的熱量，沼氣鍋爐燃燒效率按80%計算，沼氣鍋爐工作消耗沼氣量可用公式(5)計算。

(5)

式中：Vh為鍋爐工作日均消耗沼氣量，m3；ηg為鍋爐燃燒效率，按80%計算。

1.6 非穩(wěn)態(tài)計算模型

由于沼氣工程進料方式為間歇進料，料液入口溫度隨時間的變化而變化，屬于非穩(wěn)態(tài)換熱過程，因此針對料液增溫過程的特點設計一套非穩(wěn)態(tài)換熱模型，以此來得到沼液換熱器所需換熱面積A與換熱時間t之間的耦合關系。確定換熱面積后根據實際情況及要求來確定換熱器使用數量及連接方式。非穩(wěn)態(tài)換熱計算模型見圖4。

圖4 非穩(wěn)態(tài)換熱計算模型

2 結果與討論

2.1 料液增溫系統(tǒng)熱量平衡計算結果

2.1.1 料液增溫系統(tǒng)日均熱負荷

根據華東地區(qū)不同規(guī)模沼氣工程在不同月份的環(huán)境條件[9]和料液進口溫度對該系統(tǒng)日均熱負荷進行計算，結果如圖5所示。從圖中可以看出隨著季節(jié)的變化，1月環(huán)境溫度全年最低，進料溫度低，料液加熱能耗較高。隨著各月平均氣溫的升高，沼氣工程的日均能耗逐漸降低。在7月份平均氣溫最高時，沼氣工程的日均能耗降到最低。

圖5 不同規(guī)模沼氣工程不同月份日均耗熱量

2.1.2 沼氣鍋爐燃燒耗氣量

圖6為不同規(guī)模沼氣工程料液增溫過程中沼氣鍋爐燃燒耗氣量計算結果。從圖中可以看出冬季1月份進料溫度最低時沼氣鍋爐燃燒耗氣量為最高，1000 m3沼氣工程的日均耗氣量為377 m3，50 m3沼氣工程的日均耗氣量19 m3。夏季7月份環(huán)境溫度為全年最高，料液初始溫度較高，預熱過程所需熱量較少，日均耗氣量為全年最低，1000 m3沼氣工程的日均耗氣量為153.9 m3，50 m3沼氣工程的日均耗氣量約7 m3。

圖6 不同規(guī)模沼氣工程鍋爐燃燒耗氣量

2.2 料液增溫過程耗氣量占比分析

根據不同規(guī)模沼氣工程在不同容積產氣率下日均沼氣產量和每天料液增溫預熱所需沼氣量，得到每天沼氣耗氣量占比，如圖7所示。由計算結果可知，冬季環(huán)境溫度低，料液初始溫度低，料液增溫所需沼氣較高，沼氣耗氣量占比達到峰值。隨著季節(jié)的變化，環(huán)境溫度不斷升高，夏季環(huán)境溫度達到全年最高，料液初始溫度在25℃左右，此時沼氣消耗量較小，沼氣耗氣量占比小，約為15%～35%，所以此換熱系統(tǒng)主要使用于春秋冬3季。

盡管根據熱力學第一定律的計算可知(見圖7)，在華東地區(qū)，對于不同規(guī)模的沼氣工程，在容積產氣率為0.5 m3·m-3d-1時，也能滿足進料熱量所需。但需要注意的是當容積產氣率為0.5 m3·m-3d-1時，在冬季近80%的沼氣將被用來系統(tǒng)增溫，這對于進料增溫工藝是不利的，因此系統(tǒng)的保溫，進料的配比等因素對于沼氣工程的正常運行也至關重要。

圖7 沼氣工程日均耗氣量占比

2.3 料液增溫系統(tǒng)運行時間分析

通過對江蘇地區(qū)沼氣工程發(fā)展情況調研結果[1]來看，江蘇省沼氣工程大部分都屬于環(huán)保型沼氣工程，規(guī)模多為50～300 m3，少數為1000 m3。以300 m3沼氣工程為例，根據非穩(wěn)態(tài)換熱計算模型通過改變換熱系統(tǒng)所需換熱器數量及連接方式對沼液系統(tǒng)運行時間進行計算，計算結果見圖8。

從圖8中可看出，換熱套管數量為4根時，沼液換熱系統(tǒng)運行時間明顯大于其他兩種方案，配料時間過長，不利于生產；當為8根時，加熱時間縮短了近一半，但設備投資會增加。而為6根時，配料時間為4～6 h，與配料攪拌時間一致。

圖8 300 m3沼液換熱系統(tǒng)運行時間

進一步對比發(fā)現(xiàn)，當連接方式為并聯(lián)時，沼液換熱系統(tǒng)運行所需時間比串聯(lián)所需時間有所減少，冬季時平均減少0.35 h，夏季時平均減少0.12 h。此種情況下考慮使用串聯(lián)方式，以避免增加一臺物料泵和熱水泵，減少設備投資。

綜上，對于300 m3沼氣工程進料加熱，以選擇6根沼液套管串聯(lián)換熱為最佳。

參考上述選擇原則，50 m3～1000 m3不同規(guī)模沼氣工程沼液換熱系統(tǒng)所需換熱套管數量以及連接方式見表3。

表3 扭曲管換熱器選型方案

2.4 料液增溫系統(tǒng)對比

表4從工藝、效率、成本與運行以及運行效果等角度，對比了傳統(tǒng)沼氣工程中的盤管加熱與沼液換熱器。從表4可以看出，傳統(tǒng)沼氣工程中所普遍使用的盤管加熱與本研究中的沼液換熱器相比效率普遍偏低，容易結垢，并且由于盤管換熱器換熱效率低下，在冬季時無法滿足沼氣工程正常運行，本研究中的沼液換熱器能從根本上解決這些問題。

表4 料液增溫方式對比

3 經濟性分析

3.1 投資成本分析

根據表3中不同規(guī)模沼氣工程沼液換熱器選型方案，對換熱器的初投資包括換熱器的成本和安裝費進行核算，本文中所使用的新型沼液換熱器形式為套管式換熱器，成本每根5000元，安裝費用按總設備成本的10%計算，核算結果如表5所示。

表5 扭曲管換熱器設備成本及安裝費

3.2 效益分析

華東地區(qū)發(fā)酵罐規(guī)模為50～1000 m3的沼氣工程所產沼氣多用來“自給自足”，且在冬季產氣率低，甚至停運。使用本設計中的新型沼液換熱器對料液進行升溫預處理，可以使沼氣工程在冬季正常運行。各規(guī)模沼氣工程在0.5～0.1 m3·m-3d-1不同產氣率下冬季(按照調研，11～次年3月份產期率低)可產生效益見表6，表中各項結果為5個月份總和。

表6 各規(guī)模沼氣工程進料工藝改造后設計

以300 m3規(guī)模沼氣工程為例，容積產氣率為0.5 m3·m-3d-1時，使用新型沼液換熱器后冬季所產沼氣富余量約為7079 m3，1m3沼氣中純甲烷濃度占比約為50%，約等于3539 m3天然氣，按處理掉1 kgCOD可產生0.35 m3純甲烷計算，COD處理量約為1239 kg，根據市場調研，天然氣目前價格約為3元·m-3，所以沼氣富余產量折合人民幣約為10618元，對比表5，投資回報期為3年。若產氣率達到1 m3·m-3d-1，當年可實現(xiàn)盈利。

4 結論

本文主要針對江蘇省境內沼氣工程普遍存在發(fā)酵溫度低，冬季產氣難的問題設計了料液增溫工藝，得到如下結論：

(1)通過對華東地區(qū)發(fā)酵罐規(guī)模為50～1000 m3，容產氣率為0.5～1.0 m3·m-3d-1的沼氣工程產能與總熱能損耗對比分析，各月沼氣工程熱能損耗量占產能量的比例約為15%～80%，表明在即使在寒冷的冬季實現(xiàn)沼氣工程自給自足是可能的。

(2)根據非穩(wěn)態(tài)計算模型針對典型規(guī)模沼氣工程料液升溫系統(tǒng)中所需單根沼液換熱套管數量及連接方式進行了優(yōu)化，得到了最佳換熱器設計方案。50 m3，300 m3，500 m3，1000 m3所需扭曲套管數量分別為2根串聯(lián)、6根串聯(lián)、5根串聯(lián)2組并聯(lián)和8根串聯(lián)2組并聯(lián)。

(3)根據工藝設計方案對改造后的典型規(guī)模沼氣工程進行效益分析，以300 m3沼氣工程為例，使用新型沼液換熱器后冬季可降解1239～5203 kg COD，所產沼氣富余量約等于3539～14864 m3天然氣，效益顯著。