史風(fēng)梅，裴占江，王粟，李鵬飛，于秋月，趙躍坤，劉杰

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黑龍江省黑土保護(hù)利用研究院，黑龍 江哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)部種養(yǎng)循環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍 江哈爾濱 150086；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黑龍江省秸稈能源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍 江哈爾濱 150086；4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院成果產(chǎn)業(yè)處，黑龍 江哈爾濱 150086）

0 引言

黑龍江是農(nóng)業(yè)大省，每年產(chǎn)生約1億t的農(nóng)作物秸稈和禽畜糞污，給當(dāng)?shù)丨h(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了巨大壓力[1]。厭氧發(fā)酵被認(rèn)為是處理有機(jī)廢棄物最為常用和有效的技術(shù)[2]。厭氧發(fā)酵是一個(gè)非常復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，受溫度、pH值、C/N和有機(jī)負(fù)荷等參數(shù)的影響，其中，溫度是影響厭氧消化運(yùn)行效率和微生物活性的重要因素之一[3]，[4]。有研究表明，厭氧發(fā)酵溫度越高，產(chǎn)氣效率就越高，體系的啟動(dòng)速度就越快[4]，[5]。當(dāng)發(fā)酵溫度低于10℃或溫度波動(dòng)超過(guò)2～3℃時(shí)，厭氧發(fā)酵會(huì)受到抑制，造成不可逆的影響[6]，[7]。因此，寒區(qū)的沼氣工程需要采取適當(dāng)?shù)脑鰷乇卮胧员ＷC其在低溫環(huán)境中亦能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

建設(shè)較早或小型的沼氣工程一般采用單一能源（如沼氣或其他可再生能源）直接燃燒產(chǎn)生的熱能或發(fā)電余熱來(lái)滿足沼氣工程的需要[7]。而新建或大型沼氣工程則常采用沼氣發(fā)電/熱、生物質(zhì)能發(fā)電/熱、太陽(yáng)能、空氣源熱泵、地源熱泵等多種熱源互補(bǔ)的加熱模式[8]，[9]。除加熱措施外，還需在反應(yīng)器外敷設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)小的保溫材料，將沼氣工程建設(shè)在溫室或凍土層以下，以達(dá)到降低沼氣工程熱損失，減少加熱所消耗的能量的目的。在我國(guó)，沼氣工程上常用的保溫材料有擠塑聚苯板（XPS）、聚氯乙烯（PVC）、橡塑海綿、聚氨酯等[3]，[10]；常見(jiàn)的增溫?zé)嵩从姓託忮仩t、沼氣發(fā)電余熱、太陽(yáng)能、生物質(zhì)鍋爐等[3]，[11]。

鑒于黑龍江省冬季漫長(zhǎng)寒冷，氣溫較低，使得厭氧發(fā)酵體系的內(nèi)外溫差較大，在無(wú)增溫保溫措施時(shí)，反應(yīng)體系的溫度會(huì)降低或波動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致沼氣工程的產(chǎn)氣效率和持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行受到影響[6]。因此，在黑龍江省的沼氣工程中敷設(shè)保溫材料和配備加熱設(shè)施是十分重要的。目前，對(duì)保溫層厚度的計(jì)算和升溫措施的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)大都基于中溫厭氧發(fā)酵，鮮有針對(duì)低溫運(yùn)行情況的報(bào)道[12]，[13]。因此，在最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度的基礎(chǔ)上，本文以位于哈爾濱的沼氣工程為例，計(jì)算了幾種保溫材料的厚度；在此基礎(chǔ)上對(duì)沼氣熱水鍋爐、生物質(zhì)熱水鍋爐、太陽(yáng)能和沼氣發(fā)電余熱回收等幾種增溫方式進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為寒區(qū)沼氣工程保溫材料選擇、保溫層厚度計(jì)算及增溫措施選擇提供計(jì)算方法和選擇依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文涉及到的沼氣工程運(yùn)行參數(shù)，如最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度（TD）、水力停留時(shí)間（HRT）和豬糞水總固體濃度（TS）的具體數(shù)值分別為20.6℃，15 d和7%，此時(shí)容積產(chǎn)氣率為0.615 m3/（m3·d）。

根據(jù)某一實(shí)際工程模擬厭氧反應(yīng)器如下：厭氧反應(yīng)罐總?cè)莘e為2 826 m3（高徑比為1∶1，表面積和容積比為0.43），其中罐高18 m，液面高14 m，椎體高度為3 m，底面直徑為15 m，罐底、罐頂和側(cè)面的面積分別為176.63，190.23，659.4 m2。罐頂和罐體的材質(zhì)分別為6 mm和8 mm厚的鋼板，底部地基為70 mm厚的鋼筋混凝土，保溫層由0.5 mm厚的彩鋼進(jìn)行防護(hù)。厭氧反應(yīng)罐的具體尺寸如圖1所示。

圖1 厭氧反應(yīng)罐尺寸圖Fig.1 Diagram of the anaerobic reactor

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 保溫層厚度計(jì)算

沼氣工程厭氧發(fā)酵罐的罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數(shù)允許值分別為0.8，0.7，0.52 W/（m2·℃）[3]，將其代入復(fù)合傳熱系數(shù)K的計(jì)算式[式（1）]，可計(jì)算出發(fā)酵罐各部分保溫層的厚度，取其中最大值作為該種保溫材料的厚度。

1.2.3 增溫措施的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

首先根據(jù)厭氧發(fā)酵罐的日產(chǎn)氣量和沼氣工程所處地區(qū)的日最低溫度確定沼氣鍋爐和生物質(zhì)熱水鍋爐的出力值、沼氣發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量以及太陽(yáng)能集熱板的面積；然后根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格得到加熱系統(tǒng)的資金投入情況，利用費(fèi)用年值法對(duì)各種增溫方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估；最后結(jié)合年收入和燃料年投入等情況綜合評(píng)估加熱方式的經(jīng)濟(jì)性[14]。

①沼氣鍋爐加熱

假定加熱沼氣工程所用的沼氣體積為V1，則沼氣鍋爐可提供的熱量Q0為

式中：JT為傾斜輻射量，取8.96 MJ；ηs為集熱器的日平均集熱效率，取0.55；ηL為管路及熱水箱的損失效率，取0.2；f為太陽(yáng)能保證率，取1.0；Q0為日供熱量，MJ。

本文采用真空管集熱器，方位角為0°（朝向正南），偏重于冬季使用，傾角取為40°，補(bǔ)償比為99%，則最終的集熱面積Se=S/0.99。

③沼氣發(fā)電余熱利用加熱

沼氣發(fā)電裝機(jī)容量P的計(jì)算式為

④生物質(zhì)常壓熱水鍋爐加熱

生物質(zhì)常壓熱水鍋爐的選型與生物質(zhì)沼氣鍋爐類似，在此不再贅述。

⑤費(fèi)用年值法

費(fèi)用年值A(chǔ)C的計(jì)算式為

式中：PC為費(fèi)用現(xiàn)值，元；n為加熱系統(tǒng)的使用年限，a；i為年利率，取為10%。

2 結(jié)果與分析

2.1 保溫層厚度

沼氣工程要求厭氧發(fā)酵罐的頂部、側(cè)壁和底部的傳熱系數(shù)允許值分別為0.8，0.7，0.52 W/（m2·℃），將其代入式（1）可計(jì)算出發(fā)酵罐各部分保溫層的厚度（圖2）。取其中最大值作為對(duì)應(yīng)保溫材料的厚度，則XPS、橡塑海綿、PVC和聚氨酯的理論厚度分別為35.6，43.2，216.0，25.4 mm，經(jīng)1.5系數(shù)[3]修正并參考市場(chǎng)上保溫材料的規(guī)格，其應(yīng)用的厚度分別為50，60，300，40 mm。如果采用PVC進(jìn)行保溫，為保證保溫效果，應(yīng)根據(jù)厭氧反應(yīng)罐的尺寸進(jìn)行裁剪，采用同層錯(cuò)縫搭接，搭接長(zhǎng)度須大于50 mm，內(nèi)外分層錯(cuò)縫敷設(shè)；若采用另外幾種保溫材料，則無(wú)需分層敷設(shè)，只需要同層搭接即可。保溫層均需從下往上安裝，綁扎固定材料為鍍鋅鐵絲、包裝帶或50～80 mm寬的扁鋼。保溫材料與反應(yīng)器和保溫層之間的空隙用聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行填充。已知哈爾濱的日最低溫度為-37.7℃，厭氧反應(yīng)器的發(fā)酵溫度為20.6℃，水力停留時(shí)間為15 d，容積產(chǎn)氣率為0.615 m3/（m3·d），則根據(jù)式（1），（4）和（5）可得到日最大溫降與保溫層厚度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，保溫材料可以降低厭氧發(fā)酵罐的熱量損失，尤其是保溫層比較薄的時(shí)候，保溫材料的保溫效果尤為顯著。以PVC為例，當(dāng)厭氧發(fā)酵罐的保溫層厚度為0和10 mm時(shí)，厭氧發(fā)酵罐的日最大溫降分別為2.64℃和1.86℃，溫降的變化速率為-0.078℃/mm；當(dāng)保溫層厚度為150 mm和160 mm時(shí)，厭氧發(fā)酵罐的日最大溫降分別為0.385℃和0.365℃，溫降的變化速率為-0.002℃/mm。因此，隨著保溫材料厚度的增加，其保溫效果降低且經(jīng)濟(jì)投入相應(yīng)增加。為了減少溫度波動(dòng)對(duì)厭氧發(fā)酵罐的影響，該沼氣工程要求最大溫度波動(dòng)小于0.5℃/d。據(jù)圖3可知，當(dāng)日最大溫降為0.5℃時(shí)，XPS、橡塑海綿、PVC和聚氨酯的厚度分別為21.62，26.25，108.10，15.44 mm。因此，當(dāng)XPS、橡塑海綿、PVC和聚氨酯的厚度分別為50，60，300，40 mm時(shí)，該厭氧發(fā)酵罐的最大溫度波動(dòng)小于0.5℃/d。此時(shí)，厭氧發(fā)酵罐的最大散熱量分別為為2.61×106，3.31×106，2.22×106，2.36×106kJ/d，無(wú)加熱時(shí)的最大溫降可達(dá)到0.25，0.32，0.21，0.23℃/d。

圖2 傳熱系數(shù)與保溫層厚度之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between heat transfer coefficient and insulation layer thickness

圖3 日最大溫降與保溫層厚度之間的關(guān)系Fig.3 The relationship betweenΔTmax and thickness of insulation layer

沼氣工程實(shí)踐證明，鋼筋混凝土材質(zhì)的厭氧反應(yīng)器的使用壽命大于20 a，鋼板卷制的厭氧發(fā)酵罐的使用壽命為20 a。文中涉及到的幾種保溫材料的使用壽命均比厭氧發(fā)酵罐的長(zhǎng)。因此，根據(jù)保溫材料的工程用量及市場(chǎng)價(jià)格就可計(jì)算出在保溫方面的資金投入。保溫材料的市場(chǎng)價(jià)格、使用壽命和使用量等見(jiàn)表1。由表1可知，與橡塑海綿、PVC和聚氨酯相比，以XPS為保溫材料時(shí)，厭氧發(fā)酵罐的資金投入是最少的。

表1 保溫材料的費(fèi)用Table 1 The cost of several insulation materials

2.2 產(chǎn)能與耗能計(jì)算

已知厭氧發(fā)酵罐的發(fā)酵溫度為20.6℃，水力停留時(shí)間為15 d、容積產(chǎn)氣率為0.615 m3/（m3·d），XPS保溫層厚度為50 mm，結(jié)合該沼氣工程的環(huán)境溫度和新鮮料液溫度，可得到沼氣工程的能量平衡計(jì)算結(jié)果（表2）。由表2可知，該沼氣工程的耗能約為3.08×109kJ/a，其中發(fā)酵罐散熱約為2.59×108kJ/a，加熱原料耗能約為2.82×109kJ/a，產(chǎn)能約為1.33×109kJ/a。沼氣工程的耗能約為產(chǎn)能的23.1%，原料加熱的耗能約為總耗能的91.6%。

根據(jù)工程所在地的最低溫度為-37.7℃，得到厭氧發(fā)酵罐的日最大耗能約為1.68×107kJ，其中發(fā)酵罐散熱約為2.61×106kJ，原料加熱耗能約為1.42×107kJ，原料加熱耗能為總耗能的84.52%，發(fā)酵罐的散熱損失為總耗能的15.48%。厭氧發(fā)酵罐每日產(chǎn)能約為3.65×107kJ，耗能約為產(chǎn)能的46.13%。

2.3 大中型沼氣工程不同加熱方式的經(jīng)濟(jì)效益分析

由于溫度對(duì)沼氣工程的運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)氣效率影響較大，為維持沼氣工程的穩(wěn)定、高效運(yùn)行，需要采取適當(dāng)?shù)脑鰷睾捅卮胧﹣?lái)減少厭氧發(fā)酵溫度的波動(dòng)。通過(guò)上文的產(chǎn)能與耗能計(jì)算結(jié)果可知，發(fā)酵罐散熱占總熱能損耗的15%左右，僅依靠保溫措施不能保證其穩(wěn)定運(yùn)行，還需配套使用經(jīng)濟(jì)、適用和可靠的加熱增溫措施。目前，沼氣工程上常用的增溫措施有沼氣鍋爐加熱、生物質(zhì)鍋爐加熱、沼氣發(fā)電余熱回收和太陽(yáng)能加熱等。因此，本文基于日最大需熱量來(lái)選擇加熱裝置型號(hào)，根據(jù)年需熱量、年散熱量和年產(chǎn)能等計(jì)算燃料投入和收入，并對(duì)加熱方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

2.3.1 設(shè)備選型及經(jīng)濟(jì)核算

①沼氣鍋爐加熱

由式（6）可知，厭氧發(fā)酵罐每日所產(chǎn)的1 737.99 m3沼氣中的1 002.12 m3需要供給沼氣鍋爐。因此，本工程選用2 t沼氣熱水鍋爐，成本（包括安裝費(fèi)等在內(nèi)，下同）約為6.00萬(wàn)元。為保證厭氧發(fā)酵罐持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，每年需要183 540.59 m3的沼氣作為沼氣鍋爐的燃料，按市場(chǎng)價(jià)格1.0元/m3計(jì)算，需要18.35萬(wàn)元，剩余的450 825.76 m3沼氣按照1.0元/m3售出，可收入45.08萬(wàn)元。

②太陽(yáng)能加熱

黑龍江省的太陽(yáng)能資源比較豐富，可以利用太陽(yáng)能系統(tǒng)對(duì)沼氣工程進(jìn)行加熱。本文采用真空管集熱器，方位角為0°（朝向正南），偏重于冬季使用，傾角取40°，補(bǔ)償比為99%，根據(jù)式（7）可得到集熱面積為4 313.55m2，按市場(chǎng)價(jià)格1 000元/m2計(jì)算，則太陽(yáng)能集熱器的投資金額約為431.36萬(wàn)元。厭氧發(fā)酵罐產(chǎn)生的沼氣以市場(chǎng)價(jià)出售，可獲得63.44萬(wàn)元的收入。

③沼氣發(fā)電余熱利用加熱

通過(guò)回收沼氣發(fā)電裝置中的余熱同樣可以加熱發(fā)酵料液。沼氣發(fā)電的裝機(jī)容量P可由式（8）計(jì)算得到，發(fā)電量Qe可由式（9）計(jì)算得到。根據(jù)每日沼氣產(chǎn)量計(jì)算得到與本厭氧發(fā)酵罐配套的裝機(jī)容量為152.07 kW，取160 kW，因此，選用單機(jī)功率為80 kW的發(fā)電機(jī)2臺(tái)，每臺(tái)市場(chǎng)價(jià)格為11.0萬(wàn)元。因沼氣發(fā)電的熱電效率為30%，所以有70%的產(chǎn)能轉(zhuǎn)化為余熱，而余熱回收設(shè)備的效率為70%～80%，因此，能夠回收的熱量約為產(chǎn)能的49%～56%，本文取50%，則每天回收的可利用的發(fā)電余熱為1 737.99×21 000×50%=18 248.90＞16 835.68 MJ，可以滿足為厭氧發(fā)酵罐的加熱需求。2臺(tái)80 kW的發(fā)電機(jī)組余熱回收裝置的成本約為160 kW×500元/kW=8.0萬(wàn)元，則裝置總成本為30.00萬(wàn)。每日產(chǎn)生的電量為1 737.99×21 000×0.3/3 600=3 041.48 kW·h/d，按0.75元/（kW·h）的價(jià)格出售，則每日售電的收入為2 281.11元，可得發(fā)電收入83.260 5萬(wàn)元/a。沼氣價(jià)格按1.0元/m3算，每日需投入1 737.99元，燃料投入費(fèi)用則為63.44萬(wàn)元/a。

④生物質(zhì)鍋爐加熱

已知生物質(zhì)鍋爐的效率為80%，則燃料需要提供的最大熱量為1.68×107/0.8=2.10×107kJ，因此，需要玉米秸稈壓塊（熱值為16 000 kJ/kg）1.32 t或玉米秸稈（干基熱值為17 383 kJ/kg）1.211 t，分別需要花費(fèi)765.4元/d（壓塊燃料的價(jià)格為580元/t）或181.6元/d（玉米秸稈的價(jià)格為150元/t）。應(yīng)安裝出力值為6.187 MW的常壓熱水鍋爐以滿足厭氧發(fā)酵罐的增溫要求，選取10 t常壓熱水鍋爐，成本約為42.4萬(wàn)元。

每年該厭氧發(fā)酵罐耗能3.08×109kJ，則燃料需要提供3.85×109kJ的熱能，需要玉米秸稈壓塊240.90 t，需要花費(fèi)13.97萬(wàn)元/a，或玉米秸稈221.73 t，則需要花費(fèi)3.33萬(wàn)元/a。厭氧發(fā)酵罐生產(chǎn)的沼氣以市場(chǎng)價(jià)出售，可收入63.44萬(wàn)元。

⑤熱水循環(huán)泵加熱

上述加熱方式均采用熱水循環(huán)加熱法，雖然熱源不同，但采用的動(dòng)力設(shè)備及加熱管線是一樣的，故每種加熱方式的年運(yùn)行費(fèi)用相同。設(shè)定熱水循環(huán)泵每天24 h運(yùn)行，進(jìn)出水溫差為20～30℃。根據(jù)中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院編寫的《建筑給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第2冊(cè)）中給出的方法，可計(jì)算出出水溫差為20℃時(shí)熱水循環(huán)泵的流量為1.68×107/（4.19×20×24×3 600）=2.33 L/s。因此，可以選用功率為3 kW的熱水循環(huán)泵2臺(tái)（一臺(tái)備用），水泵價(jià)格為5 000元/臺(tái)，兩臺(tái)共計(jì)1.0萬(wàn)元。

2臺(tái)3 kW的熱水循環(huán)泵每天消耗72 kW·h的電量，年耗電26 280 kW·h，電價(jià)按0.5元/（kW·h）計(jì)，每年電費(fèi)為13 140元，熱水循環(huán)泵的年維護(hù)費(fèi)按1 000元/a計(jì)，則文中涉及到的幾種加熱方式的運(yùn)行費(fèi)用均為1.414萬(wàn)元/a。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

對(duì)沼氣鍋爐加熱、沼氣發(fā)電余熱利用、太陽(yáng)能加熱和生物質(zhì)鍋爐加熱等加熱方式采用費(fèi)用年值法和綜合法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同加熱方式的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)Table 3 The economic evaluation of different heating modes

由表3可知，沼氣鍋爐加熱方式的費(fèi)用年值明顯比其余4種的低。如果再考慮燃料投入和能源（沼氣或電能）出售得到的收入，則生物質(zhì)鍋爐（打捆直燃）的經(jīng)濟(jì)性最高，其次是生物質(zhì)鍋爐（成型燃料），然后是沼氣鍋爐，再就是沼氣發(fā)電余熱回收，太陽(yáng)能加熱最不經(jīng)濟(jì)。鑒于黑龍江省是農(nóng)業(yè)大省，秸稈資源量比較豐富，秸稈焚燒會(huì)給環(huán)境帶來(lái)巨大壓力，所以采用生物質(zhì)鍋爐（秸稈打捆直燃）作為升溫?zé)嵩?，即可提高秸稈的利用率，減少環(huán)境污染，又可減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)投入，有利于沼氣企業(yè)及行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論

在最適經(jīng)濟(jì)運(yùn)行溫度為20.6℃，容積產(chǎn)氣率為0.615 L/（L·d）和哈爾濱日最低溫度為-37.7℃的基礎(chǔ)上，由式（1）計(jì)算得到XPS、橡塑海綿、PVC和聚氨酯的理論厚度分別為35.6，43.2，216.0，25.4 mm，經(jīng)1.5系數(shù)修正后，實(shí)際工程中應(yīng)用的厚度分別為50，60，300，40 mm。XPS作為保溫材料是最經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)用50 mm厚的XPS板可以保證容積為2 826 m3的厭氧發(fā)酵罐（高徑比為1∶1，表面積和容積比為0.43）在水力停留時(shí)間為15 d，無(wú)外部加熱時(shí)的最大溫降為0.25℃/d。

在沼氣工程采用50 mm厚XPS進(jìn)行保溫的基礎(chǔ)上，綜合評(píng)價(jià)了沼氣鍋爐加熱、生物質(zhì)鍋爐加熱、太陽(yáng)能加熱和沼氣發(fā)電余熱回收等增溫方式的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明，采用秸稈打捆直燃的生物質(zhì)鍋爐供暖方式最經(jīng)濟(jì)，其費(fèi)用年值為8.48萬(wàn)元，沼氣出售年收入63.44萬(wàn)元，燃料費(fèi)用為3.33萬(wàn)元/a。