趙 凱， 馮 晶， 孟海波， 李冰峰， 羅 娟， 于佳動， 黃開明

(1.河北省新能源技術(shù)推廣站， 河北 石家莊 050021； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125； 3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站， 北京 100125)

沼氣工程是處理規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖糞污有效方法[1]。近年來，隨著國家對畜禽養(yǎng)殖糞污排放的要求越來越嚴(yán)格，國內(nèi)規(guī)?；託夤こ倘找嬖龆郲2]。溫度是影響沼氣工程糞污處理效率以及厭氧消化產(chǎn)氣的關(guān)鍵因素之一[3-4]。一般而言，規(guī)模化沼氣工程采用中溫發(fā)酵，其適宜的溫度范圍是35℃～40℃[5]。在國內(nèi)大部分地區(qū)，全年溫度變化很大，要使沼氣工程常年穩(wěn)定高效運行，有必要采用適當(dāng)?shù)脑鰷乇胤椒▽φ託夤こ痰膮捬跸瘻囟冗M(jìn)行嚴(yán)格控制，使沼氣工程的發(fā)酵溫度保持在中溫發(fā)酵的溫度范圍內(nèi)[6-7]。

沼氣工程傳統(tǒng)的加熱方式為熱水循環(huán)加熱法，所采用的熱源主要包括電熱膜、太陽能集熱器、化石能源熱水鍋爐、沼氣鍋爐、沼氣發(fā)電余熱等[7-9]。近年來，生物質(zhì)固體成型燃料的制備技術(shù)日趨成熟，成本逐漸下降[10]。生物質(zhì)顆粒燃料能量密度與中質(zhì)煙煤相當(dāng)；燃燒時CO2零排放，NOX和SO2等的排放量遠(yuǎn)小于煤；燃燒特性明顯得到改善，提高了利用效率，連續(xù)自動運行條件下，燃燒效率通常能達(dá)到86%以上[11]。基于以上優(yōu)點，生物質(zhì)顆粒燃料熱水鍋爐逐漸在沼氣工程供熱中占有了一席之地[12]。

這幾種加熱方式中，沼氣鍋爐加熱消耗沼氣，不利于沼氣的高值化利用[4]。沼氣發(fā)電余熱需要為沼氣工程配備發(fā)電機(jī)組，并且在當(dāng)前的技術(shù)條件下國產(chǎn)沼氣發(fā)電機(jī)組能量利用效率較低，而進(jìn)口沼氣發(fā)電機(jī)組則投資較高，不適宜中小規(guī)模沼氣工程使用[13]。太陽能是一種清潔能源，常年運行費用較低，但它在陰天或者晚上無法工作,具有不連續(xù)性，為了實現(xiàn)連續(xù)供熱，需要擴(kuò)大集熱面積和熱量存儲裝置，導(dǎo)致了供熱系統(tǒng)初投資增加[4]。生物質(zhì)顆粒燃料熱水鍋爐初始投資較低，但常年需要生物質(zhì)顆粒燃料，運行費用較高[14]。

生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)沼氣工程供熱是近年來興起的一種供熱方式[14]。該系統(tǒng)通過將生物質(zhì)顆粒燃燒器和太陽能集熱器聯(lián)合組成一個供熱系統(tǒng)，充分利用生物質(zhì)能與太陽能的優(yōu)勢，為厭氧消化罐提供穩(wěn)定的熱源，同時盡量降低運行成本與初始投資[15]。太陽能集熱器面積的增加，可以減少生物質(zhì)顆粒燃燒器的運行時間，降低運行成本。但是增加太陽能集熱器面積的同時，也增加了初投資[15]。實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，需要對系統(tǒng)中各部分設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[16-18]。

本文擬建立沼氣工程的生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析模型，并結(jié)合實例利用線性規(guī)劃方法對供熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，為生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 研究實例與熱量需求

1.1 研究實例

以河北省保定市年出欄4500頭的奶牛場為例，年產(chǎn)生糞便2.95萬噸，設(shè)計CSTR發(fā)酵罐1座，容積5000 m3，直徑為30 m，高度為8 m，設(shè)計停留時間為27天。發(fā)酵罐內(nèi)采用罐內(nèi)盤管加熱的方式。

1.2 熱平衡計算

厭氧消化需要保持一定的溫度厭氧微生物才能夠保持活性，這就要求厭氧消化罐獲得的熱量必須大于損失的熱量，才能保證整個系統(tǒng)的溫度恒定[19]。一般而言，厭氧消化罐每日損失的熱量主要是每天新增投料所需熱量以及厭氧消化罐每日散熱[19]。厭氧消化過程中的生物化學(xué)發(fā)熱量較小，可忽略不計[4]。

厭氧消化罐投料損失的熱量計算公式(1)為[20]:

Q1=cm(TD-TF)

(1)

式中：c為料液的比熱容(新鮮料液質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為8%，取水的比熱)，4.2 kJ·kg-1℃-1；m為沼氣池的新鮮料液流量，660×103kg·d-1；TD為沼氣發(fā)酵罐內(nèi)料液的溫度，35℃；TF為新鮮料液的溫度，℃。

厭氧消化罐散熱損失的熱量計算公式(2)為[20-21]:

Q2=(S1α1+S2α2+S3α3) (TD-TE)

(2)

式中：S1，S2，S3為發(fā)酵罐頂面積、側(cè)壁面積與底面積，分別為706 m2,754 m2與706 m2；α1，α2，α3為發(fā)酵罐頂、側(cè)壁與底部的傳熱系數(shù)，分別為2.63 W·m-2℃-1,0.32 W·m-2℃-1與0.48 W·m-2℃-1；TD為沼氣發(fā)酵罐內(nèi)料液的溫度，35℃；TE為環(huán)境溫度，℃。

沼氣工程總需熱量QM為物料升溫與發(fā)酵罐散熱損失兩部分之和[19]：

QM=Q1+Q2

(3)

沼氣工程熱量平衡計算結(jié)果如表1所示。全年中，華北地區(qū)沼氣工程的散熱量相差較大，隨外界環(huán)境溫度的升高而升高。其中1月份環(huán)境溫度最低，散熱量最大，為330.02 kW；7月份的環(huán)境溫度最高，散熱量最低，為139.18 kW。

2 生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

本研究中所使用的生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)中，太陽能集熱器、生物質(zhì)顆粒燃燒器及厭氧消化罐通過蓄熱水箱相連接，并在控制單元的控制協(xié)調(diào)下自動運行[14]。

生物質(zhì)顆粒燃燒器全功率間歇運行，當(dāng)蓄熱水箱上部溫度T3大于設(shè)定溫度時燃燒器停止運行，小于設(shè)定溫度則開始運行。太陽能集熱器出水口溫度T1與蓄熱水箱底部溫度T2溫差超過7℃時，太陽能集熱器循環(huán)水泵開始循環(huán);當(dāng)溫差小于3℃時停止循環(huán)。供熱設(shè)備將熱量儲存在蓄熱水箱中，并通過換熱裝置將熱量傳遞至供熱終端。

注：T1 為太陽能集熱器出水口溫度，℃； T2 為水箱底部溫度，℃； T3為蓄熱水箱上部的溫度傳感器測得的溫度，℃；虛線表示控制信號。圖1 生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)流程圖

月份TDTETFQ1Q2QT℃℃℃kWkWkW1月35-1.85240.3589.68330.022月352.25240.3579.93320.283月358.610200.2964.34264.624月3514.715160.2349.47209.705月3520.820120.1734.60154.786月3526.320120.1721.20141.377月3527.220120.1719.01139.188月3525.020120.1724.37144.549月3520.120120.1736.31156.4810月3515.915160.2346.55206.7811月357.210200.2967.75268.0312月350.85240.3583.34323.69

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化

在生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中，太陽能集熱器面積的增加可以減少生物質(zhì)顆粒的使用，降低運行成本，但是會增加系統(tǒng)的初投資。而減少太陽能集熱器面積，則降低系統(tǒng)的初始投資，但生物質(zhì)顆粒燃燒量增大，運行成本提高。因此該系統(tǒng)在初投資和運行成本之間存在矛盾[14]。本文通過建立系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，對系統(tǒng)中主要裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)是降低供熱系統(tǒng)每年的費用，即將年運行成本和初投資平均到使用年限的每一年相加為目標(biāo)函數(shù)Fmin，目標(biāo)函數(shù)取最小值時的系統(tǒng)參數(shù)為最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。Fmin如下：

(4)

式中：Finvest為系統(tǒng)的初投資，元；Foperation為系統(tǒng)的運行成本，元；n為系統(tǒng)的使用年限，15 a。

其中，系統(tǒng)的初投資包括生物質(zhì)顆粒燃燒器及配套鍋爐、太陽能集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)水泵，以及其他管道儀表等，其計算式如下：

(5)

式中：Pburner為生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率，kW；Nb為生物質(zhì)顆粒燃燒器的價格，150元·kW-1；Ssolar為太陽能集熱器的面積，m2；Ns為太陽能集熱器的價格，1000元·m-2；Nt為蓄熱水箱的價格，450元·m-3；Ielse為水泵等附件的投資，5000元。

系統(tǒng)的運行成本包括燃燒生物質(zhì)顆粒燃料的費用，系統(tǒng)的水泵、風(fēng)機(jī)等的用電費用、人工費、系統(tǒng)的維護(hù)費用等。其中生物質(zhì)顆粒燃料費用每月差別較大，需按月計算，其他費用按年計算。計算如式(6)：

(6)

式中：Fpower為燃燒動力費，元；Flabor為人工費，2000元；Fmain為系統(tǒng)的維護(hù)費用，500元。i月的生物質(zhì)顆粒燃料的費用Fi，當(dāng)Fi<0時取0，計算如式(7)：

(7)

式中：Qi為i月份的沼氣工程所需熱量，kJ；Ei為i月份傾斜表面月平均日太陽輻射量，kJ·m-2d-1；η1為太陽能集熱器的集熱效率，0.5；η2為生物質(zhì)顆粒燃燒器的燃燒效率，0.9；η3為鍋爐熱效率效率，0.8；η5為生物質(zhì)鍋爐用盤管換熱器的換熱效率，0.9；η6為采暖用盤管換熱器的換熱效率，0.9；ni為i月份的天數(shù)，d；qpellet為生物質(zhì)顆粒燃料的熱值，kJ·kg-1；Np為生物質(zhì)顆粒燃料的價格，0.5元·kg-1。

由式(4)～(7)可得目標(biāo)函數(shù)式如下：

(8)

2.2.2 約束條件

生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率應(yīng)大于太陽能集熱器不運行條件下厭氧消化罐的最大耗熱功率[14]，即：

Pburner×η3×η5×η6≥Qmax

(9)

式中：QMax為厭氧消化罐的最大耗熱功率，kW。

生物質(zhì)顆粒燃燒器間歇運行，生物質(zhì)鍋爐間歇運行時間內(nèi)與太陽能熱水器共同為厭氧消化罐提供熱量，還應(yīng)當(dāng)使蓄熱水箱蓄熱，蓄熱水箱內(nèi)水溫不應(yīng)超過蓄熱水箱的溫度上限[14-15]，其約束如下：

(10)

式中：ρw為水的密度，1000 kg·m-3；Vtank為蓄熱水箱容積，m3；Cw為水的比熱容，4200 kJ·kg-1℃-1；ΔT為蓄熱溫差，15℃；t2為生物質(zhì)顆粒燃燒器設(shè)計的最短運行時間，0.5 h；E為年平均日太陽總輻照量，MJ·m-2d-1；ts為平均日照時間，h。

生物質(zhì)鍋爐間歇運行中一個周期的停止運行時間不能過短，如果停止運行的時間過短則不符合燃燒器的工作特性。在一個周期中停止運行的時間是由蓄熱水箱的容積，太陽能集熱器的面積來決定的[14,15]，其約束如下：

(11)

該系統(tǒng)以生物質(zhì)顆粒燃燒器為主要熱源，限制太陽能提供熱量占總能量需求的比例小于50%。

E×Ssolar×η1≤Qmax×24×3600×0.5

(12)

2.2.3 優(yōu)化模型

根據(jù)以上分析，整理目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下式:

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

Pburner≥509.30

1458×Pburner+387×Ssolar-63000×Vtank≤660474

Vtank≥10.47

Ssolar≤2838.92

2.2.4 優(yōu)化方法

使用軟件Excel(2010)建立數(shù)學(xué)模型，通過改變Pburner，Ssolar與Vtank，以目標(biāo)函數(shù)為目標(biāo)，約束條件為約束，使用規(guī)劃求解工具進(jìn)行求解計算。

3 結(jié)果分析

通過計算得知，當(dāng)生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率為509.3 kW，太陽能集熱器(由清華陽光生產(chǎn))面積為1775.6 m2，蓄熱水箱(由清華陽光生產(chǎn))容積取10.48 m3時，目標(biāo)函數(shù)取得最小值。此時，初投資為1871695.59元，年運行成本為169735.77元。一年4月～9月中，氣溫較高，厭氧消化罐散熱較少，耗熱量較低。相比其余幾個月份，日照強(qiáng)度較大，日照時間較長。因此，在4～9月由太陽能加熱器所提供的熱量即可保證厭氧消化罐所需熱量。這幾個月份內(nèi)生物質(zhì)顆粒鍋爐基本不需要運行，只需做應(yīng)急加熱使用。

3.1 初投資分析

在生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的初投資中，太陽能集熱器的投資占的比例最大，為94.9%；生物質(zhì)顆粒燃燒器的投資占的比例是4.08%；蓄水箱與水泵等附件投資所占的比例分別為0.25%和0.80%。隨著生物質(zhì)顆粒燃燒器生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟以及生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其成本會較大幅度地降低，從而能加速生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)的推廣。

3.2 運行成本分析

生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)運行成本主要包括生物質(zhì)顆粒燃料費用、燃料動力費、系統(tǒng)維護(hù)費、人工費。在運行成本中，生物質(zhì)顆粒燃料費用占75.26%，人工費占14.14%，燃料動力費占7.07%，系統(tǒng)維護(hù)費占3.53%。

3.3 加熱方式對比分析

當(dāng)前沼氣工程中常用的加熱方式主要包括：沼氣熱水鍋爐、生物質(zhì)鍋爐、太陽能等方式。本研究條件下，厭氧消化罐需熱量6973119.96 MJ·a-1。若使用沼氣熱水鍋爐為單一熱源，則年需要消耗沼氣396200 Nm3，則占厭氧消化罐的所產(chǎn)沼氣的20.68%。以0.8元·Nm-3沼氣計，則年運行成本高達(dá)316960元。若單獨使用生物質(zhì)鍋爐為熱源，則年需消耗生物質(zhì)顆粒燃料633 t·a-1，運行成本為316500元。這兩種加熱方式下年運行成本均高于生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)。若使用太陽能系統(tǒng)為熱源，則需要太陽能熱水器面積為3144.76 m2，初投資額為314.47萬元，遠(yuǎn)高于生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)優(yōu)化后的結(jié)果，不適合中小規(guī)模沼氣工程。

4 結(jié)論

(1)以年費用為目標(biāo)函數(shù)，使用線性規(guī)劃方法對沼氣工程的生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明對于華北地區(qū)5000 m3的厭氧消化罐可設(shè)計成燃料鍋爐功率為509.3 kW，太陽能集熱器面積為1775.6 m2，蓄熱水箱容積為10.48 m3，此時系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，初投資為1871696元，年運行成本為169736元，折合年費用為294515元。

(2)在生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)中，太陽能集熱器的投資比例最大，占到了總投資的94.9%；生物質(zhì)顆粒燃燒器占4.08%；運行成本中生物質(zhì)顆粒燃燒為用占75.26%，人工費占14.14%，燃料動力費占7.07%，系統(tǒng)維護(hù)費占3.53%。

(3)與沼氣熱水鍋爐、生物質(zhì)鍋爐相比，生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)充分利用太陽能運行成本低的優(yōu)勢，減少了運行成本；與太陽能系統(tǒng)相比，生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)彌補(bǔ)了太陽能不穩(wěn)定與初始投資高的缺點。因此，生物質(zhì)能-太陽能互補(bǔ)供熱系統(tǒng)適合于中小規(guī)模的沼氣工程，具有廣泛的推廣價值。