白曉鳳，李子富，王 琦，王苗苗

(1.中交天航環(huán)保工程有限公司博士后科研工作站，天津 300461；2.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

沼液是沼氣工程的必然產(chǎn)物，含有豐富的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)和植物生長必須的微量元素，是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)液肥[1-7]，可以促進(jìn)植物生長發(fā)育[8-10]。但是由于沼液產(chǎn)生的連續(xù)性與農(nóng)作物施肥的間歇性，沼液在施入農(nóng)田前需要占用大量的存儲空間[11]。同時，由于沼液的肥效相對較低(沼液中99%以上為水分)，體積龐大，沼液的施用非常不便[12]。沼液運(yùn)輸不具有經(jīng)濟(jì)性，只能在很小的范圍內(nèi)得到利用。有研究表明，由于沼液施用的便捷性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等問題[13-14]，農(nóng)戶對沼液的利用積極性不強(qiáng)[15-16]。因此，大型沼氣工程每年產(chǎn)生的大量沼液的處理與處置已成為制約沼氣行業(yè)發(fā)展的重要因素[17]。

對沼液進(jìn)行濃縮不但可以提高沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)含量，增加單位沼液的經(jīng)濟(jì)價值，還可以減小沼液的體積，便于沼液的存儲與運(yùn)輸。目前，沼液的濃縮方法主要有膜技術(shù)、帶式干燥、熱濃縮蒸發(fā)等[18-19]。其中膜濃縮技術(shù)研究較多，包括超濾、納濾、反滲透等。

宋成芳[20]等將超濾膜和納濾膜用于畜禽養(yǎng)殖廢棄物沼液的分離濃縮，處理過程不破壞沼液中有效物質(zhì)的活性，濃縮液可作為無公害生物肥料的原料。Konieczny[21]等利用離心-兩步超濾-納濾集成系統(tǒng)對沼液進(jìn)行了濃縮研究，研究發(fā)現(xiàn)離心-UF50-UF5-NF0.2的組合工藝處理效果最好，最終的滲透液為原液體積的33%。Gebrezgabher[22]等利用超濾與反滲透聯(lián)合工藝對沼液進(jìn)行濃縮，濃縮液中氮、磷、鉀濃度分別達(dá)到6.8，0.5，11.6 kg·t-1。Thorneby[23]等研究發(fā)現(xiàn)，在30 bar(25℃)下，反滲透膜的膜通量為20～25 L·m-2h-1，截留率可達(dá)98%以上，其中氨的截留率可達(dá)到 93%～97%。Hofman[24]等研究發(fā)現(xiàn)在反滲透過程中，除了營養(yǎng)物質(zhì)被截留外，大部分微污染物也能被截留，而兩者的分離有待研究。反滲透技術(shù)的能耗取決于運(yùn)行和技術(shù)參數(shù)，在大型系統(tǒng)中，可以考慮添加能量循環(huán)利用系統(tǒng)[25]。反滲透技術(shù)應(yīng)用于沼液處理的主要限制因素是“結(jié)垢”，因為沼液在通過反滲透膜的過程中，其含有的鹽分會沉積在膜的內(nèi)外表面上。另外，生物膜垢也是常見的一種膜結(jié)垢形式。

膜濃縮技術(shù)需要對沼液進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，濃縮過程要求嚴(yán)格，存在膜污染和運(yùn)行費用高的缺點。據(jù)資料顯示[18]，德國沼液的膜處理和帶式干燥的總成本費用分別為每噸11.13歐元和12.28歐元。而人們對沼液的蒸發(fā)濃縮研究較少，本文將以能否滿足沼液蒸發(fā)所需熱量為基礎(chǔ)，分析沼氣發(fā)電余熱的利用模式。以德青源大型沼氣工程為例分析以沼氣發(fā)電余熱作為熱源的沼液蒸發(fā)濃縮的可行性，分析沼液蒸發(fā)濃縮對沼氣工程持續(xù)健康發(fā)展的重要意義。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣工程能量分析

熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣工程的典型工藝流程如圖1所示。沼氣工程熱電聯(lián)產(chǎn)指沼氣發(fā)電機(jī)將沼氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能和熱能，電能供給電網(wǎng)，發(fā)電余熱回收后供給厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。在無外部熱量輸入時，要滿足熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣工程的自身熱量平衡，則回收的發(fā)電余熱須大于厭氧發(fā)酵系統(tǒng)自身的熱量需求[26]。即

Q余≥Q

(1)

式中：Q余為回收的發(fā)電機(jī)余熱；Q為厭氧發(fā)酵系統(tǒng)所需的總熱量。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣工程典型工藝流程圖

1.1 發(fā)電機(jī)余熱計算

沼氣發(fā)電機(jī)組的能量平衡如圖2所示。一般情況下，沼氣發(fā)電的總效率在70%～80%，先進(jìn)的沼氣發(fā)電機(jī)總效率則高于80%。發(fā)電余熱主要包括內(nèi)燃機(jī)散熱、空氣冷卻器、潤滑油冷卻器、冷卻水、尾氣5個部分?？苫厥盏陌l(fā)電余熱一般占沼氣總能量的40%左右。

1.1.1 沼氣的總能量計算

沼氣的總能量(以日計)計算見公式(2)(3)：

E=V×q

(2)

q=q1×k

(3)

式中：E為沼氣的總能量(以日計)，MJ·d-1；V為日產(chǎn)沼氣量，m3；q為沼氣的熱值，MJ·m-3；q1為甲烷的熱值，35.9 MJ·m-3；k為沼氣中的甲烷含量，一般在55%～70%。

1.1.2 可回收的發(fā)電余熱

可回收的發(fā)電余熱(以日計)計算見公式(4)：

Q余=E×η

(4)

式中：Q余為可回收的發(fā)電余熱，MJ·d-1；η為余熱回收總效率。

1.2 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的熱量需求

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的熱量需求包括厭氧發(fā)酵罐保溫所需的熱量、進(jìn)料升溫所需的熱量和管道熱損失[27]，可由公式(5)計算得出。

Q=Q1+Q2+Q3

(5)

式中：Q為厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的熱量需求，MJ·d-1；Q1為厭氧發(fā)酵罐保溫所需的熱量，MJ·d-1；Q2為厭氧發(fā)酵沼氣工程的進(jìn)出料管道熱損失，MJ·d-1；Q3為厭氧發(fā)酵罐進(jìn)料升溫所需的熱量，MJ·d-1。

1.2.1 厭氧發(fā)酵罐保溫?zé)崃啃枨笥嬎?/p>

要維持厭氧發(fā)酵罐的恒溫運(yùn)行，需要提供的厭氧發(fā)酵罐保溫?zé)崃康扔趨捬醢l(fā)酵罐的總散熱量。厭氧發(fā)酵罐的總散熱量由厭氧發(fā)酵罐頂部散熱量、側(cè)壁散熱量和底部散熱量3部分組成，厭氧發(fā)酵罐的總散熱量可由公式(6)計算得出。

圖2 沼氣發(fā)電機(jī)組的能量平衡圖

Q1=Q4+Q5+Q6

(6)

式中：Q1為厭氧發(fā)酵罐的總散熱量，MJ·d-1；Q4為厭氧發(fā)酵罐頂部散熱量，MJ·d-1；Q5為厭氧發(fā)酵罐底部散熱量，MJ·d-1；Q6為厭氧發(fā)酵罐側(cè)壁散熱量，MJ·d-1。

公式(7)為單層平壁熱傳導(dǎo)公式，可用于計算厭氧發(fā)酵罐頂部和底部的散熱量。

(7)

式中：Qi表示厭氧發(fā)酵罐頂部、底層散熱量，MJ·d-1；Si為厭氧發(fā)酵罐頂部、底層的面積，m2；T0為厭氧發(fā)酵罐體內(nèi)部溫度，℃；Ti為發(fā)酵罐外部環(huán)境溫度，℃；bi為厭氧發(fā)酵罐頂部、底部保溫層厚度，m；λi為厭氧發(fā)酵罐頂部、底層保溫層的熱導(dǎo)率，W·m-1℃。

公式(8)為單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)公式，用于計算厭氧發(fā)酵罐側(cè)壁的散熱量。

(8)

式中：H為發(fā)酵罐高度，m；r2和r1為厭氧發(fā)酵罐側(cè)壁保溫層內(nèi)外半徑，m；T0，Ti，λi意義同公式(7)。

1.2.2 管路等熱量損失計算

厭氧發(fā)酵沼氣工程的進(jìn)出料管道一般較短，而且保溫措施較好，故管道的熱損失Q2相對很小，可以忽略不計，即Q2≈0。

1.2.3 進(jìn)料升溫所需熱量計算[28]

進(jìn)料升溫所需熱量計算見公式(9)：

Q3=M×Cp×(T0-TS)

(9)

式中：Q3為厭氧發(fā)酵罐進(jìn)料升溫所需的熱量，MJ·d-1；M為厭氧發(fā)酵罐每日的進(jìn)料量，t·d-1；Cp為進(jìn)料的比熱容，可近似取水的比熱容，4.2 MJ·t-1℃；T0為厭氧發(fā)酵罐體的內(nèi)部溫度，℃；TS為進(jìn)料溫度，℃。

2 沼液蒸發(fā)濃縮所需熱量分析

沼液蒸發(fā)濃縮所需的熱量包括兩部分：一部分是將沼液加熱到沸點所需的熱量，一部分是將達(dá)到沸點的沼液持續(xù)蒸發(fā)濃縮所需的熱量。沼液蒸發(fā)濃縮所需的熱量可由公式(10)計算得出。

△H=△H1+△H2

(10)

式中：△H為沼液蒸發(fā)濃縮所需的熱量，MJ·d-1；△H1為將沼液加熱到沸點所需要的熱量，MJ·d-1；△H2為持續(xù)蒸發(fā)濃縮所需的熱量，MJ·d-1。

2.1 將沼液加熱到沸點所需的熱量△H1

假設(shè)從厭氧中溫發(fā)酵罐到達(dá)沼液蒸發(fā)器的沼液溫度為T1，則△H1可由公式(11)計算得出。

△H1=m×Cp×(T2-T1)

(11)

式中：m為沼液的質(zhì)量，t·d-1；Cp為沼液的比熱容(可近似取水的比熱容)，4.2 MJ·t-1℃；T1為沼液到達(dá)蒸發(fā)器的溫度，℃；T2為沼液的沸點，℃。

2.2 持續(xù)蒸發(fā)濃縮所需的熱量△H2

沼液達(dá)到沸點后需要持續(xù)的熱量來保持蒸發(fā)的順利進(jìn)行，這部分熱量由持續(xù)蒸發(fā)濃縮所需的熱量表示，可由公式(12)計算得到。

△H2=mv×△hv

(12)

式中：mv為蒸發(fā)濃縮損失的沼液質(zhì)量，t·d-1；△hv為沼液的汽化熱，可近似取水的汽化熱，2260 MJ·t-1。

沼液的蒸發(fā)比a可由公式(13)表示。沼液的濃縮倍數(shù)C可由公式(14)計算得出[29]。從式中可以看出在蒸發(fā)初期濃縮倍數(shù)隨蒸發(fā)比增加變化非常緩慢，但在蒸發(fā)末期濃縮倍數(shù)隨蒸發(fā)比增大急劇升高。說明在蒸發(fā)末期蒸發(fā)比的變化對濃縮倍數(shù)的提高作用較大。

a=mv/m

(13)

C=m/(m-mv)

(14)

2.3 沼液蒸發(fā)過程的熱量回收

在整個蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)系統(tǒng)的熱量絕大部分可以回收循環(huán)利用，假設(shè)回收率為k1，則可回收熱量Qr可由公式(15)計算得出。蒸發(fā)過程的實際消耗熱量Qc可由公式(16)計算得出。

Qr=△H×k1

(15)

Qc=1-Qr=△H×(1-k1)

(16)

3 發(fā)電余熱利用方式分析

假設(shè)厭氧工程產(chǎn)生的沼氣全部用于發(fā)電，發(fā)電余熱用于發(fā)酵罐保溫和進(jìn)料增溫，若還有剩余可進(jìn)行沼液的蒸發(fā)濃縮，以減少沼液的存儲體積，回收沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)。發(fā)電余熱利用的五種模式如圖3所示，圖3表示發(fā)電余熱的能量不夠發(fā)酵罐的保溫和進(jìn)料的增溫，此時，需要額外的熱源Q外來保證厭氧發(fā)酵的恒溫。即：

Q余+Q外=Q(Q余≤Q)

(17)

圖3 發(fā)電余熱不足型

圖4 發(fā)電余熱臨界型

圖4表示發(fā)電余熱正好等于發(fā)酵罐保溫和進(jìn)料增溫需要的能量，此時不需要額外的熱能就可以維持發(fā)酵過程的順利進(jìn)行。即：

Q余=Q

(18)

圖5 發(fā)電余熱微余型

圖5表示發(fā)電余熱大于發(fā)酵罐保溫和進(jìn)料增溫所需的熱量，剩余的部分發(fā)電余熱可提供部分沼液的蒸發(fā)濃縮所需的熱量△H部。即：

Q余=Q+△H部(Q余≥Q)

(19)

圖6 發(fā)電余熱滿足型

圖6表示發(fā)電余熱大于發(fā)酵罐保溫和進(jìn)料增溫所需的熱量，剩余的部分發(fā)電余熱正好滿足發(fā)酵系統(tǒng)所產(chǎn)全部沼液蒸發(fā)濃縮所需的全部熱量△H。即：

Q余=Q+△H(Q余≥Q)

(20)

圖7表示發(fā)電余熱大于發(fā)酵罐保溫和進(jìn)料增溫所需的熱量，剩余的部分發(fā)電余熱除滿足發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)全部沼液蒸發(fā)濃縮所需的熱量外還有部分能量剩余Q其它的情況。即：

Q余=Q+△H+Q其它(Q余≥Q)

(21)

圖7 發(fā)電余熱剩余型

4 案例分析

4.1 案例介紹

北京德青源農(nóng)業(yè)科技股份有限公司健康養(yǎng)殖生態(tài)園是國內(nèi)最大的蛋雞養(yǎng)殖基地，有現(xiàn)代化雞舍32棟，年飼養(yǎng)蛋雞 300萬羽，采用蛋雞高密度疊層筑養(yǎng)。每天產(chǎn)生雞糞212噸(TS=30%)。2007年建成以雞糞污為發(fā)酵底物的2 MW大型熱電肥聯(lián)產(chǎn)沼氣工程，年產(chǎn)沼氣700萬m3，年發(fā)電量1400萬kWh[30]。該沼氣工程的工藝流程如圖8所示。

圖8 工藝流程圖

4.2 能量分析與計算

4.2.1 發(fā)電余熱供應(yīng)分析

德青源沼氣工程年產(chǎn)設(shè)計沼氣產(chǎn)量V年為700萬m3，年發(fā)電1400萬kWh。根據(jù)沼氣發(fā)電機(jī)組的能量收支平衡圖(見圖2)進(jìn)行計算(忽略農(nóng)戶的沼氣用量)。

日產(chǎn)沼氣體積V=V年/365

甲烷含量按65%計算(一般情況下為55%～70%，此處取65%)。

甲烷的熱值q1=35.9 MJ·m-3

沼氣的熱值q= q1×65%=35.9×65%=23.335 MJ·m-3則該工程日產(chǎn)沼氣總能量E為：

E=q×V=23.335×700×104/365=44.75×104MJ·d-1

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[31]可知此沼氣工程發(fā)電機(jī)的余熱回收效率為沼氣總能量的42%，則該沼氣工程年可回收熱量值Q余為：

Q余=E×42%=44.75×104×42%=18.80×104MJ·d-1

4.2.2 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)熱量需求分析

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)熱量需求包括發(fā)酵罐的保溫和進(jìn)料增溫所需的熱量。根據(jù)公式(7)～(9)進(jìn)行計算。其中：發(fā)酵罐的發(fā)酵溫度T0為38℃；環(huán)境溫度Ti和進(jìn)料溫度Ts采用項目所在地北京的溫度，℃；發(fā)酵罐頂部和側(cè)壁的保溫層厚度bi取300 mm；發(fā)酵罐底基礎(chǔ)為鋼筋混凝土，厚度bi取700 mm；發(fā)酵罐保溫材料聚苯乙烯的導(dǎo)熱率λi為0.042 W·m-1℃，鋼筋混凝土的熱導(dǎo)率λi為1.3 W·m-1℃。計算結(jié)果如表1所示。從結(jié)果可以看出，發(fā)電余熱除滿足厭氧發(fā)酵系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的熱量外還有剩余。即Q余≥Q。

表1 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)熱量需求表

4.2.3 沼液蒸發(fā)需要的熱量分析

單位體積沼液蒸發(fā)所需的能量計算，需要首先確定一個蒸發(fā)比，不同的蒸發(fā)比所需的蒸發(fā)熱量不同。從公式(10)～(12)，可以看出沼液的△H和△H2與蒸發(fā)比成線性關(guān)系?！鱄1與蒸發(fā)比無關(guān)。由于沼液中含有的物質(zhì)較復(fù)雜，蒸發(fā)比過大會造成蒸發(fā)器的結(jié)垢現(xiàn)象顯著，故接下來的計算采用蒸發(fā)比為90%，濃縮倍數(shù)為10。此時蒸發(fā)單位沼液所需能量H90%為2328 MJ·t-1。蒸發(fā)熱量回收率k1取90%，則蒸發(fā)過程的實際消耗熱量Qc為232.8 MJ·t-1。回收的發(fā)電余熱在扣除用于厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的熱量后的剩余值如表1所示，則實際可蒸發(fā)的沼液量V實際可由公式(22)計算得到。

V實際=(Q余-Q)/H90%

(22)

不同月份的每日實際可蒸發(fā)量V實際如表2所示。設(shè)△= V實際- V。從表中可以看出所有月份的△均大于零，說明剩余發(fā)電余熱可滿足全部沼液蒸發(fā)的需要(蒸發(fā)比90%時)，且存在剩余熱量Q其它。剩余的這部分熱量可以用于雞舍的夏季制冷、冬季的保溫或蔬菜大棚的保溫等。

表2 沼液蒸發(fā)熱量需求表(蒸發(fā)比90%)

對于德青源這樣的大型沼氣工程而言，沼氣發(fā)電余熱量大，沼氣工程可以實現(xiàn)能量的自給自足。發(fā)電余熱除滿足自身保溫外還能用于其它用途。圖9是沼氣發(fā)電和余熱利用的流程圖。沼液利用發(fā)電余熱蒸發(fā)后產(chǎn)生的蒸餾出水可以回收利用，蒸餾濃縮液在進(jìn)行相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)配后可作為有機(jī)液肥出售，可增加系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。剩余的發(fā)電余熱可用于雞舍調(diào)溫和蔬菜大棚供暖。

此外，以上計算未考慮沼液在作物施肥期的農(nóng)田直接利用。若將這部分沼液扣除，則沼液蒸發(fā)所需能量將進(jìn)一步降低，發(fā)電余熱的剩余量Q其它將會進(jìn)一步增加。

5 沼液蒸發(fā)濃縮的意義

如果沼液不經(jīng)過濃縮直接作為肥料施于農(nóng)田，由于受到作物施肥期的限制，需要大量的存儲空間。

注：實線表示物質(zhì)流，虛線表示能量流圖9 以發(fā)電為主的大型沼氣工程余熱利用流程圖

假設(shè)附近的果園和農(nóng)田每年施肥次數(shù)一定且施肥的間隔時間不變，每次施肥期均為1個月。則當(dāng)每年施肥次數(shù)分別為2，3，4次時，沼液的平均存儲周期分別為6個月，4個月，3個月。沼液的剩余量即沼液池的實際沼液存儲量最高分別為7.1×104t，4.3×104t，2.9×104t，需要占有大量的存儲空間。另外，沼液儲存池需設(shè)置一定的安全系數(shù)，其實際需要占據(jù)更大的空間。目前該工程的沼液儲存池體積為5×104m3。實際工程中，沼液儲存池大多為無蓋設(shè)計，而沼液中含有高濃度的氨氮以及甲烷和硫化氫等會在存儲過程中散逸到大氣中，污染空氣[11]；甲烷是溫室氣體，同時，硫化氫和氨具有刺激性氣味，還會危害人類的健康。同時氨的外溢也會降低沼液的肥效。

若利用發(fā)電余熱將沼液進(jìn)行濃縮，不但可以避免沼液對空氣的污染、減小存儲池的基建投資，還能避免沼液肥效的降低。同時，沼液的濃縮減小了沼液的體積，濃縮沼液中的營養(yǎng)物質(zhì)含量得到了提高，便于沼液的運(yùn)輸和銷售，可為沼氣工程增加一部分收入。

經(jīng)過上述分析計算可知，發(fā)電余熱的熱量完全可以滿足沼液蒸發(fā)的熱量需求，但實際上由于在一定時期，即農(nóng)作物施肥期，沼液可以不經(jīng)過濃縮，直接經(jīng)管道輸送到附近農(nóng)田。假設(shè)附近的果園和農(nóng)田每年施肥次數(shù)分別為2，3，4次時，需要濃縮的沼液實際分別為10個月，9個月，8個月的沼液。此時沼液的剩余量最高分別為0.71×104t，0.43×104t，0.29×104t。與沼液濃縮前相比，沼液池的體積可縮小90%，大大減小了沼液儲存池的占地面積。綜上所述，沼液蒸發(fā)濃縮不但可以解決沼液儲存的問題還能為沼氣工程提供一定的經(jīng)濟(jì)效益，可促進(jìn)沼氣工程的可持續(xù)發(fā)展。

6 結(jié)論

本文對熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣工程的能量供求情況進(jìn)行了分析，分析了5種不同的熱量供求模式。以德青源大型沼氣工程為實例進(jìn)行了計算分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該沼氣工程的發(fā)電余熱可滿足第5種熱量供求模式，即余熱不但可以滿足厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的熱量需求，還可以滿足將全部沼液進(jìn)行濃縮所需的熱量，同時還有熱量剩余。這部分剩余熱量可用于其它用途，如雞舍調(diào)溫和大棚保溫等。分析結(jié)果顯示，采用沼液蒸發(fā)濃縮技術(shù)對于德青源沼氣工程是可行的。同時，沼液的蒸發(fā)濃縮還可以減少沼液儲存池的體積，減少沼液存儲過程中氨氮揮發(fā)對環(huán)境的污染。此外，沼液經(jīng)蒸發(fā)后的濃縮液便于運(yùn)輸和銷售，可增加沼氣工程的經(jīng)濟(jì)效益。可見沼液的蒸發(fā)濃縮對沼氣工程的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。