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蒲小東1，鄧良偉1，尹勇2，宋立1，王智勇1
（1.農業部沼氣科學研究所，成都610041；2.四川省農村能源辦公室，成都610041）
摘要：為解決大中型沼氣工程的加熱升溫問題，該文以一個豬場廢水處理沼氣工程為例，對沼氣鍋爐、太陽能和沼氣發電余熱利用3種加熱方式進行了經濟效益分析。結果表明：沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發電余熱利用加熱3種方式的投資比為2︰11.2︰1，沼氣發電余熱利用加熱方式的費用年值僅為沼氣鍋爐加熱和太陽能加熱方式的60%和12%；沼氣發電余熱利用加熱方式無論從經濟效益、技術性能，還是適應性、運行持久性等方面都明顯優于太陽能加熱和沼氣鍋爐加熱。因此，基于中國的自然經濟狀況，大部分大中型沼氣工程應優先選擇沼氣發電余熱利用加熱方式。
0引言
目前，國內外規模化大中型沼氣工程日益增多，特別是高濃度物料中溫厭氧發酵是規模化沼氣工程發展的趨勢，溫度是影響沼氣中溫發酵產氣率的關鍵因素之一，中溫發酵最適溫度為35～40℃[1-3]，如果要使高濃度物料沼氣中溫發酵工程常年穩定運行，保持恒定、高效的產氣量，有必要對沼氣發酵料液的溫度進行嚴格控制，采取適當的加熱保溫措施，使發酵溫度不隨環境氣溫而變化[4]。故選擇經濟高效的加熱升溫方式成為大中型沼氣工程發展必須解決的問題。
有學者提出，沼氣池的加熱方式主要包括電熱膜加熱、太陽能加熱、化石能源熱水鍋爐加熱、沼氣鍋爐加熱、沼氣發電余熱利用和燃池式加熱等6種[5]。對于當今國內外的規模化大中型沼氣工程而言，大多數都采用熱水循環加熱法，從目前實際應用來看，主要有沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發電余熱利用加熱3種方式[6-7]。
沼氣鍋爐加熱是一種傳統的加熱方式，沼氣鍋爐以沼氣為燃料，通過燃燒獲得熱水，熱水經換熱器加熱發酵料液，主要運用于有富裕沼氣的工程；太陽能加熱系統采用定溫控制，通過太陽能集熱系統完成熱能的采集和傳輸，由太陽能熱水通過螺旋換熱管對發酵料液進行加熱[8-10]；沼氣發電余熱利用是目前發展最快的一種加熱方式，沼氣發電余熱利用是在沼氣熱電聯產工程中，利用發電機組發電，同時燃氣內燃機將排放將近600℃的尾氣，高溫氣體中含有大量的余熱，通過余熱回收系統中的換熱器用余熱加熱發酵料液[11-12]。
本文通過設計實例，分析了這3種常見的大中型沼氣工程加熱方式并進行了經濟效益分析，解決大中型沼氣工程加熱升溫的問題，以促進大中型沼氣工程的穩定運行。
1研究實例與計算模型
1.1研究實例
以年存欄5700頭豬（年出欄10000頭豬）的豬場為例，處理豬糞10t/d，尿15t/d，沖洗廢水85t/d。采用“基于濃稀分流的豬場糞便污水處理方法”（專利申請號2009100584721），分別設計一座高濃度中溫厭氧消化罐和一座低濃度常溫厭氧消化罐，各參數如下：
1）高濃度中溫厭氧消化罐
日進水量：21.4t/d；總固體（TS）：8%；發酵溫度：中溫發酵(35±2)℃；有效池容：300m3，尺寸：8.00m×7.00m，錐體高1.05m；水力停留時間HRT：14.0d；建筑結構：鋼結構；容積產氣率：1.33m3/(m3·d)，保溫材料：聚苯乙烯；中溫厭氧消化罐日產氣量為400m3。
2）低濃度常溫厭氧消化罐
日進水量：88.6t/d；總固體（TS）：0.4%；發酵溫度：20℃；有效池容：500m3，尺寸：9.00m×8.38m，錐體高1.05m；水力停留時間HRT：14.0d；建筑結構：鋼結構；容積產氣率：0.2m3/(m3·d)；常溫厭氧消化罐日產氣量為100m3。
該沼氣站日產沼氣量共計500m3。
注：因加熱只針對高濃度物料，故僅討論高濃度中溫厭氧消化罐加熱問題。
1.2熱平衡計算
對于沼氣工程，由能量守恒定律可知，輸出（損失）的能量和輸入（獲得）的能量應相等，才能保證整個系統的溫度恒定。沼氣工程每天損失的能量主要是厭氧消化罐及管道的散熱，以及每天新增投料所需熱量。（發酵產生的生物化學熱量相對于外加熱量小得多，故忽略不計）
1.2.1厭氧消化罐投料損失的熱量
厭氧消化罐投料損失的熱量計算公式（1）為[13]
2結果與分析
2.1投資估算
2.1.1沼氣鍋爐加熱
沼氣鍋爐加熱方式是指鍋爐以富裕沼氣為燃料獲得熱水，通過熱水循環向沼氣發酵系統供熱。該方式加熱效率高，同時對設備和操作技術要求比較高。沼氣鍋爐提供的熱量按公式（4）計算[14]
由表1數據可知，3種方式運行費用相同，取得效果相同，都可以達到所需加熱升溫要求。但沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發電余熱利用加熱3種方式的投資比為2∶11.2∶1，沼氣發電余熱利用加熱方式投資最低。
2.2運行費用
3種加熱方式都是采用熱水循環加熱法，主要在于熱源不同，采用的動力設備及加熱管線都相同，故年運行費用相同。
1）電費
設定每天熱水循環泵運行16h，功率為0.25kW，每天耗電量為4.0kW·h，電價按0.5元/(kW·h)計，年正常耗電費用為730元。
2）維護費
年維護費按1000元/a計，則3種加熱方式的運行費用都為1730元/a。
2.3經濟效益分析
1）費用年值
在技術經濟學中，對一個項目的經濟分析采用的指標很多，有靜態評價指標（如投資回收期，投資收益率等）；還有考慮資金時間價值的動態評價指標（如凈現值、凈年值、費用現值與費用年值以及內部收益率等）。本文采用費用年值對各加熱方式進行經濟評價[17-18]。費用年值是將現值分攤到壽命期內各年的等額年值，可用公式（6）計算，加熱系統費用年值見表2。
根據費用年值最小判斷準則，由表2可知：沼氣發電余熱利用加熱方式的費用年值僅為沼氣鍋爐和太陽能加熱方式的60%和12%，明顯優于其余2種加熱方式。
2）年收入
采用不同加熱方式的年收入情況見圖1（本文只計算沼氣及發電收入，沼氣以0.8元/m3計，電以0.5元/(kW·h)計）。
3）綜合評價
通過以上分析，3種加熱方式的綜合評價見表3。
由表3可知，沼氣發電余熱利用加熱方式無論從經濟效益、技術性能，還是適應性、運行持久性等方面都明顯優于沼氣鍋爐加熱和太陽能加熱。
3結論
對于當今國內外的規模化大中型沼氣工程，大多數都采用熱水循環加熱法，主要有沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發電余熱利用加熱3種方式。這3種加熱方式在投資、運行費用，適應性和經濟性等方面都有比較明顯的差別。
1）沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發電余熱利用加熱3種方式的投資比為2∶11.2∶1，沼氣發電余熱利用加熱方式的費用年值僅為沼氣鍋爐加熱和太陽能加熱方式的60%和12%。沼氣發電余熱利用加熱方式投資和費用年值均為最低。
2）沼氣發電余熱利用加熱方式無論從經濟效益、技術性能，還是適應性、運行持久性等方面都明顯優于太陽能加熱和沼氣鍋爐加熱。
3）中國大部分大中型沼氣工程應優先選擇沼氣發電余熱利用加熱方式。
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