畜禽粪污沼气发电工程中的加热能量平衡分析

王 兰， 邓良伟， 王 霜， 张云红， 郑 丹， 宋 立， 刘 刈， 蒲晓东， 王智勇

(农业部沼气科学研究所， 成都 610041)

畜禽粪污沼气发电工程中的加热能量平衡分析

王 兰， 邓良伟， 王 霜， 张云红， 郑 丹， 宋 立， 刘 刈， 蒲晓东， 王智勇

(农业部沼气科学研究所， 成都 610041)

文章以江苏某畜禽粪污沼气发电项目为例，分析了畜禽粪污沼气发电工程的中温厌氧消化系统加热能量供给及其影响因素。结果表明：该项目中，总加热能量需求为213.39 GJ·d-1，主要为厌氧消化罐的增温保温(75%)和有机肥烘干(25%)，其中厌氧消化罐增温保温的热量需求主要是物料增温(85.41%～86.45%)、罐体散热(12.63%～12.9%)和输热管散热(0.68%～1.78%)。因此，当发电余热回收效率为47.4%，回收热量为254.54 GJ·d-1时，沼气发电余热能够满足整个工程的加热能量需求。在其它条件不变的情况，对影响沼气工程加热能量平衡的各主要因素进行单因子分析，结果表明，要保证发电余热至少满足中温厌氧消化增温保温能量需求，则进料TS含量不应低于6.17%，余热回收效率不应低于29.74%，沼气产量达产比例不应低于设计产量的62.74%，原料量不应低于设计原料的18.63%，保温系统保温性能不应低于设计的27.36%。

沼气发电工程； 畜禽粪污； 发电余热； 能量平衡

我国是农业大国，畜禽粪便资源丰富，据不完全统计，2012年我国畜禽粪便排放量达32.1亿吨[1]。沼气发酵技术是目前最具前景的畜禽粪便资源化利用技术之一[2]，其利用有机废弃物产沼气，即可以有效削减有机污染，又可高效产沼气，而沼气的主要成分—甲烷，是一种重要的能源物质[3]。

目前沼气主要的利用方式有集中供气、发电、注入天然气管网、车用燃料、燃料电池、工业原料等[4]。沼气发电作为一种分布式高品位能源利用技术，已成为沼气利用的主要方式之一[5]。由于沼气发电过程产生大量余热，余热回收可供沼气发酵过程升温保温、周边居民取暖等，因此目前热电联产(combined heat and power generation, CHP)是欧洲乃至全世界沼气应用最主要的形式之一[5-6]。据EurObserv’ER统计，，在欧洲和德国CHP发电是沼气应用的主要形式，沼气发电分别占沼气总产量的80%和90%以上，而CHP发电分别占沼气总发电量的62.2%和71.7%。

但是，在中国沼气发电技术应用却屡屡受阻，据统计我国仅有不到3%的沼气用于发电[7]。据国家可再生能源中心统计，2014年，我国沼气发电核准容量为446.4 MW，沼气发电并网容量为215.3 MW，占生物质总发电并网容量的2.27%，若运行小时数按2014年全国平均等效满负荷运行小时数算，则沼气总发电量为2.4 TWh，占生物质总发电量的5.8%，占可再生能源发电总量的0.19%，占全国总发电量的0.04%[8]。与德国相较，我国沼气发电总量仅为德国的7.8%。可见，我国沼气发电发展缓慢，发电量低，市场份额小，为我国可再生能源发展贡献微弱。

综合分析，导致我国沼气发电技术应用发展缓慢、发电量低的原因主要有以下2点。1) 政府鼓励不足，方法不当。我国沼气产业补贴主要是建池补贴，而终端产品补贴不足。对比德国，德国采用FiT新能源补贴政策，对沼气发电上网每度电进行补贴，事实证明该政策促使德国的沼气产量提升了50%以上[9-10]。2)尽管我国沼气技术处于世界领先地位，但是我国沼气发电技术仍落后于欧美国家，且企业沼气发电工程设计经验不足，沼气发电工程由于发酵温度低、产气效率低、能源利用率低、余热回收利用率低等，导致我国沼气发电工程利润薄、难以为继。笔者主要针对我国沼气发电工程能源利用低的问题，以江苏某畜禽粪污沼气发电项目为例，分别从沼气发电工程能量衡算、原料配比、原料量设计、保温系统设计等方面进行分析探讨，旨在为沼气发电工程设计和运行等相关从业者提供依据。

1 沼气发电工程的能量衡算

1.1 工程简介

研究对象为江苏某畜禽粪污沼气发电项目，该项目以猪场粪污、奶牛鲜粪以及养殖场污水为原料，日处理鲜畜禽粪便约每天500 t，总固体(TS)含量约18.7%； 养殖场冲洗污水每天500 t，总固体(TS)含量约1.8%。采用地上式中温厌氧消化工艺，厌氧消化罐为完全混合式厌氧反应器，总池容为24000 m3； 设计进料物料TS含量为10.4%，日产沼气25000 m3，全部用于发电，并入当地电网，日产电约6万kWh，日产有机肥33 t，日产沼液892 t，发电余热回收用于中温厌氧消化罐的增温保温和有机肥生产。其工艺流程图和物料平衡图如图1和图2所示。

1.2 沼气发电系统中的能量供给

沼气发电系统中，整个系统的能量主要由厌氧消化罐产生的沼气提供，而能量去向由生产的电能、发电余热组成。发电余热回收用于厌氧消化罐的增温保温以及有机肥的烘干。沼气的甲烷含量一般为50%～70%，热值为21～24 MJ·m-3[11]。表1罗列了目前国内外主要的大中型沼气发电机组在满负荷情况下的能源利用效率。由此可见，沼气发电机组的发电热效率在28.7%～46.3%，余热回收热效率在42.8%～48.6%。其中大功率机组的发电热效率往往大于小功率机组，而国外机组的发电热效率通常在40%左右，往往比国产机组高7%左右[1]，余热回收热效率包括了烟道气的余热回收，往往大于40%[12-13]，总的能源利用率往往大于80%。项目选用2台颜巴赫JMS320GS-B.L机组，单机输出功率为1063 kW，满负荷情况下，发电机组效率为40.2%，余热回收热效率为47.4%。若沼气甲烷含量按60%计，热值为21.48 MJ·m-3，该项目可通过余热回收装置回收热能254.54 GJ·d-1。

图1 工艺流程图

图2 物料平衡图

表1 国内外主要沼气发电机组热效率

1.3 厌氧消化罐增温保温能量需求

中温厌氧消化工艺是目前工程应用最为广泛的厌氧工艺，其反应温度通常为35oC，但很多地区的环境温度难以达到该温度，特别是冬季，因此需要对厌氧消化罐进行增温保温。其能量需求(Q)主要包括：物料增温所需热量(Q1)、罐体散失热量补偿(Q2)、输热管道散失热量补偿(Q3)、沼气排出和水蒸气蒸发所带走的热量(Q4)，由于Q4数量很少，一般在工程上可不考虑[4, 14]。

由于各月份温度差异大，因此增温保温所需热量根据当地实际温度分月计算。该工程所在地区全年近12个月(2015年6月～2016年6月)的气温详见表2，其中最高和最低平均气温为26.5℃和2℃，分别在8月和1月。

项目厌氧消化温度为35℃，物料来料温度为该工程所在地区月平均气温，因此需对物料进行增温，根据相关公式[4, 15]计算物料增温所需热量(Q1)，结果详见图3。由图可知，在8月和1月，室外平均气温分别为26.5℃和2℃时，Q1达到最低和最高值，分别为36 GJ·d-1和138 GJ·d-1，全年物料增温热量需求平均值为 82.4 GJ·d-1。

厌氧消化罐的保温系统主要用于降低厌氧消化罐的热量散发。厌氧消化罐的热量散发取决于消化罐的结构、材料、罐型、保温结构。项目总共6座地上式焊接钢结构厌氧消化罐，每座厌氧消化罐的尺寸为直径18.8 m，高度15 m，顶高3.76 m，有效容积4000 m3，罐顶、罐壁采用橡塑海绵为保温材料，厚度分别为60 mm和120 mm，罐底以聚苯乙烯为保温材料，厚度为120 mm。罐体散发的热量主要包括罐顶、罐壁和罐底所散发的热量，根据相关公式[4, 15]计算罐体散发热量所需能量补偿(Q2)，结果详见图3。由图可知，在8月和1月，室外平均气温分别为26.5℃和2℃时，Q2达到最低和最高值，分别为5.4 GJ·d-1和20.6 GJ·d-1，全年厌氧消化罐保温能量需求平均值为12.3 GJ·d-1。

表2 工程所在地区月平均气温表 (℃)

项目采用发电余热进行加热，发电机余热回收装置热水进口温度为90oC，出口温度为70oC，平均温度为80oC，管外温度为气温，管道为DN50的镀锌钢管辅以橡塑海绵为管道保温，管道长200 m，埋于地下0.5 m。根据相关公式[4, 15]计算输热管道散失热量补偿(Q3)，结果详见图3。由图可知，在8月和1月，室外平均温度分别为26.5℃和2℃时，Q2达到最低和最高值，分别为0.75 GJ·d-1和1.09 GJ·d-1，全年罐外管道热量损失能量补偿需求平均值为0.9 GJ·d-1。

综上所述，笔者项目中厌氧消化罐增温保温能量需求(Q)在8月和1月，室外平均气温分别为26.5℃和2℃时，Q达到最低和最高值，分别为42.15 GJ·d-1和159.69 GJ·d-1，全年厌氧消化系统所需总热量平均值为95.6 GJ·d-1。其中，物料增温、罐体散热和输热管道散热分别占总能量需求的85.41%～86.45%，12.63%～12.9%，0.68%～1.78%。发电余热完全能够满足全年厌氧消化罐增温保温能量需求(见图3)。

1.4 有机肥烘干能量需求

如图2所示，项目整个系统产生沼渣78 t·d-1，含水率为70%，经堆肥后，原料含水率降为35%，然后经冷却、圆盘造粒、回转烘干、电子包装等工艺流程制成成品有机肥出售[16-18]。回转烘干机和热风炉的热效率分别为50%和85%。沼渣生产有机肥过程中烘干所需热量根据相关公式计算[19]。各月份有机肥烘干所需总热量详见图4。经计算，在8月和1月，室外平均气温分别为26.5℃和2℃时，有机肥烘干所需热量达到最低和最高值，因此最小、最大和平均值分别为48 GJ·d-1，53.7 GJ·d-1和50.6GJ·d-1。

综上所述，江苏某畜禽粪污沼气发电项目全年厌氧消化罐增温保温以及有机肥烘干所需最大总热量为213.39 GJ·d-1，其中前者占75%，后者占25%。总需热量小于发电余热所能回收的总热量254.54 GJ·d-1，仍有41.15 GJ·d-1热量结余。因此沼气发电余热回收总热量足够沼气发电工程厌氧消化罐增温保温和有机肥烘干使用。

图4 沼气发电工程发电余热利用能量供需平衡

2 沼气发电工程加热能量平衡的主要影响因素

2.1 进水TS含量对沼气发电工程加热能量平衡的影响

进水TS含量主要通过影响物料增温所需热量而影响沼气工程的加热能量平衡，而物料增温所需热量又是厌氧消化罐增温保温的主要需热源。由图3可知，笔者项目中，物料增温所需热量占厌氧消化罐的增温保温所需热量的85.41%～86.45%。高浓度厌氧消化，进料的TS含量一般在8%～10%，因此在物料增温过程中有90%左右的能量用于增温水分，而在产沼气的过程中水分并不会产沼气，从而提供能量供给，因此进料的TS含量对沼气发电工程能量平衡至关重要。如图2所示，在无沼液回流，每天进料TS总量为104 tTS·d-1，物料的TS产气率为244 m3·t-1TSd-1，冬季最低气温为2oC的情况下，对该项目TS含量对沼气发电工程能量平衡的影响进行分析，结果如图5所示。由图可知，当原料TS含量达到6.17%时，沼气发电余热可满足厌氧消化罐增温保温所需热量，当原料TS含量达到8.02%时，沼气发电余热可满足厌氧消化罐增温保温和有机肥烘干所需热量。

图5 沼气发电工程加热所需热量随进水TS含量的变化

图6 沼气发电工程加热所需热量随发电余热回收效率的变化

2.2 发电余热回收效率对沼气发电工程加热能量平衡的影响

项目日产25000 m3沼气，合537 GJ·d-1热量， 全部用于发电和余热回收，而最大总热量需求和厌氧消化罐增温保温热量需求分别为213.39 GJ·d-1和159.69 GJ·d-1。据此，分析了发电余热回收效率对沼气发电工程能量平衡的影响，结果如图6所示。由图可知，当余热回收效率达到29.74%时，沼气发电余热仅够厌氧消化罐增温保温所需热量，当余热回收效率达到39.74%时，沼气发电余热才能满足厌氧消化罐增温保温和有机肥烘干所需热量。可见，在同时回收缸套冷却水和烟气热量的情况下，国内外大部分发电机组的余热回收效率均可满足该项目的加热需求。

2.3 沼气达产比例对沼气发电工程加热能量平衡的影响

尽管沼气工程在设计时已充分考虑多方面原因，但是事实上，大部分沼气工程在运行时均很难达到设计产量。综合分析，这主要是由于原料量不足、没有达到设计的发酵温度、原料产气率降低等原因造成。若进水TS含量不发生改变，原料量减少不仅会导致沼气产量减少，而且会导致物料增温热量需求和有机肥烘干热量需求的减少。但原料产气率降低和发酵温度不足仅会导致沼气产量减少，而整个工程的热量需求不变。因此，文章分析了在原料量变化和不变的情况下，沼气达产比例对沼气发电工程能量平衡的影响，结果如图7所示。结果表明，在原料量不变的情况下，沼气达产比例大于62.74%，则发电余热可满足厌氧消化罐增温保温使用，沼气达产比例大于83.83%，则发电余热可满足厌氧消化罐增温保温和有机肥烘干使用。若沼气产量达不到设计产量是由于原料量不足引起的，当原料量大于设计原料量的18.63%时，则发电余热可满足厌氧消化罐增温保温的需求； 当原料量大于设计原料量的34.6%，则发电余热可满足厌氧消化罐增温保温和有机肥烘干使用。

图7 沼气发电工程加热所需热量随沼气达产比例的变化

2.4 保温系统性能对沼气发电工程加热能量平衡的影响

在实际运行过程中，由于保温材料性能、保温层制作质量等各种原因，往往导致保温系统性能达不到设计标准。项目将厌氧消化罐的保温系统视为一体，设计保温系统视为最佳性能(100%)，将无保温系统的情况视为最差性能(0%)，而厌氧消化罐罐顶、罐壁结构为钢结构，罐底结构为钢筋混凝土，罐外加热管道采用镀锌钢管，因此在最差性能情况下，系统各部分传热系数为构筑物结构的导热系数计算获得，结果如图8所示。由图可知，若整个工程保温系统失效，相当于厌氧消化罐和罐外加热管道均无保温，那么厌氧消化罐增温保温所需热量为290 GJ·d-1，发电余热全部用于厌氧消化罐增温保温，当冬季室外温度为2oC时，只能将厌氧消化温度提升至31.8oC，由于温度不足，沼气产量难以达产，继而发电余热不足，形成恶性循环。当项目保温系统性能达到设计的27.36%时，发电余热可满足厌氧消化罐增温保温热量供给，当保温系统性能达到预设的68.48%时，发电余热可满足厌氧消化罐增温保温和有机肥烘干使用。由此可见，保温系统对整个沼气发电工程的加热能量平衡至关重要，不容一丝马虎。

图8 沼气发电工程加热所需热量随保温系统性能的变化

3 结论

文章以江苏某畜禽粪污沼气发电项目为例，对畜禽粪污沼气发电工程的能量平衡进行了分析。结果表明：

(1) 沼气发电机组的发电热效率和余热回收效率是影响沼气发电工程加热能量平衡的关键因素之一。目前国外机组的发电热效率通常在40%左右，往往比国产机组高7%左右，余热回收热效率包括了烟道气的余热回收，往往大于40%，总的能源利用率往往大于80%。项目选用的沼气发电机组，余热回收热效率为47.4%，可回收热能254.54 GJ·d-1。

(2) 项目沼气发电余热回收主要用于厌氧消化罐的增温保温和有机肥烘干。全年厌氧消化罐增温保温以及有机肥烘干所需最大总热量为213.39 GJ·d-1，其中前者占75%、后者占25%，其小于发电余热所能回收的总热量254.54 GJ·d-1，仍有41.15 GJ·d-1热量结余。因此发电余热回收总热量足够满足沼气发电工程的需求。厌氧消化罐增温保温的热量需求又以进料的增温为主，物料增温、罐体散热和输热管道散热分别占总能量需求的85.41%～86.45%，12.63%～12.9%，0.68%～1.78%。

(3) 影响沼气工程的加热能量平衡的主要因素有：进水TS含量、发电余热回收效率、沼气达产比例、保温系统性能。在其它条件不变的情况，若要确保沼气发电余热足够厌氧消化罐增温保温使用，则原料TS含量应达到6.17%，余热回收效率应达到29.74%，在进料量不变的情况下，沼气达产比例应大于设计沼气产量的62.74%； 在进料量变化的情况下，原料量应大于设计原料量的18.63%，项目保温系统性能应达到预设的27.36%。若要确保沼气发电余热能够满足厌氧消化罐增温保温和有机肥烘干使用，则原料TS含量应达到8.02%，余热回收效率应达到39.74%，在进料量不变的情况下，沼气达产比例应大于设计沼气产量的83.83%，在进料量变化的情况下，原料量应大于预设原料量的34.6%，保温系统性能应达到预设的68.48%。

项目能量平衡分析表明，沼气发电余热足够整个发电工程加热能量需求，其中物料增温是整个项目需热量最大的部分。良好的保温系统性能、足够的进料TS含量、足够的沼气产量、足够的原料以及良好的发电机组性能是保证该项目能量平衡的关键。

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Energy Balance Analysis of Power Generation Fueled by Biogas from Anaerobic Livestock Manure Fermentation /

WANG Lan, DENG Liang-wei, WANG Shuang, ZHANG Yun-hong, ZHENG Dan, SONG Li, LIU Yi, PU Xiao-dong, WANG Zhi-yong /

(Biogas Institute of Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China)

The heat balance and influence factors of biogas fueled power generation in livestock manure fermentation system were analyzed taking a project in Jiangsu province as an example. The results showed that the total heating energy requirement of this project was 213.39 GJ·d-1, including 25% of energy requirement for drying organic fertilizer, 75% for maintaining digester temperature (constitute of material heating 85.41%～86.45%, the heat loss of digester 12.63%～12.9%, and the heat loss of heat supply pipeline 0.68%～1.78%). So, the project could cover the energy requirement when its energy recovery efficiency was 47.4% with power generation of 254.54 GJ·d-1. And in order to ensure that the recovered energy was enough for maintaining digester temperature, the TS content of feeding material should be larger than 6.17%, the waste heat recovery efficiency should be larger than 29.74%, the actual biogas output should be larger than 62.74% of the designed output, the feeding quantity should be larger than 18.63% of the designed value, and the performance of system temperature maintaining should be larger than 27.36% of the designed.

biogas power generation project; livestock manure; waste heat recovery energy; energy balance

2016-08-30

项目来源： 国家自然科学基金(31500105)； 现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-36)

王 兰(1987-)，女，汉族，四川人，研究实习员，主要从事废水生物处理工作，E-mail:wanglandiy@sina.com

邓良伟，E-mail: dengliangwei@caas.cn

S216.4； TK11； X713

B

1000-1166(2016)06-0065-07