蒲小东¹，邓良伟¹，尹勇²，宋立¹，王智勇¹

（1.农业部沼气科学研究所，成都610041；2.四川省农村能源办公室，成都610041）

　　摘要：为解决大中型沼气工程的加热升温问题，该文以一个猪场废水处理沼气工程为例，对沼气锅炉、太阳能和沼气发电余热利用3种加热方式进行了经济效益分析。结果表明：沼气锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热利用加热3种方式的投资比为2︰11.2︰1，沼气发电余热利用加热方式的费用年值仅为沼气锅炉加热和太阳能加热方式的60%和12%；沼气发电余热利用加热方式无论从经济效益、技术性能，还是适应性、运行持久性等方面都明显优于太阳能加热和沼气锅炉加热。因此，基于中国的自然经济状况，大部分大中型沼气工程应优先选择沼气发电余热利用加热方式。

　　0引言

　　目前，国内外规模化大中型沼气工程日益增多，特别是高浓度物料中温厌氧发酵是规模化沼气工程发展的趋势，温度是影响沼气中温发酵产气率的关键因素之一，中温发酵最适温度为35～40℃^[1-3]，如果要使高浓度物料沼气中温发酵工程常年稳定运行，保持恒定、高效的产气量，有必要对沼气发酵料液的温度进行严格控制，采取适当的加热保温措施，使发酵温度不随环境气温而变化[4]。故选择经济高效的加热升温方式成为大中型沼气工程发展必须解决的问题。

　　有学者提出，沼气池的加热方式主要包括电热膜加热、太阳能加热、化石能源热水锅炉加热、沼气锅炉加热、沼气发电余热利用和燃池式加热等6种^[5]。对于当今国内外的规模化大中型沼气工程而言，大多数都采用热水循环加热法，从目前实际应用来看，主要有沼气锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热利用加热3种方式^[6-7]。

　　沼气锅炉加热是一种传统的加热方式，沼气锅炉以沼气为燃料，通过燃烧获得热水，热水经换热器加热发酵料液，主要运用于有富裕沼气的工程；太阳能加热系统采用定温控制，通过太阳能集热系统完成热能的采集和传输，由太阳能热水通过螺旋换热管对发酵料液进行加热^[8-10]；沼气发电余热利用是目前发展最快的一种加热方式，沼气发电余热利用是在沼气热电联产工程中，利用发电机组发电，同时燃气内燃机将排放将近600℃的尾气，高温气体中含有大量的余热，通过余热回收系统中的换热器用余热加热发酵料液^[11-12]。

　　本文通过设计实例，分析了这3种常见的大中型沼气工程加热方式并进行了经济效益分析，解决大中型沼气工程加热升温的问题，以促进大中型沼气工程的稳定运行。

　　1研究实例与计算模型

　　1.1研究实例

　　以年存栏5700头猪（年出栏10000头猪）的猪场为例，处理猪粪10t/d，尿15t/d，冲洗废水85t/d。采用“基于浓稀分流的猪场粪便污水处理方法”（专利申请号2009100584721），分别设计一座高浓度中温厌氧消化罐和一座低浓度常温厌氧消化罐，各参数如下：

　　1）高浓度中温厌氧消化罐

　　日进水量：21.4t/d；总固体（TS）：8%；发酵温度：中温发酵(35±2)℃；有效池容：300m³，尺寸：8.00m×7.00m，锥体高1.05m；水力停留时间HRT：14.0d；建筑结构：钢结构；容积产气率：1.33m³/(m³·d)，保温材料：聚苯乙烯；中温厌氧消化罐日产气量为400m³。

　　2）低浓度常温厌氧消化罐

　　日进水量：88.6t/d；总固体（TS）：0.4%；发酵温度：20℃；有效池容：500m³，尺寸：9.00m×8.38m，锥体高1.05m；水力停留时间HRT：14.0d；建筑结构：钢结构；容积产气率：0.2m³/(m³·d)；常温厌氧消化罐日产气量为100m³。

　　该沼气站日产沼气量共计500m³。

　　注：因加热只针对高浓度物料，故仅讨论高浓度中温厌氧消化罐加热问题。

　　1.2热平衡计算

　　对于沼气工程，由能量守恒定律可知，输出（损失）的能量和输入（获得）的能量应相等，才能保证整个系统的温度恒定。沼气工程每天损失的能量主要是厌氧消化罐及管道的散热，以及每天新增投料所需热量。（发酵产生的生物化学热量相对于外加热量小得多，故忽略不计）

　　1.2.1厌氧消化罐投料损失的热量

　　厌氧消化罐投料损失的热量计算公式（1）为^[13]

　　2结果与分析

　　2.1投资估算

　　2.1.1沼气锅炉加热

　　沼气锅炉加热方式是指锅炉以富裕沼气为燃料获得热水，通过热水循环向沼气发酵系统供热。该方式加热效率高，同时对设备和操作技术要求比较高。沼气锅炉提供的热量按公式（4）计算^[14]

　　由表1数据可知，3种方式运行费用相同，取得效果相同，都可以达到所需加热升温要求。但沼气锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热利用加热3种方式的投资比为2∶11.2∶1，沼气发电余热利用加热方式投资最低。

　　2.2运行费用

　　3种加热方式都是采用热水循环加热法，主要在于热源不同，采用的动力设备及加热管线都相同，故年运行费用相同。

　　1）电费

　　设定每天热水循环泵运行16h，功率为0.25kW，每天耗电量为4.0kW·h，电价按0.5元/(kW·h)计，年正常耗电费用为730元。

　　2）维护费

　　年维护费按1000元/a计，则3种加热方式的运行费用都为1730元/a。

　　2.3经济效益分析

　　1）费用年值

　　在技术经济学中，对一个项目的经济分析采用的指标很多，有静态评价指标（如投资回收期，投资收益率等）；还有考虑资金时间价值的动态评价指标（如净现值、净年值、费用现值与费用年值以及内部收益率等）。本文采用费用年值对各加热方式进行经济评价^[17-18]。费用年值是将现值分摊到寿命期内各年的等额年值，可用公式（6）计算，加热系统费用年值见表2。

　　根据费用年值最小判断准则，由表2可知：沼气发电余热利用加热方式的费用年值仅为沼气锅炉和太阳能加热方式的60%和12%，明显优于其余2种加热方式。

　　2）年收入

　　采用不同加热方式的年收入情况见图1（本文只计算沼气及发电收入，沼气以0.8元/m³计，电以0.5元/(kW·h)计）。

　　3）综合评价

　　通过以上分析，3种加热方式的综合评价见表3。

　　由表3可知，沼气发电余热利用加热方式无论从经济效益、技术性能，还是适应性、运行持久性等方面都明显优于沼气锅炉加热和太阳能加热。

　　3结论

　　对于当今国内外的规模化大中型沼气工程，大多数都采用热水循环加热法，主要有沼气锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热利用加热3种方式。这3种加热方式在投资、运行费用，适应性和经济性等方面都有比较明显的差别。

　　1）沼气锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热利用加热3种方式的投资比为2∶11.2∶1，沼气发电余热利用加热方式的费用年值仅为沼气锅炉加热和太阳能加热方式的60%和12%。沼气发电余热利用加热方式投资和费用年值均为最低。

　　2）沼气发电余热利用加热方式无论从经济效益、技术性能，还是适应性、运行持久性等方面都明显优于太阳能加热和沼气锅炉加热。

　　3）中国大部分大中型沼气工程应优先选择沼气发电余热利用加热方式。

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