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山東達禹環(huán)境工程有限公司已在沼氣工程領(lǐng)域深耕十年，有著豐富的行業(yè)經(jīng)驗，生產(chǎn)各種沼氣設(shè)備，承接大中小各種規(guī)模的沼氣工程，承建黑膜沼氣池、紅泥膜沼氣池等各種軟體沼氣池及雙膜氣柜、集雨窯等，同時生產(chǎn)加工各類液袋、水囊、橋梁預(yù)壓水袋、森林消防水袋、可拆卸游泳池等，歡迎新老客戶洽談合作，共謀發(fā)展！
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摘自《中國沼氣》第5期 李金平 吳文君 張涵 楊瑞 黃娟娟
隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大,畜禽養(yǎng)殖業(yè)逐漸從
個體化、獨立化向規(guī)模化、集中化發(fā)展,養(yǎng)殖業(yè)的迅
速發(fā)展帶來了農(nóng)民收入的增加和人民生活水平的提
高。但是,畜禽養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模化也帶來了不可忽視
的環(huán)境污染問題。隨著大中型沼氣項目工程的出現(xiàn)
在解決規(guī)?；B(yǎng)殖所帶來的污染問題的同時,進行
熱、電、氣、肥的四位一體供應(yīng)2。相對于傳統(tǒng)堆的
肥,既有效地控制了甲烷和氮氧化物等溫室氣體的
肆意排放,還能生成對農(nóng)作物有益的有機肥料。農(nóng)
業(yè)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,目前全國沼氣項目年生產(chǎn)能力為
160多億m3,可減排二氧化碳5000多萬噸,每年生產(chǎn)有機沼肥近4億噸,可減少20%以上的化肥施用量,在保護生態(tài)環(huán)境和節(jié)能減排上,具有良好的生 態(tài)、環(huán)境效益4。但目前由于沼液沼渣綜合利用率低、沼氣項目發(fā)電技術(shù)不成熟及售電價低等多方面因素,我國沼氣項目工程基本依賴政府投資,自身造血能力差,從而大大挫傷了投資者的積極性5。沼氣項目工程的 收益僅僅局限于經(jīng)濟性是不全面的,故研究沼氣項目工程的經(jīng)濟、能效及環(huán)境效益,從而選擇較好的運行模式,是極有必要的。 Pra-paspongsa“等基于生命周期評價比較了養(yǎng)豬場廢棄物的12種不同綜合處理方式的環(huán)境影響,研究結(jié)果表明全球變暖潛勢、水體富營養(yǎng)化和可吸人無機物是豬糞處理過程中最重要的環(huán)境影響因素;羅一鳴等對養(yǎng)豬場現(xiàn)行四中堆肥方式的環(huán)境影響進行分析,基于生命周期評價法得出其能源投人類型和堆肥過程中的氣體排放與其環(huán)境影響關(guān)系密切,并得出了堆肥適宜翻堆時間;王效琴8等應(yīng)用生命周期評價方法,建立了奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)溫室氣體排放量評估方法,并以此方法分析了西安郊區(qū)典型的規(guī)?；膛龅哪膛ｐB(yǎng)殖系統(tǒng)溫室氣體排放特點和排放量
隨著沼氣項目技術(shù)的利用和影響擴大,逐漸得到國家的重視和關(guān)注,近年來隨著《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、《到2020年化肥使用量零增長行動方案》的頒布,各地積極響應(yīng),紛紛出臺新的能源補貼政策,為大中型沼氣項目工程刮來一陣春風(fēng)。為順應(yīng)這個大背景使禽畜養(yǎng)殖場沼氣項目工程的經(jīng)濟、能效、生態(tài)益并存,客觀評價其不同運行方式的性能,選擇較優(yōu)的運行方式。本研究以某養(yǎng)殖場沼氣項目工程為例就新常態(tài)下禽畜養(yǎng)殖大中型沼氣項目工程進行生命周期分析,對比分析兩種沼渣處理方式,對其生命周期建立詳細的經(jīng)濟清單、能效清單及環(huán)境清單,對其運行程中的經(jīng)濟性和能量效率及對環(huán)境的影響進行定
量分析,從而比較二者的優(yōu)劣。
1研究對象及系統(tǒng)邊界
1.1研究對象
沼氣項目工程采用USR升流式固體厭氧發(fā)酵工藝,建有2座容積600m3發(fā)酵罐,發(fā)酵溫度37℃。工程的工藝流程如圖1所示。新鮮牛糞由場區(qū)收集運輸至進料房,牛糞通過旋轉(zhuǎn)進料器和格柵處理去除較大雜質(zhì),經(jīng)過調(diào)漿池、酸化池預(yù)處理。預(yù)處理后的料液由濃漿泵從發(fā)酵罐底部加壓進料,上部溢流出料。假設(shè)溢出的沼液進行好氧處理后達標(biāo)排放。發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣項目經(jīng)過脫水、脫硫處理后進入儲氣罐。沼氣項目發(fā)電機燃燒沼氣項目發(fā)電,產(chǎn)生電量并網(wǎng)供養(yǎng)殖場生產(chǎn)生活消耗,發(fā)電機余熱用于維持中溫發(fā)酵。
物料水力滯留期(HRT)為15d,日進料量80m3,消耗Ts為20%的牛糞大約22m。牛糞產(chǎn)氣量為0.3m3kg干物質(zhì),產(chǎn)氣量為1320m3d。發(fā)電設(shè)備為捷克 TEDOM公司生產(chǎn)的 Cento T88spEBIO型,配置2臺76kW發(fā)電機組。發(fā)電機額定輸出:120/96kVA/kW;電壓:400V;頻率:50Hz。發(fā)電機組電氣比為1.4kWh·m-3。機組運行電效率為24.4%,熱效率為40.5%,總效率為64.9%。1.2目的定義及范圍確定
本研究采用生命周期分析法,設(shè)定情況一為系統(tǒng)滿負荷運行情況,發(fā)酵出料處理達標(biāo)后排放灌溉牧草;情況二為在情況一的基礎(chǔ)上,購置固液分離機,將分離后的沼渣作為有機肥基質(zhì)出售給生物有機肥生產(chǎn)廠。對比分析情況一、情況二運行過程能源消耗、經(jīng)濟效益及運行過程中所排放污染物造成的環(huán)境效應(yīng)。沼氣項目工程的發(fā)酵原料牛糞的來源為配套的奶牛養(yǎng)殖區(qū)域,故忽略原料收集及運輸過程中
對環(huán)境造成的影響,設(shè)定生命周期起始邊界設(shè)定為牛糞收集輸送至進料區(qū)域,終止邊界為固液分離后吧料基質(zhì)成型,廢水達標(biāo)排放(見圖2)。
功能單位及評價方法 根據(jù)國際標(biāo)準1SO14040《生命周期評價原則及 框架》,本研究選取1t牛糞為生命周期評價的功 能單元( Functional unit,FU),沼氣項目的功能單位取為 m3,能耗的功能單位取為MJ。對比分析兩種沼渣處 理方式下的經(jīng)濟、能源投入產(chǎn)出、污染物排放情況, 通過能源、經(jīng)濟狀況及環(huán)境影響的大小比較兩種方式下的優(yōu)劣。
2清單分析
2.1經(jīng)濟清單分析
制定經(jīng)濟分析清單,根據(jù)該工程的年運行成本及經(jīng)濟收益,得出工程年凈收益。其中工程收益主要體現(xiàn)在節(jié)省電費、節(jié)省排污費以及沼液沼肥銷售費;運行成本主要為運行人員人工工資、維修維護費
該沼氣項目工程總投資680萬元,其中政府出資450萬元,其余企業(yè)自籌230萬元。奶牛排污費為每頭每月7元,按照每年平均存欄3500頭計算。發(fā)電機余熱經(jīng)回收后通過加熱盤管對發(fā)酵罐進行加熱可保證中溫發(fā)酵,無其他增溫方式。運行成本主要是指沼氣項目工程系統(tǒng)運行保養(yǎng)費用及工人工資,維修費每年6萬元/年,配件費年均7萬元,油料、保溫等 耗材每年3萬元,清池通嘗等費用每年1萬元。沼 氣站配置3個工作人員,人均月薪為2500元。系統(tǒng)運行自耗電為243.8kWh·d-2,電費以0.6 元kWh-計。 情況二下增加兩臺固液分離裝置,運行參數(shù)為
7.5kW,33.7rmin,配套的沼液提升泵運行參數(shù) 為3kW,1450rmin-1,價格4萬元。處理能力為15 m3h-,故每日兩臺固液分離裝置運行2.5小時。 對發(fā)酵后產(chǎn)物進行固液分離后所得含水率60%沼 渣作為生產(chǎn)生物有機肥的基質(zhì)出售給化肥廠,售價為300元m 系統(tǒng)運行各部運行耗電詳情見表 1,工程在情況一及情況二下生命周期內(nèi)經(jīng)濟清單見
2.2能效清單分析 用能量清單來分析沼氣項目生產(chǎn)生命周期過程中的 能量輸入和能量輸出,計算產(chǎn)生1m3沼氣項目所需能 量。單位能耗是指生產(chǎn)1m3沼氣項目需要的能量投入, 單位產(chǎn)能指生產(chǎn)1m3沼氣項目帶來的能量效益。在計 算能量的投入與產(chǎn)出時需要分析原料的預(yù)處理過 程、發(fā)酵過程、沼氣項目發(fā)電、沼肥制備四個過程中涉及 的能量輸入與輸出,這些過程中涉及的能量輸入主 要為系統(tǒng)內(nèi)部的電力消耗,運行人員的人工消耗。 能量的輸出主要為沼氣項目發(fā)電、沼液及沼肥。在生命 周期分析中的4個過程詳細能量輸入如下。 (1)原料預(yù)處理過程中增溫所需熱量來自于系 統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電機余熱,酸化池不配備攪拌設(shè)施。所涉
及到的能量輸入為人力消耗及進料泵運行期間所消耗的電力。
(2)發(fā)酵過程的主能量輸入為維持中溫發(fā)酵所需要的熱量,該熱量由系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)電機余熱提供;以及發(fā)酵罐底部增強回?zé)峄刭|(zhì)的回流泵所消耗的電力
(3)沼氣項目發(fā)電過程中能量輸入為發(fā)電機余熱利用系統(tǒng)中循環(huán)水泵用電,及發(fā)電機內(nèi)部用電。
(4)沼渣的處理過程中主要消耗的能量為固液分離機所消耗的電力。
系統(tǒng)運行期間所輸出的能量為向外輸出的電能、沼氣項目,產(chǎn)生的生物有機肥基質(zhì)
工程日產(chǎn)氣量1320m3,沼氣項目能量折算系數(shù)為20920kJm-3;日發(fā)電量1848kWh,電力能量折算系數(shù)為359824 kJ. kWh-10。假設(shè)每日發(fā)酵出料經(jīng)過固液分離后得到含水率為60%的沼渣,沼渣能量折算系數(shù)為1.266MJkg-1l;人力投入能量折算按照732.7kJh-計算12。
2.3環(huán)境清單分析
針對沼氣項目工程對環(huán)境影響的評價時,將不進行沼液固液分離(情況一)、對沼液進行固液分離(情況二)進行對比,針對環(huán)境排放清單,重點是計算整個發(fā)酵、發(fā)電、沼液沼渣處理過程中造成的污染物排放
2.3.1排放清單分析
2.3.1.1厭氧發(fā)酵過程
牛糞漿料通過兩臺7.5kW螺桿濃漿泵進料,在罐底和中部之間設(shè)置回流泵以加強傳熱傳質(zhì)。電力的主要用于驅(qū)動進料泵、沼氣項目增壓裝置、回流泵。電力生產(chǎn)過程中的污染物排放見表4。
2.3.1.2沼氣項目發(fā)電過程
通過設(shè)定運行數(shù)據(jù)可知功能單位發(fā)電量為92.4 kW·h。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準NY/ 1704200氣電站技術(shù)規(guī)范,選取甲烷含量為50%-60%時,沼氣項目中H2S的含量不得超過250mg:m3假設(shè)沼氣項目經(jīng)過凈化能夠滿足要求,則沼氣項目燃燒發(fā)電過程中SO2功能單位排放量為28.2g。沼氣項目燃燒過程中的CO2排放量采用王革華的計算方法,公式如下:
Ce=B。×0.209×15.3×412=11.725B
式中:CB為燃燒沼氣項目的CO2排放量,t;Bc是沼氣項目消耗量,萬m3;0.209是沼氣項目熱值,們·萬m3;15.3是天然氣碳排放系數(shù),t·TJ。計算得沼氣項目燃燒過程中CO2的功能單位排放量為43.1kg。
2.3.1.3沼液沼渣處理及有機肥基質(zhì)制備 情況一:對厭氧發(fā)酵的出料未進行固液分離,沼 液溢流經(jīng)好氧處理達標(biāo)后由水泵運輸至廠外排放灌 溉。沼液好氧處理中主要排放的污染物為CO2,計 算可得功能單位CO2的排放量為35583kg 情況二:厭氧發(fā)酵后的出料進行固液分離,分離 后沼液經(jīng)好氧處理達標(biāo)后,被泵至廠外灌溉牧草,固 液分離后固體作為肥料基質(zhì)出售給肥料廠。分離后 沼液處理階段的功能單位CO2排放量為147.67
此環(huán)節(jié)其他污染來自于固液分離、水泵等設(shè)備的電力消耗排放的污染物。沼液排放需達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準》(GB18596-2001)的要求,則其中BOD3,COD,SS,NH3N,TP在情況一下的功能單位排放量為0.315,0.84,0.42,0.168,0.0168kg;在情況二下功能單位排放量分別為0.252,0.672,0.336,0.1344,0.0134kg。具體污染物排放生命周期清單見表5。
2.3.2特征化
特征化的目的是將每一個影響類目中的不同物 質(zhì)轉(zhuǎn)化和匯總成為統(tǒng)一的單元。本文中主要考慮全 球變暖潛力(GWP),環(huán)境酸化潛力(AP)及富營養(yǎng)化潛力(EP)。影響評價采用相關(guān)因子方法來計算, 結(jié)果由排放的相關(guān)氣體與對應(yīng)的相關(guān)因子相乘得 到。全球變暖以CO2為參照物,CO,NH4和NO2的
當(dāng)量系數(shù)分別為2,21,310m”;環(huán)境酸化潛力以sO2 為參照物,NO3,NH3的當(dāng)量系數(shù)分別為0.7, 1.89;富營養(yǎng)化以PO為參照物,NO,NO3、N, NH3的當(dāng)量系數(shù)為0.1,0.42,0.356
2.3.3標(biāo)準化及加權(quán)
為了將全球性、地區(qū)性以及局地性影響在同一水平上進行比較,本文采用 Stranddorf et all12005年11月發(fā)布的世界人均環(huán)境影響潛力作為環(huán)境影響基準。確定各種環(huán)境影響類型的權(quán)重時,參考王明新20等設(shè)置的權(quán)重系數(shù),進行歸一化后取值。具體數(shù)據(jù)見表6。
3結(jié)果與分析
.1經(jīng)濟性分析
收回原投資所需的時間是評價項目的一個非常 重要的因素,是指從項目投建之日起,用項目所得 的凈現(xiàn)金流量回收原始投資所需要的年限。它代表 了預(yù)期投資回本的年數(shù)。假設(shè)運行期間每年現(xiàn)金流量相等。
凈現(xiàn)值計算公式表示為:
NPV=(CI-CO)/(1 +R)
式中:CI和CO為第i年的現(xiàn)金流入、現(xiàn)金流出;R為基準折現(xiàn)率,根據(jù)資金來源情況,扶持資金約占66%,可視其成本為0;自籌資金占34%。假
設(shè)機會成本為10%,則基準折現(xiàn)率為:66%×0+
34%×10%=3.4% 動態(tài)投資回收期(P,年)是指收回成本需要的
年數(shù),計算公式如下
式中:A為累計效益凈現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年份;E
為第A-1年累計效益凈現(xiàn)值的絕對值;F為第A
年累計效益凈現(xiàn)值。 通過對其動態(tài)回收期的計算可得情況一下在工
程生命周期20年內(nèi)無法回收投資,凈現(xiàn)值為
282.73萬元<0,若僅計算自籌資金投資回收期,則 自籌資金動態(tài)投資回收期為9.7年。情況二下在生 命周期20年內(nèi)凈現(xiàn)值為1227.77萬元,動態(tài)投資回 收期為9.8年,自籌資金動態(tài)回收期為3.21年。 以上結(jié)果均是在沼渣售價為300元,m的基 礎(chǔ)上得到的。經(jīng)計算,當(dāng)沼渣售價降低至90元,m3時,情況二的經(jīng)濟性失去優(yōu)勢,與情況一相持平。當(dāng)沼渣售價繼續(xù)下降,沼渣收人無法抵消由于加入固液分離設(shè)備用電量的額外支出,導(dǎo)致在此情景下在情況一運行模式將獲得相對較高的收益。3.2能效分析 從能效角度分析,通過計算情況一與情況二 的單位能耗為0.65M·m3,0.82MJm2,單位產(chǎn)能為5.04M·m23及14.15M·m-3,能效產(chǎn)出比分別為7.75和17.26。該沼氣項目工程的能量投入產(chǎn)出比均為正值,證明兩種運行方案均具有可行性;情況與情況一相比產(chǎn)出比提高2.2倍,原因在于通過增加固液分離裝置,使得原本廢棄的沼液沼渣在系統(tǒng)中得到了利用,由于系統(tǒng)日產(chǎn)固液分離后沼渣9.5m3,其中蘊含相當(dāng)可觀的能量,這部分能量大大提高了系統(tǒng)的能量產(chǎn)出比。在情況二運行模式下僅 需要增加0.17MJ·m-3的能量投入,即可增加9.11Mm單位產(chǎn)能。從能量投入構(gòu)成來看,不管是情況一還是情況二的數(shù)據(jù)表示超過九成的能量投入為系統(tǒng)所消耗的電力。這是由于該系統(tǒng)采用熱電聯(lián)供發(fā)電機組,沼氣項目發(fā)電余熱用于加熱料液及發(fā)酵罐的增溫保溫,節(jié)省了大量其他形式能源作為沼氣項目工程熱源的消耗。
3.3環(huán)境影響分析
經(jīng)分析可知,情況一,情況二的環(huán)境綜合影響潛
力分別為0.072和0.067,即分別通過兩種方式處理It牛糞所產(chǎn)生的全球變暖、環(huán)境酸化及富營養(yǎng)化潛力相當(dāng)于世界人均影響潛力的7.2%和6.7%。具體數(shù)據(jù)詳見表7
根據(jù)研究結(jié)果顯示,在全球變暖潛力方面情況
與情況二相差2.38%,這是由于雖然情況二加入了固液分離設(shè)備導(dǎo)致系統(tǒng)用電量略大于情況一,使得在電力消耗中排放的污染物有所增加,但是由于固液分離后的沼液中各種有機質(zhì)含量都有所下降,導(dǎo)致在沼液后續(xù)處理環(huán)節(jié)的排放也同時大大下降,導(dǎo)致情況一中CO2排放量遠大于情況二。故在全球變暖指標(biāo)中所顯示的結(jié)果為情況二優(yōu)于情況一。兩者的環(huán)境酸化指標(biāo)與富營養(yǎng)化指標(biāo)所得結(jié)果都非常相近,這是因為在沼氣項目發(fā)電的預(yù)處理環(huán)節(jié)對沼氣項目進行脫硫,降低了環(huán)境酸化主要影響物SO2的排放量;沼液處理后達標(biāo)排放,對富營養(yǎng)化指標(biāo)影響較
4討論與結(jié)論
在基于生命周期分析的基礎(chǔ)上對分別對該沼氣項目 工程的經(jīng)濟、能效及環(huán)境影響進行評價。在經(jīng)濟性 方面,情況二以動態(tài)投資回收期9.8年、自籌資金動 態(tài)投資回收期3.21年明顯優(yōu)于情況一,情況一無法 在運行周期20年內(nèi)收回成本,自籌資金投資回收期 9.7年。在僅考慮經(jīng)濟性的情況下情況二是理想的 沼氣項目工程運行模式。在能效評價中可知,不論是情況一還是情況二都具有能效方面的可行性,情況二的能耗高于情況一0.17MJ·m-3,但單位產(chǎn)能即可增加9.11MJ·m-3。環(huán)境影響分析結(jié)果表示情況的綜合環(huán)境影響潛力大于環(huán)境二,增加電力帶來的環(huán)境影響沒有大幅減弱系統(tǒng)的環(huán)境表現(xiàn),情況二對環(huán)境的影響更小。因此,在設(shè)定運行情況下綜合考慮經(jīng)濟、能效及環(huán)境影響三方面因素得到情況二是經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)境友好的沼氣項目工程運行模式。
從沼氣項目工程的眾多評價研究中可以看出,發(fā)展 沼氣項目工程關(guān)鍵在于是否能取得較好的效益。雖然在 政策扶持下工程建造初期能獲得數(shù)目可觀的政府投 資,但自身的造血能力關(guān)系著后續(xù)運行之中企業(yè)的維護和持續(xù)投資的積極性。故甄選一種可行的、經(jīng)濟、節(jié)能并且環(huán)境友好的運行模式,對推動我國大中型沼氣項目工程由主要依賴政府資金扶持的瘸腿狀態(tài)轉(zhuǎn)型為能為企業(yè)帶來紅利的生產(chǎn)模式,是極其有必要的。在沼肥可帶來穩(wěn)定收益的前提下,沼渣作為生物有機肥基質(zhì)可從源頭上解決經(jīng)濟性問題、提高能源產(chǎn)出率、降低一定的環(huán)境負荷。筆者對禽畜養(yǎng)殖廠沼氣項目工程的兩種處理模式從經(jīng)濟、能效、環(huán)境影響三方面進行了清單分析和影響評價,可為沼氣項目工程的工藝流程選擇提供科學(xué)依據(jù),并為開展禽畜糞便資源化利用綜合評價提供數(shù)據(jù)參考。