生物质废料中制取可持续能量用于小规模啤酒厂的可.docx

1、生物质废料中制取可持续能量用于小规模啤酒厂的可生物质废料中制取可持续能量用于小规模啤酒厂的可行性研究Barbara Sturm , Matthew Butcher , Yaodong Wang , Ye Huang , Tony Roskilly a，纽卡斯尔大学可持续发展研究院，可再生能源研究组b，奥斯特大学建筑与环境学院，再生科技研究中心摘要 由于煤价的不断攀升以及社会对降低二氧化碳排放的诉求，可再生能源在工业生产的地位越来越重要。在食品加工业中，大部分未经加工的材料曾经被当做生物废料，在这项研究中，一个位于英格兰东北地区的小型啤酒厂将被当做研究对象来研究。基于获取的数据，探讨制取生物质燃

2、气的可行性，并建立模型。模型包括产品生产能力的扩张，模拟场景转换，决定气体需求量，性能评比以及经济性评估。关键字 啤酒厂；生物质；沼气1、简介 近年来，关于温室气体的排放的忧虑，严格的立法程序，以及金融的不景气渐渐改变着现代世界工业的面貌。为了应对世界发生的新变化，许多公司都在寻找能够减少化石燃料消耗与废物排放的途径，以此达到一种可持续的生产过程。啤酒厂需要大量的供热，相应地，为了满足需求常常将燃油锅炉需要设置在厂区附近。冷却过程同样也是生产过程必不可少的一部分，尤其是在发酵阶段和贮藏阶段，这些一般会通过空调系统和制冷剂来实现。问题是上述的这些设备的效率往往很低下并且严重依赖矿物燃料，这些过程

3、同样也会以榨干的作物和啤酒花的形式产生了大量的固体废料，它们常常会被当做饲料来处理。1.1 啤酒厂中能量消耗 啤酒厂中的能量消耗常常用特殊的能量消耗来度量，被定义为单位成品所需要的能量，数值的大小由啤酒厂的大小，年代，地理位置，设备，包装类型的决定。从市场上可以看出，在酿造行业中异质性的问题已经越来越严重。2012年全球10大啤酒厂的市场份额约占50%左右，一个小型啤酒厂的年产量可以达到1000hl。 能量成本的减少量经常被当做通过能量管理策略减少能量消耗的重要依据，能量需求可以被分为加热和冷却需要的能量，以及需要的电能。通常来说，一个啤酒厂消耗掉大部分电能的设备是驱动电机和电冰箱，他们的平均

4、耗能大约占46%和32%。而加热，通风，空气调节和照明所需要的能量则取决于设计结构和设施规模，但是它们所占能量的总和被认为是占总耗能的最小比例。在啤酒厂中，加热需求往往大于电能消耗，这是因为很多过程需要用到热水，这包括搅拌和沸腾。这样看来，研究小组得出关于酿造厂房耗能占总耗能的64%的结论就不足为奇了。在酿造厂房中，消耗热能最大的过程就是将与啤酒花混合的水煮沸。1.2 废物综合治理 水的利用和废物处理已经成为经营一家啤酒厂需要着重考虑的成本因素，一项关于德国啤酒厂的研究调查表明，处理后的谷物，Kieselguhr sludge，多余的酵母和浪费掉的标签是最主要的废料。大量关于啤酒厂废物处理的研

5、究表明，可以通过生物科学和技术上的替代来解决废物处理问题。在这些方法中，废料与废水的厌氧反应代表了一种减少有机废料的方法，同时，厌氧反应产生的生物燃气可以用来加热，驱动一个CHP系统，或者是一个点火系统以此来保证生产过程的运行。从反应器中排出的废料可以当做化肥来使用，对厌氧反应器的一个基本要求是高效率，可持续的反应过程，较短的反映时间和较多的反应产物。 据统计，每生产一桶啤酒（164.7L）平均消耗20kg农作物（玉米），谷粒与麦芽中，有25%（在生产每桶啤酒所需4.5kg）被重新当做谷物原料利用或者当做湿饲料处理。废料合成物对反应有很大的促进作用。 食品工业产生的废料与动物产生的废物的联合反

6、应能够改善厌氧反应的过程。衡量给料的一个重要指标是碳-氮比（C-N），微生物常常以20-30:1d的比例利用碳和氮，但是碳-氮比可以比理论值略微小，此外，甲烷产量的提高，也是诸多联合反应带来的好处之一，值得考虑。Braun和Wellinger说，肥料的联合反应以及食品工业中产生的可分解废料对沼气电厂以及国民经济的发展都是起到重大的作用。1.3 热电联共与三种催化方式 热电联供是指热量和电能同时生产的过程，三种催化方式包括联合生产技术系统中冷却用能和电能，一个吸收式制冷系统可以利用联合反应，对于大部分大规模应用过程来讲，在一年之中普通热电厂的热电负载基本保持不变，因此chp的最适宜尺寸通常是根据

7、平均热量需求来确定的，通过买卖电能来使电厂的电力达到平衡状态。在小规模啤酒厂中，电力需求对生产过程影响很大，同样地，热量需求也是衡量酒厂的重要特征之一。1.4 政府激励 在英国，几个为关于电能与热能的再生产品提供资助的计划已经开始实行。尤其是对于一些小型的公司，这些计划不仅仅给它们提供了一个减少能源消耗的途径，更重要的是提高了这些生产公司的生产效率。政府赋税（fit）与电能生产有关，它的大小为0.121 /kWhel，这是由沼气得出的。另外的0.031 /kWhel被卖给国家电网中小于200 kWel的系统，在2011年七月，对于可再生热源的激励机制（RHI）被介绍过来，这被应用于燃气锅炉，以

8、及达到200KW的CHP。 生产和使用的比率大约为0.065 /kWh，立法程序已经保证这项资助措施会实行20年，对于小型食品加工企业，这令生产沼气更具有吸引力。 这篇文章所讨论的就是发酵废料的厌氧反应和牛粪以及CHP或者是沼气锅炉的发展潜力，这种锅炉有的装备气动吸收式制冷片的冷却系统，有的则没有这种装置。这些锅炉能够满足微型啤酒厂的热量以及电能需求，并且减少化石能源的消耗以及CO2的排放。在英国，尽管微型啤酒厂啤酒产量只占总产量的2%，他们仍不失为一个很有价值的市场。2000年与2009年之间在英国的啤酒产量从500增长到700，涨幅约为50%，这大都是由小型啤酒供公司贡献出来的。因此，评估

9、能量消耗量以及潜在的能量再生方式变得越发重要，尤其是对小型公司来讲，这些公司不可能在在改变化石燃料成本上有更多的话语权，正是因为如此他们对再生能源的利用有更多热情。2、酒厂调查 我们所调查的啤酒厂是位于英格兰东北部地区的一家小型啤酒公司，这个酒厂生产贮藏啤酒和麦芽酒。一项能源消耗统计正在进行当中。通过分析此厂的油料和燃气消耗，总和酒厂总公司给予的数据，总的能量消耗会被就算出来并加以分析。酒厂平均每周生产的啤酒数量为12桶，平均每年生产250桶，通常来讲一般只在周一至周五生产啤酒，在接下来的几年里公司计划提高产量，使周产量达到15桶。 这项对生产过程的深度分析表明，图表中的数据有着很大的相关性，

10、酿酒车间是能量消耗的大头，此外使麦芽汁沸腾是一个独立的操作过程。 就目前来说，每生产一桶啤酒所需要的能量为160 kWh ，这些热量能够使酒精的温度从70度长到80度，麦芽汁沸腾所需要的能量为270 kWh，在清洁与装桶方面则需要200 kWh，7%的麦芽汁在沸腾过程中会变质浪费。在周一，用于加热酒精的热量往往大于周末冷却酒精的热量，数值大约为500 kWh。 一年中产生的固体废料大约总计1100吨，这些免费供给当地农民作为肥料。理论上说，这些废料可以当做牲畜饲料或者是当做厌氧反应的原料。当然，也可以当做灰浆处理。这包括周围农场里产生的草料废料，农场收到的酿造废料会产生4000t/a的粪便，大

11、部分废料会被当做肥料处理，一些其他的农场会乐于提供在他们看来毫无利用价值的废物。 计算过程与计算结果是基于三种酿造无一天，一周酿造五天的工作制得出的，能量需求大约为140 kWh，发酵管道和和一个冷冻储藏室也是必不可少的。因而，总能量需求大约为140kW，这是每天工作16个小时所需要的热量，24KW的热量被用来制冷，有20WK用于日常耗电，图表1反映出在安装了一台200KW的锅炉后的用能需求以及能量需求的波峰分布。3 物料与方法 上文所提出的系统中包含了一个厌氧反应器，从厌氧反应器里产生的沼气会替代柴油来作为发电机的驱动能源。通过架设新的发酵管道以及新冷库，这个新建的系统会逐渐发挥它的作用。

12、第一步，一天之中三种基于现有系统的酿造啤酒的产量会被计算出来。加热油的成本大约在0.55 /l，用电成本估计为0.099 / kWh。成本会被当做新系统经济性评估的相关量，在1.4中，详细地计算出由RHI和FIT创造经济利益。下面的观点被广泛承认：啤酒厂使用产生的电能卖出盈余的电能并且只当CHP停止工作时才会把买回电能。 啤酒公司常常通过贷款来进行标准化投资，经过调查，我们发现在所有的案例中微型啤酒公司都需要通过贷款来弥补财政上的不足，既定的利率为5%，大约为10000 /月，这是把所有费用加起来所得出的数值。各种成分的价格通过生厂商和经销商的渠道可以获得，由于这些信息都是保密的，我们只能得到

13、整个系统的总投资而不是单个的投资。 根据其他文献我们可以得出，酿造废料可以卖到 38 /t的价格。然而，考虑到生产商常常无偿把这些废料送给当地农民，经济性评估可以被认为0/t，农民会把粪便盖在酿造废料的表面上以产生肥料，农场距啤酒厂的距离大约为10km，根据运输成本以及污物排出的计算，农民用Fent 708型号拖拉机(130 hp;0.210 kgred diesel/kWh)，拖拉机的平均速度大约为30 km/h，为了运输灰浆我们需要一个主水箱，还需要一个12000l/h的水泵，农场里工人的计时工资工资约为7.45磅每小时，这个数据是参照2011年的工资标准得出的。 农场会向向啤酒厂收取燃料

14、费以及运输废料的人工费，但是他们不会收取移出物的费用因为它们可以作为很好的肥料 (3.6 /twet 19)。然而，反应所需要的热量以及所需要的反应物的量会被计算出来（图表2）。我们可以看出，吸收的移除物的成本和化肥的价值基本上是一致的。在一些情况下，多出的肥料需求超出了4000 t/a 这些数据能够使农场是否适合啤酒厂更具有可比性，据NNFCC估计，反应中损失的物料大约占总量的7%。图例（1） 啤酒厂的热量需求 啤酒厂有自己的承诺，因此AD反应器中的需要的水可以从那里取得而这并不会改变驱动水泵的电能成本。 基于所有的计算过程，沼气产量能够满足所有的能量需求，如果出现扰动公司可以通过改变燃料来

15、达到生产需求。3.1、能量的产生 基于生产能量的技术解决方案的四种情况，我们对它们做了经济性评估，并且以它们的排放为标准来核定它们对环境的影响（4.2）。从生产商那里我们可以得到价格，现存的蒸汽锅炉(Fulton 20e)可以通过改造来燃烧沼气。然而转化系统不会被RHI所认证。此外，锅炉是1992年建成的，早晚都要被替换掉，因此这并不是可做可不做的事情，生产所需的热能和电能是间断性的，但是制冷载荷确是连续性的。这一点没有被充分考虑，燃气吸收式冷却，直接应用沼气被RHI所认证，因此这种解决方案可放在考虑到范围之内。设备选择： 1. Fulton 20j combined gas, oil and

16、 dual red steam boiler, net efcniency 89% c.v.; 320kgsteam/h; gas consumption: 23.3m3/h on natural gas type H 2. Robur Series GA gas-red ammoniaewater absorption chiller, model RTCF 120-00-LB gas red absorption chiller; nominal cooling capacity: 25.6 kW; thermal input: 47.48 kW, COP 0.52 3. Lister-P

17、etter diesel generator, model LLO 100/150(A); 50 Hz,1500 r/min, 120 kW electricity output, three phase, 415/240 V; Fuel consumption is 35.1l/h at full load. The waste heat avail- able is around 200 kW, diesel demand when used as dual fuel engine 2% of total fuel demand. 系统的技术以及经济性评估是基于所选择的设备，RHI以及现行

18、的税率措施，我们将会对下面有四种不同情形加以分析。 情形1：现有锅炉被Fulton 20j型锅炉所取代。 情形2：锅炉配备吸收式冷却装置。 情形3：使CHP系统投入运行，当CHP系统不以消耗电能来制冷时，必须从国家电网买电。 情形4： CHP系统与吸收式制冷装置联合，在这种情况下，仍然需要购买一部分电能，来驱动AD发生器，这时CHP系统往往是出于离线状态的。说明： 对于情形3和情形4我们需要安装缓冲器，因为加热所需的热量和清洁所需的水是由CHP系统提供的，其中的一部分会被储存下来。 对于情形2和情形4只有冷库中的冷量需求以及发酵所需的冷量由吸收式制冷装置提供，而剩下的冷量需求，比如发酵后的啤酒

19、降温，冷却水的提前降温等则由电力制冷装置驱动3.2 燃烧系统的仿真 柴油，甲烷组分以及沼气燃烧的方程式如下： C12H26+18.5(O2+3.76N2)12CO2+13H2O+69.56N2 (1) CH4+2(O2+3.76N2)CO2+2H20+7.52N2 (2) 仿真过程就是基于以上关系式得到的，我们通过应用ECLIPSE软件来模仿过程中的能量平衡。我们所要模拟的是CHP系统，锅炉以及吸收式制冷装置，这些装置由三种不同的燃料驱动它们分别是柴油，天然气和生物沼气，20对这款软件进行了相关的介绍。 对于所有关系到能量需求的计算，下列低位加热参数（lhv）需要被用到 ，LHVdiesel

20、42.5 MJ/ kg; LHVnatural gas 47.1 MJ/kg and LHVbiogas 15.6 MJ/kg。3.3 酿造废料与牛栏灰泥产生沼气 基于3.1所提到的系统的能量需求，建设方案，反应器的尺寸及给料率会被确定下来。一个大小为680m3的箱式反应器会被用在所有调查的情况。在这种反应器中，每天都要添加酶作用物，至于是连续添加还是间断添加则取决于排出的废水产量。反应器的温度要保持在细菌的嗜温温度（35oC）而且要不停的搅动，并且需要添加100mm的聚苯乙烯泡沫塑料层以起到绝缘作用，外部表面与加热系统结合在一起以保证热量的连续供应。生产时，需要的热量由热量发生器系统供给。生

21、产过程停止时，在不同的情况下或许我们需要增加一个炉子来保证连续的能量供给从而保持温度的稳定。 为了保证AD的正常运行，平均需要9KW的电功率。考虑到反应器壁面的热损失，加热给料的热量需求（目的是把目标温度锁定为35oC），我们需要制造10oC的环境温度，给水的用量是根据物料总量的15%来确定的，粪便中的湿分以及酿造废物的湿分分别为78%和63%，我们是通过AOAC提供的标准来计算湿分含量的。4、生物气制品 通过运用National Non Food Corp Centre (NNFCC) 关于沼气的计算标准，我们可以得出沼气及其组分的计算结果，气体的需求量根据方法选择的不同而不同。需求量的最大

22、值可以达到805,000 m3/a，我们大约需要3800 到10,300 t/a的牛粪来产生沼气以来带动整个系统的运行（使AD发生器保持在一定的温度），因为AD发生器中的固态物料总量不能超出额定值的15%，我们需要在反应中加入大量的水（3400到6200 t/a），因此每天的供水量大约为23到48 m3。 因为发酵反应并不总是能够达到饱和反应的状态，必须存储一定数量的燃气以备不时只需，最小的储备量我们认为是两天半生产的燃气量（5520m3），这就要求我们需要一个有塑料沼气分隔罩的反应器以及一个储存燃气的箱体，储存箱体的尺寸为：直径14m高度4.4m这样它的总容量能够达到1430m3，因此额外的

23、贮存空间需要达到4000m3以满足需求。 为了使反应持续发生，我们也需要建造给料和废水的存储装置，这两种基质在自然特性上迥然相异，在加料前必须混合充分，给料箱必须足够的大以满足周末的用料需求，根据计算我们需要100m3的空间安放牛粪，20m3的空间安放酿造废料，一定量的沼气会在储存废水的箱体中产生，然后这些气体会被送到燃气储存室，其量的大小取决于最小储存时间，我们将最小储存时间选为4星期。反应器壁面的设计热量损失大约为40kWh/d，如果把酿造废料直接投入到反应器中去，这份能量会由废料自身提供，这会使过程发生的温度保持在60oC，由于废料会被储存下来并且与牛粪混合，这部分能量会被损失，同时必须

24、把给料的温度加热到35oC，这就需要更多的能量输入。详情见表2。表（1）不同情况下气量需求表（2）生物气的能量需求以及系统经济性评估 作为结果系统（200KW锅炉）的热量需求被详尽地列在了图例1中，AD发生器需要功率维持在40到80kw的能量输入，这能够保证操作温度维持在35oC，有9kw用来驱动机器和水泵，加热AD发生器的热量由燃气装置提供。4.1计算结果模拟不同方法的表现结果和排放情况将会被用来模拟比较，比较是在生物气，天然气以及柴油之间进行的，比较结果见表3和表4。通过比较我们可以看出燃料输入主要有三个来源：柴油，甲烷和沼气。锅炉和吸收式冷却器将会以柴油为燃料，引擎的功率为354.0kW

25、，锅炉功率为234.0kW，吸收式制冷设备的功率为51.0kW，这些将显示在表3和表4中。从表3可以看出，引擎的燃料消耗量有很大的差别，柴油用量为8.3 103kg/s，甲烷的用量为7.0103kg/s，沼气的用量为24.7103kg/s，这是因为不同燃料的热值不一样，电能以及热量输出决定于燃料的特性，对于柴油和甲烷，电能输出量基本保持一致，沼气的电能输出大约低了十个百分点，这是因为沼气的燃烧温度较低，产生的热能较少，对于热能输出，沼气对应着最高的热能输出量，柴油比它低了将近10个百分点，这是因为沼气能够产生温度很高的废气，就总效率而言，甲烷和沼气分别为88.4%和88.9%，这基本保持一致，

26、而柴油的效率仅仅为79.2%。就电能生产中的二氧化碳排放量而言，甲烷，沼气和柴油所对应的排放来个分别为0.581kg/kWh，0.635kg/kWh，0.781kg/kWh。柴油之所以有较高的二氧化碳排放是因为柴油中含有较高的碳，对于一个CHP系统每生产一个单位的能量所产生的二氧化碳排放对于甲烷，沼气和柴油来说数值分别为：0.219 kg/kWh，0.220 kg/kWh，0.335 kg/kWh。但是由于沼气是从生物质废料中制取的，以沼气为燃料的系统通常被看作为温室气体零排放。表（3） 柴油、甲烷、生物气驱动的CHP与锅炉系统的排放结果与技术指标表（4） 柴油、甲烷、生物气驱动的吸收式制冷器

27、的排放结果与技术指标图（2）生物质废料循环系统示意图 对于锅炉来讲，三种燃料产生的总的热量输入和输出是基本保持一致的，但过热的废气的利用情况却截然不同，因为甲烷所产生的废气的温度比柴油产生废气的温度高150oC，比沼气的废气高出120oC，可以看出甲烷的回热效果要远远高于另外二者。例如，如果考虑到换热设备，甲烷的低位回热功率为77KW,沼气为46KW，柴油为36KW，对于柴油来讲，出口废气温度为50oC，这和柴油发动机的情况差不多，以柴油为燃料会产生更多的二氧化碳排放，排放量比以甲烷和沼气作燃料时高出大约27个百分点，达到0.310 kg/kWh，而前者的排放量仅仅为0.245kg/kWh左右

28、，同样的道理，以沼气为燃料的锅炉被看做零碳排放。从表（4）我们可以看出，对于三种不同的燃料，吸收式制冷器的制冷效果是几乎相同的，在热量输入是51.0 kW的情况下，三种燃料所对应的COP值均为0.52，而以柴油为燃料的燃烧会产生更多的二氧化碳。基于以上的一些结果，我们可以认为，沼气可以作为啤酒厂酿造的燃料，从燃烧效果，燃烧效率，和废气排放上来说，沼气和甲烷是可以相媲美的，以柴油为燃料的引擎和锅炉的表现效果在三者中表现最不理想。4.2 系统的集成和经济性评估 在图2显示的系统中，啤酒厂位于一个农场附近，因此空间和不受限制厌氧消化，包括饲料和污水箱以及气体存储箱，如4.1中所述，可以很容易地得到满

29、足。压缩天然气约的大小，因此，储气设备成本可以显着减少，气压可以控制在13bar。压缩将占大约3的能量。 实施例1将导致至少中断间生产和需要修改系统的选择锅炉是目前已安装的后续模型。使锅炉可以取代旧的，没有必要进行管道修改。只有天然气管道从气体存储到锅炉将需要进行安装。也可以运行的柴油，因此柴油供应系统，可以在地方和故障的AD发生器或天然气生产短缺的情况下离开锅炉，锅炉，可以切换到在柴油燃气双燃料运行。因此，生产过程就不会有中断会发生。将需要安装在冷库，电制冷机现在位于吸收式制冷机。这只会导致轻微或没有中断生产电气冷却器可在工作秩序，直到新的工程。再次将需要安装一个额外的天然气管道。作为备用电

30、制冷机可以保持或在沼气短缺的情况下，吸收式制冷机可以保证沼气的运行。 热电联供系统的安装，将须显著 锅炉房和热等能源供应系统内的变化。管道和路口需要进行修改或更换。为有效利用热电联产系统，它是必要的措施，运行24/7，或一个额外的燃气燃烧器在生产过程中需要安装所需的热量。在前一种情况下，安装一个额外的热量存储将是必要的，其中最有可能将需要反正作为加热和清洁的目的以及热缓冲功能。由于发动机的选择是修改后的柴油发动机，它需要用2的柴油内容将作为双燃料发动机运行。因此，在柴油管所在的位置，安装一个额外的天然气管道。 A转换器需要安装同步到国家电网中。 在提出的所有解决方案的情况中，所需的肥料量超过农

31、民的供给量，目前农民正在接受免费的啤酒废料。因此，啤酒厂需要，以确保他们的肥料供应是安全的参与这个长期承诺的其他农民。另一种方法可能是通过购买能源作物，以改善性能。涉及农民的主要优点之一是，发酵反应产物是很好的肥料，而且这几乎是无异味的。 不同的选择的经济评价是基于目前的石油和电力价格，实际需求，提供零部件供应商以及电气和热输出和政府的资助计划中所描述的新设备投资和维护费用而做出的评估，第3章可以找到相关的内容， 开展经济评价的结论，会表示在表2中。 除了从案例1调查的所有案件产生不到6年的投资回收期。有2例和4个，包括吸收式制冷系统（1130英镑/千瓦），5.0和5.4和结果以最短的薪酬早在

32、超过1310英镑和1884年系统运行20年的额外收入期间英镑。初始投资成本最低的第1例具有最高的回报时间，创造额外收入最低的系统比较。而案例3创造更高的收入比情况下2的初始投资成本显着较高。例2和4的组合系统是经济最好的情况下，不包括吸收式制冷系统。5 、结论 随着通过使用来自附近农场的粪肥生产废料以提供燃料的各种方案被证明是可行的。AD发生器又容易与啤酒厂楼宇的整合，因此这项工程可以带来的效益是可以预见的，同时也是很有前瞻性的。 由于过程中温度相对较低，蒸汽锅炉以及热电联产系统，可以用来提供所需的热量。卫生防护中心的使用将允许同时产生ATION需要的热能和电能以及潜在出口国家电网多余的电力。这两种解决方案都热以及电力能源需求资金的最高限额以下符合政府资助计划。 制冷需要而只在生产过程中所需的热量非常低的功率水平，不断的三联产系统的实施是不可行的。反对，吸收式制冷机运行产生的沼气，是一个需要考虑的。 锅炉或热电联产吸收式制冷机相结合，被认为是最可行的解决方案，为他们创造最短的投资回收期和高于该解