沼液负压蒸发浓缩装置的设计与试验

第 31 卷 第 24 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.24 72 2015 年 12 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2015 沼液负压蒸发浓缩装置的设计与试验 焦有宙，关山月，李鹏飞，王少鹏，贺 超，李 刚，丁 攀 （1.河南农业大学农业部农村可再生能源新材料与装备重点实验室，郑州 450002； 2. 生物质能源河南省协同创新中心，郑州 450002） 摘 要：为了解决沼液浓缩过程中有效成分流失的问题，采用低温负压蒸发浓缩的方法，结合沼液的理化性质，对沼液 负压蒸发浓缩装置的主体部分（蒸发罐）和辅助设备（冷凝器、循环液槽、真空泵）分别进行了参数设计计算和设备选 型，并在自制 20 L 负压蒸发浓缩装置上进行了系列试验。试验结果表明：当温度低于 80时，沼液的有机质含量基本不 变，蒸发温度高于 80之后，有机质含量明显下降，80100的变化率为 9.4%；随着温度的升高，氮磷钾含量不断下 降，氮含量流失最大，最大变化率为 13%。蒸发浓缩后的沼液中有机质和氮磷钾含量随真空度的增大而升高；随着真空 度的升高，沼液的蒸发温度逐渐降低，蒸发量不断增大，绝对真空度为 0.025 MPa 时，最低蒸发温度为 67，蒸发量最 高能达到 8 324 mL/(m2h)，蒸发率为 28.75%；绝对真空度维持在 0.04 MPa 到 0.05 MPa 之间，温度在 7580时，蒸发 量能达到 7 700 mL/(m2h)，蒸发率为 26%左右。 关键词：浓缩；装置；设计；沼液；负压蒸发 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.011 中图分类号：S216.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-24-0072-05 焦有宙，关山月，李鹏飞，王少鹏，贺 超，李 刚，丁 攀. 沼液负压蒸发浓缩装置的设计与试验J. 农业工程学报， 2015，31(24)：7276. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.011 Jiao Youzhou, Guan Shanyue, Li Pengfei, Wang Shaopeng, He Chao, Li Gang, Ding Pan. Design and experiment on system for concentrating biogas slurry with vacuum evaporationJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 72 76. (in Chinese with English abstract) doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.011 0 引 言 近年来，中国沼气工程的推广步伐加快，发展迅猛， 取得了显著的经济、生态和社会效益，成为全球受益人 口最多的民生工程之一和节能减排行动1。截止 2011 年 底，据有关部门不完全统计，已有大中小型沼气工程 7.3032 万处，其中大型沼气工程 4 963 处、中型沼气工程 22 795 处、小型沼气工程 45 259 处；己有生活污水处理 沼气工程 19.16 万处、农村户用沼气池 3 850 万户。年产 沼气总量 142.6 亿 m3，折合标准煤 2 500 万 t，可减排二 氧化碳 5 000 多万 t2。2012 年，全国现代农业发展规划 再次将加强农业资源和生态环境保护作为重点工程提 出，规划 2015 年实现适宜农户沼气普及率 50%，年均增 长率 17%。伴随着沼气工程建设规模的扩张，沼气实现 了跨越式发展，但沼渣沼液综合利用却明显滞后，成为 沼气产业做大做强的短腿和制约沼气产业与种植业、养 殖业循环发展的瓶颈3。 其中， 由于原始沼液的浓度偏低， 收稿日期：2015-07-05 修订日期：2015-10-23 基金项目：农业公益性行业科研专项（201203019-1） ；河南省开放合作项目 （132106000074） 作者简介：焦有宙，男，河南博爱人，教授，博士，主要从事可再生能源转 换技术、 固废资源化技术研究。 郑州 河南农业大学农业部农村可再生能源 重点开放实验室，450002。Email： 通信作者：丁 攀，男，河南郑州人，博士，主要从事机电一体化技术及 农林产品加工设备研究。郑州 河南农业大学机电工程学院，450002。 Email： 体积过大，还含有大量的杂质，不利于其产业化4。因此 分离浓缩沼液的营养物使其体积减量，开发出合理有效 的沼液浓缩技术及装置，降低沼液处理运输等成本，对 促进沼气工程产业链的深度发展及沼液沼渣等副产品的 资源化利用水平提高有着积极推动作用5。 国内外现有的沼液浓缩处理方法有生物基滤料、膜 生物反应器、高耐污反渗透技术等。但都存在成本高， 能耗大，对环境条件和操作管理要求高等问题6。负压蒸 发浓缩技术作为一种合理有效的液体浓缩技术已广泛应 用于废水处理、食品加工和医药制造领域。国内学者也 对负压蒸发浓缩技术的应用进行了大量的研究。张可喜 等对蒸发浓缩乳胶后的基本物理性质与离心浓缩后进行 比较7； 尉凤珍等做了用真空蒸发浓缩装置处理核放射性 废水的研究8； 何燕等将真空蒸发浓缩方法用在了硝基苯 的生产工艺中9； 李芸做了利用真空蒸发浓缩技术由甜水 制药用甘油的研究10；黄诚等做了浓缩蜜桔汁的工业化 加工的研究11；许牡丹等做了浓缩式真空浸渍红枣的工 艺研究12； 刘凌等将真空法浓缩用在番茄汁的浓缩上13。 沼液中含有 120 多种组成成分，其中有 20 多种成 分使沼液具有抗病防虫作用， 虽然高温蒸发浓缩不会影 响沼液的药肥作用14，但由于沼液中的氨基酸、蛋白 质等活性物质较多， 如果在常压下对沼液直接进行加热 浓缩， 会造成沼液中活性物质失活以及一些易挥发物质 挥发，导致沼液理化性质的改变。基于以上问题，本文 通过计算， 设计一种利用负压蒸发技术来浓缩沼液的装 第 24 期 焦有宙等：沼液负压蒸发浓缩装置的设计与试验 73 置， 通过一系列负压蒸发试验， 对装置开展了性能测试 和分析。 1 沼液负压蒸发浓缩装置的工作原理及基本结构 1.1 工作原理 沼液负压蒸发浓缩装置运行时，先开启循环液槽 里的循环泵，压缩预热沼液进入负压蒸发罐，开启电 加热，加热导热油，使负压蒸发罐内环境温度达到负 压条件下沼液的沸点。环境温度升高后，打开真空泵， 对整个系统环境进行真空压缩，随着真空泵的工作， 负压蒸发罐的真空度逐渐升高到极值。同时，罐内环 境温度和沼液温度逐渐升高到所处负压环境的蒸发温 度，沼液沸腾蒸发，产生热蒸汽。蒸汽蒸腾上升，随 着真空泵的抽取而进入冷凝器，冷凝器的冷凝介质为 待处理的沼液，其循环动力由循环泵提供，既能够达 到对形成的蒸汽进行冷凝的效果，也可以对待处理的 沼液进行预热，减少热损失。经过冷凝的热蒸汽凝结 成水流入冷凝水储存罐，冷凝水储存器除了储存冷凝 液，还可作为整个系统真空度的缓冲罐，保证系统在 一定真空度环境条件下运行的稳定。浓缩后的高浓度 沼液可排入负压蒸发罐下部的排液槽中收集使用。整 个浓缩过程中，料液大致经历 4 个过程，即预热阶段、 吸热升温阶段、蒸发阶段、冷凝阶段。在整个浓缩过 程中，系统的热量得到充分的利用，料液吸收高温蒸 汽的余热，使待处理料液达到预热的效果。最后，冷 凝液进入储液罐，剩余热量随真空泵抽出。 1.2 基本结构 装置主要由 4 个部分构成：分别是负压蒸发装置、 冷凝装置、冷凝液收集装置、沼液加热装置。各个部分 通过管道、阀门等连接，并焊接在支座底架上。沼液负 压蒸发浓缩装置基本结构示意图如图 1 所示。 1.排液槽 2.循环液槽 3.负压蒸发罐 4.冷凝器 5.真空泵 6.集液槽 7.循环泵 1.Displacement tank 2.Circulating cistern 3.Evaporating pot 4.Condensator 5.Vacuum pump 6.Collecting tank 7.Circulating pump 图 1 沼液负压蒸发浓缩装置基本结构示意图 Fig.1 Structure diagram of vacuum evaporation system for biogas slurry 2 沼液负压蒸发浓缩装置的设计计算 2.1 蒸发罐的设计计算 装置以实验室日常厌氧发酵试验产生的废弃沼液为 对象，容量按 20 L 设计，加热原理为依靠加热电极加热 导热油，从而对整个罐体均匀加热。关于加热电极的热 衡算 Q 如下： ()()1QwrSc Ttq=+ ， （1） 式中w为水分蒸发量，kg/h；S为进料量，这里取 S=15 kg/h；c为物料比热，测得c=3.89 kJ/(kg)；T为 进料温度，；t为料液沸点温度，；r为二次蒸汽汽 化潜热，kJ/kg；q为热量损失，按总热量的5%计算。 计算得出，Q=17454.4 kW，加热电极个数n=9.69， 由此选定加热管功率p1=500 W，加热电极10根。 2.2 收集罐的设计计算 蒸发工艺计算的主要依据是物料衡算、热量衡算及 传热速率方程。计算的主要项目有：加热的消耗量，溶 剂蒸发量，以及冷凝器换热面积、耗水量。计算的已知 参数有：料液的流量、温度和浓度、最终完成液的浓度 和冷凝器中的压力等。 物料介质：发酵后沼液；物料处理量15 L/h；进料质 量分数8%12%；出料质量分数15%；进料温度50； 蒸发温度6580。 总蒸发量 0 1 (1) B WS B =， （2） 式中B0为进料浓度，B1为出料浓度， 取B0=8%，B1=15%， 计算得出，W=7 kg/h，按待蒸发沼液的量为15 L蒸发掉 的物质的量约为7 L，若按蒸发罐的最大量20 L计算， 则蒸发量约10 L，所以不锈钢收集罐的最大容积为10 L 左右。 2.3 冷凝器的设计计算 冷凝器在整个装置中起着冷凝排出液预热待蒸发沼 液的作用，冷凝器采用列管式冷凝器，设计计算如下： 1）进入冷凝器的热量 Qm r=； （3） 2）冷凝器换热面积 lg Q F Kt = ； （4） 式中m为物料蒸发量，kg/h；K为传热系数，kJ/(m2)， 取k=1 500 kJ/(m2)；t为传热温差，这里按对数 温差计算， 冷却水进入温度25， 排水温度按40计算。 求得lgt=31.9，F=0.35 m2，实际换热面积按理论值的 1.25倍选取。 () 2 21 () P P D IC t R Ctt = ， （5） 式中R为冷却水用量， 计算得R=242.7 kg/h；D为冷凝蒸 汽量，取D=7 kg/h；t1、t2为冷却水进出口温度（冷却水 可循环使用） ， 取t1=25，t2=40， 则平均温度t=32.5； 由平均温度查得：蒸汽的焓I=2 344.86 kJ/kg；冷却水平 均比热Cp=4.187 kJ/(kg)。 2.4 排液槽的设计计算 负压蒸发罐的最大容量为20 L，按试验预定的蒸发 率计算， 进料质量分数B0为8%， 出料质量分数B1为15%， 农业工程学报（） 2015 年 74 则由式 （2） 已求得W=7 kg/h， 即排液槽的最大盛液量为： W =20W=13 kg/h。 2.5 沼液负压蒸发浓缩装置的设计计算结果 基于上述计算分析，沼液负压蒸发浓缩装置设计参 数见下表。按照设计，该装置每小时可处理沼液15 L， 处理料液质量分数为8%12%，出料质量分数为15%左 右，最大蒸发量为7 kg/h。 表 1 沼液负压蒸发浓缩装置设计参数 Table 1 Design parameters of vacuum evaporation system for biogas slurry 序号 Number 项目 Items 参数值 Parameter values 1 蒸发罐容积 Volume of evaporation tank/L 20 2 蒸发量 Amount of evaporation/(mLh-1) 4000 3 加热功率 Heating power/(kJh-1) 18000 4 最大绝对真空度 Maximum vacuum/MPa 0.025 5 冷凝器换热面积 Heat exchanging area of condenser/m2 0.438 6 排液槽容积 Volume of drainage tank/L 15 7 收集罐容积 Volume of gathering tank/L 10 8 蒸发表面积 Evaporation surface/m2 0.5181 3 沼液负压蒸发浓缩试验 3.1 试验材料 供试沼液取自河南农业大学实验室厌氧发酵后的废 弃沼液，基本理化性质如表2所示。 表 2 沼液样品理化性质 Table 2 Physical and chemical properties of biogas slurry pH 值 pH value 总氮 TN/(mgL-1) 总磷 TP/ (mgL-1) 总钾 TK/ (mgL-1) 有机质 Organic matter/(gkg-1) 7.14 2162 376.23 571.45 4.14 3.2 试验方法 在负压蒸发浓缩沼液之前，对沼液在不同温度下 的理化性质进行了试验探究，对不同温度下沼液的理 化性质变化进行分析。理化性质分析试验共设5组， 分别在30、70、80、90、100的温度梯度下对沼液 加热30 min，待冷却后封存冷冻，进行测试分析。测 出加热前后沼液中氮磷钾元素的含量以及有机质的含 量，进行对比。 取河南农业大学实验室厌氧发酵后的废弃沼液，加 入装置储液箱中等待处理。负压蒸发浓缩试验设计为5 组， 调节绝对真空度分别在0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、 0.025 MPa 5个梯度下进行。打开真空泵，沼液被吸入负 压蒸发罐中。调节装置的真空压力表，使装置分别维持 在不同真空度梯度下进行持续加热1 h，通过15 000 mL 沼液在各个真空度下浓缩1 h后冷凝液的体积来反映沼 液的浓缩速率，冷凝液的体积越大说明沼液的浓缩速度 也越大。 3.3 试验结果与分析 由图2a可知， 在加热浓缩沼液时， 氮含量减少且下降 趋势明显，这是因为随着温度的升高沼液中的大量有机氮 转化为氨氮，沼液呈碱性存在大量的OH-、NH4+和OH-会 结合生成NH3H2O， 极不稳定， 且随着温度升高会释放15； 温度对磷含量的影响没有对氮含量的影响大；钾元素含量 随温度的变化，与磷类似，呈下降趋势，但是含量变化趋 势平缓。但是为了保证有机质不大量流失，温度应该保持 在80以内，同时从保存氮量的角度考虑，加热沼液时沼 液温度越低越有利于避免沼液中氮的流失。 a. 有机质和氮 a. Organic matter and nitrogen b. 钾和磷 b. Potassium and phosphorus 图 2 沼液的元素含量随温度变化情况 Fig.2 Changes of element content of biogas slurry with temperature 图2b是经过负压蒸发浓缩装置处理后的沼液中氮磷 钾的含量，对比图2和图3可以看出，虽然随着蒸发温度 的升高，氮磷钾含量流失，但是处理后的氮磷钾浓度是上 升的，这是因为负压蒸发过程中，沼液中水分的蒸发速率 远远大于氮磷钾的流失速率。从图中可以看出，在时间一 定的情况下，浓缩处理后的氮磷钾含量均随真空度的升高 而增大，磷和钾的变化较缓慢，且总体变化不大；氮含量 在绝对真空度为0.025 MPa时有明显的上升趋势。 从表3可以看出，在相同的浓缩时间内，随着真空 度的增加，负压蒸发浓缩沼液的冷凝液体积也随之增大， 在绝对真空度为0.025 MPa时达到最大。 这是因为随着真 空度的升高，沼液的沸点逐渐降低，沼液也更容易达到 沸腾的状态，冷凝水的体积随真空度的升高而增大。 第 24 期 焦有宙等：沼液负压蒸发浓缩装置的设计与试验 75 图 3 浓缩液中各组分的含量 Fig.3 Composition of concentration of biogas slurry 表 3 沼液负压蒸发装置运行参数 Table 3 Operation parameters of vacuum evaporation system for biogas slurry 绝对真空度 Vacuum/MPa 蒸发量 Evaporation/ (mL(m2h)-1) 蒸发温度 Evaporative temperature/ 蒸发率 Evaporativity/% 0.07 6 601 88 22.8 0.06 6 921 84 23.91 0.05 7 286 80 25.17 0.04 7 720 75 26.67 0.03 8 048 71 27.80 0.025 8 324 67 28.75 如表3所示，随着真空度的不断增大，蒸发出的冷 凝水的量不断增加，同时沼液的蒸发温度即沸点不断降 低，且温度下降速率较均匀。综上所述，当沼液蒸发装 置内的绝对真空度维持在0.05 MPa到0.035 MPa之间时， 温度在7580时，既能有效防止沼液内有效成分的流 失又能起到好的浓缩效果。 目前国内外的沼液负压蒸发浓缩方法尚停留在试验 阶段，并没有相应的浓缩装置，更没有规范的处理工程。 运用负压蒸发浓缩装置处理沼液，氮磷钾的浓缩倍数最 高可达到1.6倍， 与目前运用比较普遍的纳滤膜浓缩提纯 方法16的1.4倍浓缩倍数相差不大。 但是纳滤膜在处理高 浓度沼液时，浓缩速率会有所下降，因此在实际操作中 需要随着浓缩过程的进行不断添加新的沼液，而沼液负 压蒸发浓缩装置则可以处理任何浓度的沼液，并且只需 一次性加入需要浓缩的沼液就行。 沼液负压蒸发浓缩装置的主要能耗为沼液加热到蒸 发温度的能耗和真空泵的功耗。在装置后期的优化上可 以配备槽式太阳能加热板，用来加热待处理沼液，这样 可以大大减少装置的自身功耗，减少沼液处理的成本， 提高装置的资源利用率。 4 结 论 1） 在负压蒸发浓缩装置运行条件下， 当温度低于80 时， 沼液的有机质含量基本不变， 蒸发温度高于80之后， 有机质含量明显下降，80100的变化率为9.4%；随着 温度的升高，氮磷钾含量不断下降，氮含量流失最大，最 大变化率为13%；蒸发浓缩后的沼液中有机质和氮磷钾含 量都是升高的，且含量随真空度的增大而升高。 2）在装置工作时间一定的情况下，随着真空度的升 高，沼液的蒸发温度逐渐降低，蒸发量不断增大，具体 为：绝对真空度为0.025MPa时，最低蒸发温度为67， 蒸发量最高能达到8 324 mL/(m2h)，蒸发率为28.75%。 3）试验得出装置运行的最佳状态是：绝对真空度维 持在0.05 MPa到0.035 MPa之间，温度在7580时， 蒸发量能达到7 700 mL/(m2h)，蒸发率为26%左右，既 能有效防止沼液内有效成分的流失又能起到浓缩效果。 参 考 文 献 1 屠云璋，吴兆流. 2011 年大中型沼气产业发展报告J. 太 阳能，2012(2)：2325. 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A vacuum evaporation system of 20 L for concentrating biogas slurry was designed based on the physical and chemical properties of biogas slurry. The parameter design and equipment selection for every part of the system included an evaporator (the main equipment), condenser, circulating cistern and vacuum pump (auxiliary equipment). Also, we used the biogas slurry from Henan Agricultural University as the experimental material to test the efficiency of the vacuum evaporation device. The results showed that, the organic matter content of biogas slurry had no significant change when the evaporation temperature was less than 80 while it reduced dramatically when the evaporation temperature was more than 80. The change rate of the organic matter content reached 9.4% when the evaporation temperature changed from 80 to 100. The contents of n