東北寒地冬季沼氣正常生產技術與策略實踐攻關

摘要：在我國北方高寒地區，沼氣池產半年，閑半年是一個普遍現象。在能源日趨緊張及生態環境不斷惡化的情況下，廣泛利用清潔的可再生的沼氣能源已經成為未來發展方向，如何使沼氣在我國北方高寒地區冬季正常生產成為首要解決的問題。課題組結合本單位教學、科研、生產的實際情況及現實需要，運用理論與實驗相結合的方法，經過深入研究后提出了可以使我國北方高寒地區冬季沼氣正常生產的“六為一體綜合控溫中溫恒溫發酵技術與策略”，并用此技術與策略作為指導在高寒地區實地建造沼氣池來驗證理論的可行性，最終取得了滿意的結果。

關鍵詞：東北寒地；沼氣池；中溫恒溫發酵

1 課題的提出背景

在我國農業地區，沼氣能源絕大部分是以戶用沼氣池為紐帶，采用多種能源生態模式工程（如北方“四位一體”、南方“豬沼果”和西北“五配套”等能源生態模式），同生態家園建設、社會主義新農村建設、農田基本建設、生態環境建設相結合才得以利用的，沼氣能源的利用改善了我國農業地區生產生活條件，優化我國農業地區能源結構，促進農業增效、農民增收和生態良性循環，推進農村小康建設和農村循環經濟的發展。然而，在我國北方高寒地區，由于有著明顯的氣候特點，現有的沼氣生產技術仍無法與之相適應。課題組結合本單位教學、科研、生產的實際條件及現實需要，提出了探索我國北方高寒地區冬季沼氣池正常生產的技術與策略這一工作。

2 理論提出的依據

通過對影響沼氣池在我國東北高寒地區冬季超低氣溫環境下不能正常產氣的關鍵要素--溫度--的研究分析，發現了如果能很好的控制沼氣池內熱能的流失，盡量增大沼氣池有效余氣量 (即除去一切必要的和不必要的沼氣消耗所剩下的可以被人們完全利用到生產生活中的那部分對人們來說真正有意義的沼氣)，完全可以實現沼氣池在我國北方高寒地區冬季正常產氣。

3 研究結果與分析

3.1 理論研究結果

課題組通過理論研究與分析后提出了“六為一體綜合控溫中溫恒溫發酵技術與策略”，即綜合運用沼氣池地下池體近身保溫技術、地面溫舍保溫技術、特殊擴展水壓間控壓增溫技術、原料發酵補熱技術、濾渣留液節能保溫技術、沼氣回燃補熱等六項技術實現可控中溫恒溫發酵制，使沼氣池在北方高寒地區冬季正常產氣。

3.2 實驗結果分析

在“六為一體綜合控溫中溫恒溫發酵技術與策略”的指導下，實地建造了北方高寒地區冬季正常產氣的沼氣池，并于冬季先后進行了低溫啟動、常溫發酵、近中溫發酵、中溫恒溫發酵等相關實驗，測定了不同狀態中各項技術參數和沼氣產量關系并對結果進行了相關分析。

當在只采取了最佳保溫技術情況下，沼氣池熱能損失減少90%以上。當采用溫舍技術時使地面溫度在16℃時，在保溫技術基礎上沼氣池內熱能損失可減少5-6％左右，當地面溫度在26℃時，沼氣池內熱能損失可減少9％左右。當采用三級控壓增溫水壓間技術后，在前兩項技術基礎上，當水壓間外發酵體溫度達到平均溫度30℃時可再節省45％左右的熱能，當達到65℃時節省幾乎100％熱能，甚至“倒灌”。這項技術受生物發酵技術條件影響，發酵時間長升溫速度慢，高溫時間短并且集中，在整個冬季只能使用一次，即輔助度過氣溫最低的時節。濾渣留液方法是盡可能減少料液中液體部分的流出，在進出料過程中實施過濾操作，將出料中的固體物與液體物分離開，液體物留在池中，經發酵后的固體沼渣過濾后出料，實行進多少料出多少料的策略。當采用這一技術策略量，以中溫，豬糞發酵為例，8立方沼氣池日最多可節省約5KW·h熱量，20立方沼氣池日最多可節省約16KW·h 熱量。可以實現節省溫度，還可以更好的發酵。當采用濾渣留液技術策略后，沼氣池在運行過程中可以節省很多熱能，然而仍無法解決進出料溫度差的問題，因此，當低溫的原料進入池體后，沼渣出來后，仍會影響沼氣池的熱量。所以這里采用原料發酵補熱技術，通過原料發酵達到50－65℃再下料，可以對池內補熱在進料前對原料進行發酵處理，當發酵好時溫度在可到65℃，這時進料溫度最好，這樣補充沼氣池出料時的熱能損失。當前五項技術策略采用后并達到預期目標后，不同容積沼氣池日熱量散失降到了4千瓦時以下，這是一個非常可觀的效果，然而不采用取相應措施，這樣的散熱功率很快就會使沼氣池內的溫度降下來，即無法穩定在中溫狀態，因此我們采用沼氣回燃技術利用產生的沼氣燃燒熱量回流到沼氣中加熱沼氣池補充這部分熱量散失，之后沼氣池單位容積有效余氣量仍在普通沼氣池正常產氣產量之上。

4 研究結論

我國北方高寒地區普通用戶冬季正常運用清潔的沼氣能源是完全有可能，運用“六為一體綜合控溫中溫恒溫發酵技術”可以很好的解決我國北方高寒地區沼氣池在冬季正常使用的“瓶頸”問題。

5 推廣應用情況、前景及效益

通過本課題的研究，找到了可在以我國北方高寒地區冬季正常使用沼氣池的技術和方法。我國是能源消耗大國，我國北方冬季是能源消耗主要地區，能用上清潔可再生的生物質能源，是未來我們國家發展方向，也是廣大百姓熱切希望的事情，可以在我國北方高寒地區冬季使用的沼氣池必定有著廣闊的市場前景，其有形的經濟效益是可以估量的，然而為未來我們國家可持續發展貢獻的隱形效益是無法計算的。因此該項技術成果必定有著良好的應用前景。

6 問題與思考

課題研究在理論和實踐過程中成功的找到了應對我國北方高寒地區冬季無法正常使用沼氣能源的技術與策略，然而在研究過程中，我們也碰到一些困擾和問題，體會較深刻的是：

（1）此次沼氣池建造是水泥混凝土結構的，這一結構施工工藝復雜，施工技術水平要求高，在我國北方聘請這方面施工技工困難，所以施工過程要比預計困難很多。

（2）施工過程中，地下水問題的解決是一個很棘手的問題，對地下水的控制是必要的，這也啟示我們，今后如果采用這樣的施工技術，盡量選在地下水位低的地區。

（3）由于時間及本次課題研究內容的限制，無法繼續運用本項目技術理論對現有池型、施工工藝進行改進，從而設計制造出預成型的沼氣池而深感遺憾。如果在預制成型沼氣池領域運用這項技術即可降低成本，又可使施工簡單化，那樣我國北方高寒地區冬季正常使用沼氣池將變得更加普遍。因此期待今后可以利用這一技術在預成型沼氣池領域繼續展開研究。

參考文獻

[1] 葛新石等澤.傳熱的基本原理. 安徽教育出版社1985

[2] 張德信主編.建筑保溫隔熱材料. 化學工業出版社2006

[3] 農業部人事勞動司 農業職業技能培訓教材編審委員會組織編寫.沼氣生產工（上冊）. 中國農業出版社 2004

第一項目負責人簡介：王洪晶，黑龍江農墾林業職業技術學院 ，副教授。

第一通訊作者簡介：董憲軍，黑龍江農墾林業職業技術學院 ，助理講師。