論太陽能與車庫型干法沼氣工程的完美結合

黑龍江省農業機械工程科學研究院農村能源中心 ■ 李劍 欒玥 羅光輝 盛力偉 李存斌

一 引言

沼氣工程作為一種有效利用生物質能生產清潔燃氣的方式，近年來日益受到人們的關注。根據原料干物質濃度(TS)，沼氣工程可分為兩大類：TS≤20%為濕法，TS≥2%為干法[1]?；谖覈赜虻奶厥庑院驮系淖陨硖匦裕鬯^多的工程多采取濕法發酵，水源不太充足以及高寒地區適宜利用干法發酵。隨著歐美發達國家干法發酵技術的日益完善，利用車庫型干法沼氣工程處理有機廢棄物成為沼氣工程的一種發展趨勢。

生物質能的原始能量來源于太陽，從廣義上講，生物質能是太陽能的一種表現形式。中國人口眾多，資源相對不足，能源供應不能充分滿足國民經濟發展的需要。隨著經濟的進一步發展和全面小康建設的推進，必將對能源供應提出新的要求[2]。

本文從車庫型干法沼氣工程需要進行中溫發酵出發，結合工程與太陽能一體化的優勢，設計出利用太陽能為沼氣工程增溫的太陽能沼氣系統，為生物質能產業的發展提供一定的參考依據。

二 車庫型干法沼氣技術

傳統的沼氣發酵均采用濕法技術，由于濕法技術發酵耗能高、處理干物質的成本高等一系列缺點，限制了其適應的范圍和地域。從上世紀90年代起，德國大量資助新型間歇式干法沼氣發酵技術的研發。90年代末，德國間歇式干法沼氣工藝和裝備通過了中試，2002年生產出工業級裝備并投入實際運行。

與傳統的濕法技術相比，新型間歇式干法沼氣發酵技術具有以下優點：(1) 自身耗能低，冬季僅耗用自身產生能量的10%～15%；而濕法的自身耗能約為30%，在北方寒冷地區冬季甚至會達到45%，大大限制了沼氣技術在北方寒冷地區的推廣。(2) 可以直接處理農作物秸稈和城市垃圾等固體可發酵有機物，大大節省了預處理成本。(3) 由于沒有攪拌器和管道，發酵不受干擾物質如塑料、木塊、沙石等影響，因而無需花費人力和設備將其在發酵前檢出。(4) 在發酵倉中沒有攪拌器等運動部件，系統的可靠性很高。(5) 沼氣質量高(含硫量遠遠低于濕法沼氣，只有50～300ppm，可以不經洗氣直接供沼氣發動機使用)，發酵物出氣率高。(6) 發酵倉為地面車庫型不透氣混凝土結構，底部管道暖氣供熱，土建費用低。(7) 發酵倉為模塊化結構，易擴展。(8) 進料、出料可使用通用的裝載機等工程機械，設備效率高，通用性強。(9) 因為發酵剩余物無濕法發酵的沼液，所以不用脫水處理，發酵剩余物經簡單的過篩和短時間的堆肥即可用作園林肥料或農作物肥料，存儲和后處理費用低、價值高。(10) 耗水量比濕法少得多，幾乎沒有污水排放，大大節省了水費和污水處理費[3]。

間歇式干法沼氣發酵技術與濕法沼氣技術相比，有兩個關鍵的技術問題需要解決：(1) 發酵初期與發酵結束時發酵室沼氣濃度與空氣濃度達到臨界點15:85時的防爆安全，需要高度安全可靠的自動控制系統。(2) 發酵菌在發酵物中的繁殖速度保障，需要高效的發酵菌液噴淋回流系統。

三 太陽能沼氣系統的設計

1 系統設計前期的參數分析

本文結合德國BEKON車庫型干法沼氣工程，以北方高寒地區哈爾濱為設計參考點。哈爾濱位于東經 125?42'～130?10'、北緯 44?04'～46?40'之間，全年平均降水量569.1mm，降水主要集中在6～9月，夏季占全年降水量的60%，年平均溫度3.6℃，最冷的1月份，平均氣溫為-13.2～-24.8℃，最熱的7月份，平均氣溫為18.1～22.8℃，采暖期176d，采暖期室外平均設計溫度-10℃，地區太陽輻射情況見表1[4,5]。

表1 哈爾濱地區全年太陽總輻射表

從表1可以看出，哈爾濱地區太陽總輻射最高月份為6月，月總輻射值達到704.7MJ/m2，日照時間達到285h；太陽總輻射最低月份為12月，月總輻射值為146.6MJ/m2，日照時間為162.3h；全年月均輻射值為412.7MJ/m2，月均日照時間為217.8h。

德國BEKON車庫型干法沼氣工程主要生產區見圖1。

圖1為一種典型的BEKON車庫型干法沼氣工程。工程占地面積16000m2，主生產區占地2000m2，工程主要處理原料包括家庭固體廢棄物、場區周邊食品廠及皮革廠垃圾，固體廢棄物年處理總量為20000t，原料沼氣產量為130～170m3/t，工程沼氣利用方式為沼氣發電，發電機組總裝機容量1052kW[6]。

車庫型干法沼氣工程主要工藝流程見圖2。

從圖2可以看出，發酵倉采用間歇式發酵方式，倉內具有噴淋及回流系統，倉底部及墻體具有管道式換熱器，系統可監測倉內溫度、壓力及氣體成分，發酵倉頂部同時具有排氣及換氣系統，熱源采用沼氣熱電聯供機組，以保證系統的高效安全運行。

2 系統設計

干法沼氣工程通常采用35℃左右的中溫發酵方式，這種發酵方式經濟性較好，對于采暖期達到176d的哈爾濱來說，滿足系統的熱量需求相比我國其他地區更耗費能源，而僅僅需要達到35℃的溫度對于太陽能熱利用工程而言無疑是非常容易實現的[7～9]，所以本文對該車庫型干法沼氣工程結合太陽能熱利用工程做出了一個詳細的論述。

發酵倉尺寸為30m×4.5m×4.5m，工程共計9座發酵倉，有效利用面積為1215m2。為了保證工程整體的美觀性及實用性，本文利用車庫型干法沼氣工程主要生產區的頂部水平安裝真空管平板型太陽能集熱器，系統圖見圖3。

工程發酵裝置共計5000m3，室外設計溫度-10℃，倉內物料溫度為35℃，倉內廢棄物比熱取0.92kJ/(kg·℃)，發酵倉單倉啟動需要熱量11178MJ，啟動時間控制在24h。哈爾濱地區太陽能輻射月均值為412.7MJ/m2，真空管太陽能集熱器效率90%[10]，管道損失根據《建筑給排水設計規范》取80%，工程需安裝太陽能集熱器共計1128m2。考慮到太陽能的不穩定性，工程還需要安裝鍋爐或電加熱等作為補充熱源。若為電加熱，已知發酵倉單倉啟動的需熱量為11178MJ，設計在1d內加熱到設定溫度35℃，則通過計算可知電加熱功率為120kW。

太陽能系統主要包括分體式真空管平板型集熱系統、5m3中央儲熱利用箱、智能控制系統、多路管路及循環系統的輔助加熱系統等。由于沼氣工程的建設必須安裝相對應的增溫裝置，所以各發酵倉采暖系統及保溫水箱都是工程已有系統，安裝太陽能不僅可以為系統提供足夠的熱量，同時還可以解決北方高寒地區系統啟動困難的問題。

3 系統分析

工程共計安裝太陽能集熱器1128m2，可年提供熱能4022141.2MJ，相當于節約標煤159.6t。

使用太陽能系統制備熱利用的設備回收期一般在1.5～3年，而太陽能熱利用系統主體的設計壽命至少為15年，所以間歇式干法沼氣工程結合太陽能熱利用工程是既經濟又環保的節能方式。盡管太陽能熱利用系統的初始投資相對其他熱利用系統要高，但是其運行成本卻相對較低，最重要的是太陽能熱利用所帶來的環境效益和社會效益是無法估量的，同時利用真空管平板型太陽能集熱器與車庫型干法沼氣工程進行有機結合，實現了太陽能與發酵倉的一體化，達到了美觀實用的效果。

四 結語

本文通過對車庫型干法沼氣工程的分析，充分利用車庫型發酵倉頂部的有效空間，結合真空管平板型太陽能集熱器，使太陽能和車庫型干法沼氣工程得到完美結合，通過設計分析得到以下結論：

(1) 干法沼氣工程的經濟發酵溫度為35℃，利用太陽能熱水工程達到此溫度較為容易實現。

(2) 利用太陽能與干法沼氣工程結合不但可以為系統提供熱量，同時還可以解決北方高寒地區系統啟動困難的問題。

(3) 車庫型干法沼氣工程與其他工程的顯著區別就是有平坦的頂部空間，利用平板型太陽能集熱器與發酵倉實現一體化，可達到美觀實用的效果。

(4) 對于發酵裝置為5000m3的干法沼氣工程，僅需1128m2集熱器即可在哈爾濱地區實現發酵倉在24h內增至35℃，從技術上分析是完全可行的。

(5) 工程安裝太陽能集熱系統后，可年提供熱能4022141.2MJ，相當于節約標煤159.6t。

本文主要討論的是在哈爾濱地區利用太陽能和車庫型干法沼氣工程的完美結合，其原因在于哈爾濱地處我國北方高寒地區，如果工程實施位置在其他省份，尤其是南方一些太陽能輻射較高的區域，系統的熱效率會更高，通過更快更高地提高沼氣發酵的溫度，能夠縮短沼氣工程的發酵周期，同時生產更多的清潔燃氣，所以太陽能與車庫型干法沼氣工程的結合將會是沼氣工程引入我國

后的一個很好的發展方向。

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