高溫太陽能集熱系統在沼氣池內發酵增溫的應用

竇金波

摘要：針對湖南地區冬季氣候寒冷、沼氣池不產氣的問題，結合該地區太陽能資源豐富的特點，將太陽能中高溫集熱裝置和沼氣發酵裝置進行了組合，設計了一套新型的太陽能加熱的沼氣生產增溫系統。該系統可以滿足業主全年對沼氣以及生活熱水的需要，從而改善農村人居環境和生態環境，緩解農村生活用能和工業用能之間的矛盾，實現節能減排，加快社會主義新農村建設步伐，建設和諧的社會主義新農村有重要示范推廣價值和重大社會經濟意義。

關鍵詞：太陽能；增溫系統；沼氣

中圖分類號： TK6

文獻標識碼： A 文章編號： 16749944（2015）06031103

1 引言

近年來隨著人們生活水平的提高，對肉類食品的需求逐年上升，因此集中在鄉村周圍的大型養殖企業也越來越多，利用牲畜糞產生沼氣發電或向周圍農戶供氣已經成為解決污染和清潔能源供給的主要手段，但是在冬季的地區，沼氣池由于溫度低于10℃就無法發酵產氣，傳統解決辦法用鍋爐加熱，但成本較高，導致設備閑置一個冬季，針對寒冷地區太陽能資源充足、冬季寒冷的氣候特色，設計出一套適合本地區使用的新型的太陽能加熱的沼氣發酵裝置非常可行，采用太陽能增溫系統后，池內溫度可提升10～15℃，低成本地解決了沼氣池冬季不產氣的問題。

2 沼氣池增溫工藝技術方案

2.1 太陽能加熱恒溫系統的組成

太陽能加熱恒溫系統的結構示意圖如圖1所示。本系統主要由太陽能熱水器、熱水緩沖器、螺旋式換熱器、自動控制系統（溫度傳感器、交流觸電器、溫控儀和電磁閥等）、循環泵和其它輔助部件組成。其功能是為中溫發酵的沼氣反應罐進行加熱。

圖1 太陽能加熱系統的結構組成示意

2.2 太陽能加熱恒溫系統的工作原理

當反應罐內的溫度小于設定溫度時，由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而開啟循環泵，促使熱水緩沖器中的熱水流經反應罐中的螺旋管式換熱器進行循環，對液料進行加熱，提升反應罐內的溫度；當反應罐內的溫度達到設定溫度時，再由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而關閉循環泵，循環終止。熱水緩沖器的主要功能是為了控制進入螺旋換熱器中水的溫度，防止溫度過高。因為溫度過高時容易引起局部污泥溫度過高以及螺旋罐外壁結殼，通過熱水緩沖器將進入螺旋管中的溫度控制在50℃±2℃。熱水緩沖器的工作原理分為兩個循環。

第1循環

熱水緩沖器的溫度高于52℃時，其循環路線為：

熱水緩沖器—循環泵—閥3—螺旋換熱器—閥4—電磁閥3—熱水緩沖器

此時，電磁閥1與電磁閥2關閉，切斷與太陽能熱水箱的循環；電磁閥3打開，循環水直接通過熱水緩沖器進行循環，促使熱水緩沖器中的溫度降低。

第2循環

熱水緩沖器的溫度低于48℃時，其循環路線為：

熱水緩沖器—循環泵—閥3—螺旋換熱器—閥4—電磁閥2—太陽能熱水器—電磁閥1—熱水緩沖器

此時，電磁閥1與電磁閥2打開，聯通與太陽能熱水箱的循環；電磁閥3關閉，從而促使熱水緩沖器溫度升高。太陽能加熱系統中還設有循環泵的總控裝置。當太陽能水箱中的溫度低于40℃時，關閉循環泵，避免循環泵長時間連續工作，節省電能。

3 方案設計（以岳陽楓樹灣公司為例）

3.1 設計參數

3.1.1 環境溫度

設計計算基本參數：

極限環境溫度：夏季+42.5℃，冬季-15.8℃。

年平均溫度14.5℃。

配置：換熱水箱4t，溫度55℃。

3.1.2 輻照參數

以岳陽地區（緯度28°13′，經度113°06′）數值作為參考標準，太陽輻射及天氣參數數據見表1。

3.2 太陽能加熱系統熱平衡計算

為了驗證太陽能熱管加熱系統是否能滿足工作要求，對該系統的熱負荷進行了理論計算。

3.2.1 沼氣發酵裝置的熱損失計算

（1）沼氣發酵裝置散熱損失的熱量。單體沼氣發酵裝置幾何尺寸見圖2，該系統按照容積為1500m3進行設計，沼氣發酵裝置的直徑為8m，高度為12m，液面高度9.6m，上方留有1.4m的沼氣空間，下沉1m放置土壤里，在冬季最冷月份（12月），沼氣池里料液溫度需控制在15℃以上，才能確保正常運行。

圖2 氣池幾何尺寸分布示意

發酵裝置的外表面覆蓋保溫層，以減少損失，由于筒壁所引起的熱阻與保溫層相比較小，可以忽略不計，因此該發酵裝置筒體內、外壁溫度可視為相同，根據設計要求，保溫層內表面溫度t1=15℃，外表面溫度為t2=5℃，保溫層內外半徑分別是R0和R1，此時傳熱過程包括保溫層的熱傳導和保溫層外壁與環境空氣的對流導熱，因此熱損失速度可表示：

保溫材料：聚氯乙烯保溫板，厚度：10cm，λ=0.04652w/（m·℃）。

其中x為對流傳熱系數 ，取10 w/（m·℃） ， 筒體高度L=6.6m，計算得V=8.35W/m2，所以筒體保溫層的熱損失：

Q1= V*S*T=8.35×281.5×86400=0.203×106kJ。

由于筒體上部有1.4m的空氣層，空氣的導熱系數很小，并且錐形頂蓋覆有同樣厚度的保溫層，因此此處的熱損失忽略不計。

由于沼氣發酵裝置是下沉放置在土壤中，土壤系統的傳熱問題，目前尚無令人滿意的計算公式，作為一種估算，可將筒體底面散熱視為恒壁溫半無限大導熱問題，取土壤的λ=0.5w/（m.℃），ρ=1500kg/m3，CP=1.9kJ/kg，由于沼氣發酵裝置的底部壁厚遠遠小于其高度，可將其散熱設為大平壁散熱問題，利用恒壁溫半無限大導熱公式，

即Q2=2FλρCPπTt

F為傳熱面積 ，F=πr2=3.14×42=50.24m2，

傳熱時間T=86400S，冬天12月份假設土壤溫度為8℃，則溫差t=7℃，

所以整個筒體的熱損失為：

（2）進出料損失的熱量。進出料損失的熱量計算公式為：Q3=Cpm（t1-t2）。

式中：Cp為料液的比容量（新鮮料液濃度比較低，約為8%，可近似取水的比熱量，Cp=4.2kJ/（kg.℃）；m為每天進入沼氣池的新鮮料液量，m=20000kg；t1為沼氣池內料液的溫度，t1=15℃；t2為新鮮料液的溫度，t2=8℃，計算得Q3= 0.058×106kJ。

每天沼氣池總的熱量損失：

3.2.2 沼氣池獲得熱量計算

厭氧發酵反應產生的生物熱。沼氣池厭氧消化過程的反應隨處理的物料不同而異。轉化牲畜糞便成為

甲烷所產生的反應熱，可有發酵料液有效能量（16.95kJ/kg）的3%以熱量的形式放出而求取，每天新增加的料液為20000kg，所以發酵時所產生的總熱量為QK=0.01×106kJ，沼氣池可以獲得的熱量Q0=QK=0.01×106kJ。

3.2.3 系統每天總熱負荷

系統每天總熱負荷Q總=Q-Q0=0.701×106kJ-0.01×106kJ=0.691×106kJ。

為保證沼氣池溫度，太陽能加熱系統在晴天獲得能量Q太要大于Q總，即Q太≥Q總。

3.2.4 太陽能集熱面積設計

由表1查得岳陽地區12月份平均太陽輻射量（水平）約為6.811MJ/（m2·d）；（傾角等于當地緯度）的約為10.961MJ/（m2·d），我們這里經過設計安裝修正取8.5MJ/（m2·d）；則太陽能熱管加熱系統日均總集熱量按下式計算，即

式中：A為集熱器采光面積；I為鄭州地區12月份集熱器日均輻射強度8.5MJ/（m2·d）；ηi為集熱器全日集熱效率，取0.55；ηj為管路及儲水箱損失率，取0.25；Q太取Q總= 0.691×106KJ；計算A=320m2。

需要集熱面積320m2，集熱器（58×1800×50支）集熱面積為10.7m2，應安裝29.9組，計劃安裝30組。

4 結論

該項目屬節能減排工程項目，利用太陽能產生的熱量作為加熱熱源，加熱過程沒有任何污染及相關的尾氣，達到環保要求。該項目完成后池內溫度可提升10～15℃，變常溫為中溫發酵，常溫發酵的溫度是10～30℃，每1立方米池容，一般日產氣量為0.1～0.25m3。中溫發酵最適宜的溫度是30～35℃，每1立方米池容，日產氣0.4～0.9m3；產氣量可將樹灣畜牧有限公司可實現產氣率抬高2倍以上，每年至少多產沼氣6.5萬m3，折標準煤50余t，可以多發電力15萬kW·h，經濟效益明顯。通過該項目的實施，可實現生態效益、社會效益和經濟效益的統一。

參考文獻：

[1]羅運俊，何梓年，王長貴.太陽能利用技術[M].北京：化學工業出版社，2005：45～55.

[2]賈英洲.太陽能供暖系統設計與安裝[M].北京：人民郵政出版社，2008：122～131.

[3]何梓年.太陽能熱利用[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2009：555.

[4]張全國.沼氣技術及其應用[M].北京：化學工業出版社 2006：36～37.

[5]鄧遵威.新型太陽能沼氣技術農機科技推廣[J].農機技術推廣，2007（11）.

[6]王炳忠，張富國，李立賢.我國的太陽能資源及其計算[J].太陽能學報，1980（1）.