寒區車庫式干法沼氣發酵系統的運行試驗

矯云學++趙國明++張蕾蕾++袁存亮

摘 要：針對寒冷地區如何保證沼氣越冬生產，且耗能低的問題，研制出一種寒區車庫式干法沼氣發酵系統，該系統具有良好的增保溫和產氣性能。并以牛糞和秸稈為原料在環境溫度不低于-19.7 ℃情況下進行了產氣運行試驗，結果發現整個產氣周期物料溫度始終維持在51～55℃之間，同一料層每小時溫度變化不大于1.4℃，池容平均產氣率達到0.83m3/（m3·d），產氣甲烷體積分數除前2d外都達到55%以上，表明反應器具有良好的增保溫性能，較高的池容產氣率和較好的產氣質量。

關鍵詞：寒冷地區；干法沼氣；車庫式；厭氧發酵

中圖分類號：S-3 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170229021

引言

利用沼氣技術處理畜禽養殖場的糞便，可以消除糞便對地表水、地下水、大氣環境污染以及微生物污染等，同時其產物為清潔能源沼氣和優質有機肥料，可實現養殖廢棄物的資源化利用，越來越受到人們的關注。東北地區現有的大中型沼氣工程多數采用CSTR濕法沼氣發酵工藝，該工藝技術成熟，在南方應用較好，在北方應用冬季需要將大量的水加熱，耗能較大。近年來，國內建設了一些大中型干法沼氣工程，與濕法沼氣工程相比，產氣耗能有所降低，但仍存在諸多問題。如黑龍江省賓縣車庫型干發酵垃圾處理沼氣工程，該工程引進德國干發酵沼氣技術，多個反應器布置在一個大的生產車間內，在保溫上取得了良好的效果，但在增溫上仍需消耗大量的常規能源才能維持運營，且工程造價昂貴。再如北京龐各莊干法沼氣工程，該工程反應器建設在高大的陽光棚車間內，反應器頂面和一側面采用柔性膜覆蓋，可以吸收太陽能增溫，但其保溫性能相對較差，在寒區冬季也很難運行，同時工程造價也很高。如何降低寒區沼氣工程建設成本，實現冬季沼氣低能耗、高效穩定運行，一直困擾著廣大科研工作者。

本課題開發設計了寒區車庫式干法沼氣發酵系統，能夠充分利用太陽能為物料增溫，且通過反應器結構的合理設計，大大降低工程建造成本，提高反應器保溫效果，降低產氣耗能，使物料在沼氣發酵過程中始終保持在較好的發酵溫度，并具有較高的產氣率和較好的產氣效果。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點和試驗裝備

試驗于 2015年 11 月 5 日—12 月 3日，在白城市佳祥生物質能源有限公司院內進行。試驗裝備為寒區車庫式干法沼氣發酵系統，以內置水箱“棚-膜-封閉車庫槽”組合干發酵厭氧反應器為核心，總反應體積400m?，單槽反應體積200m?，內置水箱“棚-膜-封閉車庫槽”組合干發酵厭氧反應器如圖1。

寒區車庫式干法沼氣發酵系統組成示意如圖2，主要由沼氣火炬、用戶管、儲氣柜、渦街流量計、脫硫罐、脫水罐、溫度控制儀Ⅱ、溫度控制儀Ⅰ、吸氣管、螺旋噴頭、厭氧反應器、換熱管、蓄熱換熱水箱、曝氣管、溫度控制儀Ⅳ、溫度控制儀Ⅲ、沼液泵、沼液池、羅茨風機、循環泵 、電控柜、沼氣鍋爐、太陽能集熱系統以及配套設施等組成。“棚-膜-封閉車庫槽”組合厭氧反應器槽體內表面設有氣密層，外表面設有10cm厚聚氨酯發泡保溫層，可以減少槽內物料熱量散失。反應器頂部采用陽光板棚能夠保證太陽光盡可能多的透入溫室內，照射在棚頂柔性膜上，實現良好的增保溫效果。反應器槽底內置蓄熱換熱水箱可在白天積蓄太陽能集熱系統的熱能，于夜晚環境溫度較低時將積蓄的熱能傳遞給物料，既可以用來保證發酵槽內的物料溫度，又可以為穿過其中的水箱內曝氣管加熱。由太陽能集熱系統、沼氣鍋爐、循環泵、蓄熱換熱水箱以及換熱管等構成增溫系統，太陽能集熱系統所用真空集熱管尺寸為直徑Φ58mm，長度1800mm，數量為750根，蓄熱換熱水箱容積7m?。由沼液泵、輸液管路、螺旋噴頭、沼液池等構成沼液噴淋系統。由羅茨風機、吸氣管、曝氣管等構成曝氣系統，可以很好地利用反應器自身產生的沼氣來疏通料堆，提高傳熱率。由羅茨風機、脫水罐、脫硫罐、儲氣柜、火炬等構成沼氣凈化儲存系統。

1.2 試驗原料

發酵原料為鮮牛糞（TS含量為18%）和經揉搓機揉碎長度小于1.5cm的干玉米秸稈（TS含量為80%）。

1.3 試驗儀器儀表

L93-2L溫度記錄儀（成都華衡儀器有限公司，測量精度：±0.5～0.8℃，分辨率：0.1℃）、BR-LUGB-50型渦街流量計（江蘇金湖博銳儀表有限公司，精度等級：±1.5%R）、LFGB-002型沼氣氣體成分速測儀（英國）。

1.4 試驗運行

將太陽能集熱系統和蓄熱換熱水箱加滿水。將牛糞與揉碎的秸稈按體積比2.5：1混合均勻送入厭氧反應器內，總進料量占反應器容積的80%，料堆寬4m，高3m。接著進行好氧預處理，間隔8h啟動羅茨風機1次對發酵物料進行好氧曝氣，每次曝氣時間30min，當物料溫度達到50～55℃時，封反應器進行厭氧發酵。厭氧發酵初期產生的雜氣排出，排氣大約3d左右，當檢測沼氣中甲烷的體積分數不低于50%時進行沼氣凈化儲存。產氣過程中利用太陽能集熱系統吸收太陽能熱增溫，通過溫度記錄儀記錄每天各溫度傳感器測得的溫度數據（間隔10min記錄1次），每天間隔8h啟動羅茨風機1次對發酵物料進行厭氧曝氣，每次曝氣時間30min。每天用沼氣氣體成分速測儀按時測量沼氣的甲烷體積分數 1 次。每天按時燃燒排空產生的沼氣，并記錄流量計讀數。

2 結果與分析

2.1 增保溫效果

從寒區車庫式干法沼氣發酵系統運行排完雜氣正式生產沼氣開始，到該周期生產沼氣結束，共計28d，溫度開始記錄時間：2015年11月5日22：30，結束記錄時間：2015年12月3日22：30，記錄每天各溫度記錄儀測得的溫度數據。溫度控制儀Ⅰ測料表層溫度和空氣環境溫度；溫度控制儀Ⅱ測距料層頂部20cm料溫；溫度控制儀Ⅲ測料層高度1.5m處料溫；溫度控制儀Ⅳ測距料層底部20cm料溫和蓄熱換熱水箱內水溫。將測得的物料溫度和水箱溫度整理成如圖3所示的物料溫度、水箱溫度變化趨勢圖，對應的空氣環境溫度整理成如圖4所示環境溫度變化趨勢圖。

空氣環境溫度隨著晝夜的更替而急劇變化，同時隨著季節和天氣的變化而變化。整個發酵周期內最高環境溫度為-2.4℃（時間為 2015 年 11月 7日 2 ：10），最低環境溫度為-19.7℃ （時間為 2015 年11月24日3：50），變化幅度為 17.3℃。沼氣發酵期內日空氣環境溫度變化幅度最大為 13.8℃（時間為 2015 年 11月7日）；沼氣發酵期內日環境溫度變化幅度最小為3.2℃（時間為 2015 年 12月 2日）。

蓄熱換熱水箱內水溫隨著晝夜的更替而急劇變化。整個厭氧發酵周期內最高溫度為68.9℃，最低溫度為53.4℃，變化幅度為15.5℃。沼氣發酵期內日水箱溫度變化最大為15.5℃（時間為 2015 年 11月 10日）； 沼氣發酵期內日水箱溫度變化幅度最小為 8.8℃（時間為 2015 年 11月22日）。整個發酵周期內水箱溫度始終高于物料溫度，能夠連續不斷地為物料增溫。

整個周期內料表層溫度變化平緩，在44.0～44.5℃之間波動；整個物料溫度在51～55℃之間隨著晝夜更替而波動，同一料層每小時溫度最大波動幅度為 1.4℃；日溫度最小波動幅度為 0.1℃。已有研究表明，溫度發生波動會給沼氣發酵帶來一定的影響， 一般每小時溫度上下波動不宜超過±（2～3℃）。本試驗中，在整個沼氣發酵期內， 每小時內的物料溫度波動都遠遠小于± （2～3 ℃）。

總的說來，空氣環境溫度和蓄熱換熱水箱內水溫呈周期性劇烈波動，而反應器內物料溫度變化趨勢相對平緩，每小時內同一料層溫度上下波動不大于1.4℃，反應器內發酵物料溫度受環境溫度變化影響較小。物料能夠不斷從蓄熱換熱水箱中吸收熱能，維持高溫厭氧發酵。由此可見，該反應器具有較好的保溫和增溫效果，為沼氣發酵微生物的生長提供了良好的溫度環境，有利于獲得較高的產氣率。

2.2 產氣效果

寒區車庫式干法沼氣發酵系統的日產沼氣量情況如圖 5 所示。從2015 年11月5日開始產氣到2015年12月3日產氣結束，28d總產氣量為4647.73m3，日均產沼氣165.99 m3，平均容積產氣率 0.83m3/（m3·d）（反應器容積按200 m3計算），最高日產氣量226.199 m3，最高日產氣率達到1.131 m3/（m3·d）。

發酵期內沼氣甲烷體積分數變化如圖 6 所示。在沼氣發酵開始后的前 3 d，沼氣中甲烷就由 50.4%快速上升到 55.1%，從第 4天到厭氧期結束，甲烷始終保持在 55%～60%范圍內，沼氣質量較好。

3 結論

本研究表明，在寒冷地區冬季氣溫不小于-19.7℃條件下，研制開發的寒區車庫式干法沼氣發酵系統物料溫度在整個產氣周期內始終維持在51～55℃之間，同一料層每小時溫度變化不大于1.4 ℃，沼氣生產不會產生波動。結合產氣情況，整個產氣周期內平均容積產氣率達到0.83m3/（m3·d），最高日產氣率達到1.131 m3/（m3·d），具有較高的產氣率，同時產氣甲烷體積分數整個產氣周期內除前2d外都達到55%以上，具有較好的產氣質量。因而說明本課題開發設計的寒區車庫式干法沼氣發酵系統，能夠實現寒冷地區冬季穩定生產沼氣，具有較高的平均產氣率和較好的產氣質量，解決了寒冷地區沼氣越冬生產技術瓶頸。

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作者簡介：矯云學，男，碩士，高工，主要從事農村資源與環境研究。