寒冷地區大中型沼氣工程增保溫技術的研究

張重 張蕾蕾 邢向欣 張蘇

摘要：本課題針對現有的沼氣設施冬、春季增溫、保溫技術還很不完善，不能保證冬季穩定、低能耗運行等問題，研究一種寒區大中型沼氣工程的增保溫技術。本課題研究的一種寒區大中型沼氣工程的增保溫系統，包括太陽能集熱裝置、沼氣鍋爐、循環泵（連時控開關）、膨脹水箱、反應器內導氣管、加熱管、黑色柔性膜、蓄熱換熱水箱、陽光板溫室、聚氨酯發泡層、保溫被、曝氣管、羅茨風機。本系統可以保證菌種冬季發酵的正常溫度，使得東北地區在寒冷的冬季也可很好地處理畜禽糞便和農作物秸稈等農業有機物固體廢棄物，同時生產沼氣和綠色有機肥。

關鍵詞：沼氣工程;寒區;增保溫

0 引言

我省農業有機固體廢棄物資源豐富，處理和利用現狀不好，污染嚴重;同時，又面臨農村一次能源短缺的現狀亟待解決。研制四季平穩產氣高效、低成本沼氣裝置，可以促進畜禽糞便、秸稈等農業有機廢棄物的無害化處理與資源化利用，消除糞便、秸稈對地表水、地下水、大氣環境污染以及微生物污染，提高農村及城市生活和環境質量。

現有的沼氣設施冬、春季增溫、保溫技術還很不完善，不能保證冬季穩定、低能耗運行。戶用沼氣池多采用地埋式水泥池，沒有加熱裝置，冬季由于地溫吸熱，池溫往往很低，常常出現產氣率低或不產氣現象，運行不穩定;大中型沼氣工程均采用常規沼氣技術，耗能非常高，如黑龍江省海林農場剛剛投入運行的沼氣裝置，是第一個在東北地區冬季能夠運行的、投入生產的大中型沼氣裝置，采用全鋼混結構，高溫發酵，總反應體積1900m3，平均產氣率為0.6 m3/（m3·d），其增溫方式是鍋爐蒸汽加熱，需消耗較多燃料，即使炎熱的夏季也需消耗大量的燃料，日耗能大，投資較多。

本課題針對現有的沼氣設施冬、春季增溫、保溫技術還很不完善，不能保證冬季穩定、低能耗運行等問題，研究一種寒區大中型沼氣工程的增保溫技術。

1 增保溫系統結構

本課題研究的一種寒區大中型沼氣工程的增保溫系統，包括太陽能集熱裝置、沼氣鍋爐、循環泵（連時控開關）、膨脹水箱、反應器內導氣管、加熱管、黑色柔性膜、蓄熱換熱水箱、陽光板溫室、聚氨酯發泡層、保溫被、曝氣管、羅茨風機。太陽能集熱裝置的進水口通過PPR管與循環泵的出水口連接，出水口通過PPR管與蓄熱換熱水箱連接;沼氣鍋爐與反應器排氣口連接，同時連接在太陽能集熱裝置-蓄熱換熱水箱的水循環回路中;循環泵的進水口通過PPR管與蓄熱換熱水箱連接，出水口與太陽能集熱裝置連接;膨脹水箱放置在發酵反應器內的最內側墻上，與太陽能集熱裝置的出水管連接;加熱管與蓄熱換熱水箱連接，呈“S”形布置在反應器內側面墻上;蓄熱換熱水箱與反應器內加熱管連接，放置在反應器地面的凹槽內，水箱上表明與反應器地面平齊;反應器內導氣管位于發酵反應器的頂部墻上，連通了黑色柔性膜下的儲氣空間與發酵反應器空間;黑色柔性膜覆蓋在反應器頂部墻面上，柔性膜四周通過液漲管與C形槽實現對反應器的密封;陽光板溫室建于反應器外部上方，頂部呈拱形;聚氨酯發泡層固化成形在反應器內側墻和頂部內側墻上;曝氣管位于蓄熱換熱水箱之間的凹反應器內，與反應器排氣口和羅茨風機連接;保溫被緊貼并鋪墊在陽光板溫室內部墻面和棚頂部。

1-太陽能集熱裝置、2-沼氣鍋爐、3-循環泵（連時控開關）、4-膨脹水箱 、5-反應器內導氣管、6-加熱管、7-黑色柔性膜、8-蓄熱換熱水箱、9-陽光板溫室、10-聚氨酯發泡層、11-曝氣管、12-保溫被、13-羅茨風機

2 太陽能集熱器的設計

由于真空式太陽能集熱器具有結構簡單、實用和價廉，能夠滿足系統熱性能需要，適合北方寒冷地區冬季使用等特點，故選用真空式太陽能集熱器為系統加熱。通過厭氧反應器的熱平衡分析，得到太陽能集熱器每天需要提供的熱量Q為612.173MJ。

根據當地太陽能輻射參數（表1），可以計算出所需的太陽能集熱器面積以及集熱管數量。

所需太陽能集熱器面積通過每天所需的熱量負荷計算，公式如下：

式中：Q' ——所需太陽能供熱量;

SS ——太陽能集熱器面積m2;

η ——太陽能集熱器的集熱效率，%;

真空管太陽能集熱器效率取75%，可以解得所需太陽能集熱器面積SS為62.55 m2。本設計所用真空式太陽能集熱器的真空管尺寸為直徑58 mm，長度1800 mm，單根管安裝后有效集熱面積為O.1044 m2，通過計算反應器所需太陽能真空管600根。太陽能集熱裝置如圖5-3所示。

3 蓄熱換熱水箱的設計

蓄熱換熱水箱的安裝主要是儲能增溫，起到為發酵槽內物料持續增溫傳熱的目的，確保反應器內保持相對穩定的厭氧發酵溫度。系統中太陽能集熱器收集的熱量儲存在蓄熱換熱水箱中的熱媒中。蓄熱換熱水箱中的熱水起到為物料增溫的作用，設物料溫度維持恒定的35℃（t1），從太陽能集熱器出來的熱水的溫度為60℃，因此進入蓄熱換熱水箱的熱水的溫度也是60℃，設從蓄熱換熱水箱出來的水的溫度為45℃。因此，在計算蓄熱換熱水箱的熱流量時，必須采用整個傳熱面上的對數平均溫差，其計算公式為：

式中：t4—太陽能集熱器出水溫度，即蓄熱水箱入水溫度，t4=60℃;

t3—太陽能集熱器進水溫度，即蓄熱水箱出水溫度，t3=45℃。

將參數帶入公式計算可得：△tm=16.375℃

蓄熱水箱的容積計算公式為

式中：v' ——蓄熱水箱的容積，m3;

C ——水的比熱，4.20×103 J/（kg·℃）;

ρ——水的密度，kg/m3。

通過計算，求得蓄熱水箱的容積為8.9m3。

反應器由兩個單體發酵槽組成，單個發酵槽底部尺寸長11.5m、寬1.95m，兩個發酵槽是相隔一定空間并排安放的，因此底部的蓄熱水箱設計為兩個分體式水箱，并串連連接，單個蓄熱水箱設計尺寸為長11.5m、寬1.95m、高0.2m。蓄熱換熱水箱結構如圖3。

4 增保溫系統操作方法

步驟一：將太陽能集熱裝置、循環泵、加熱管、蓄熱換熱水箱、膨脹水箱、沼氣鍋爐用PPR管連接，構成水循環回路;將曝氣管和羅茨風機連接;

步驟二：往水循環回路中注水，直到水面達到膨脹水箱底面;

步驟三：將時控開關設定為循環泵每運轉1h停轉30min。根據太陽能管的水溫和反應器內的料溫來決定是否開啟開關。如太陽能管內的水溫比料溫高出較多時，則在一段時間內開啟開關，使循環水將太陽能管內的熱量傳遞到加熱管和蓄熱換熱水箱中，從而提高料溫;如太陽能管內的水溫比料溫低（雨雪天、陰天），則不關閉開關，避免反應器內熱量流失;

步驟四：進行好氧發酵階段，每隔7～8h啟動/關閉羅茨風機對發酵物料進行曝氣，每次曝氣時間25～30min，在曝氣過程中，空氣通過進氣管吸入，經羅茨風機輸出到曝氣管內，輸出壓力為60kPa，空氣經曝氣管通入發酵物料內，空氣穿透料層，利用溫度傳感器測量料層溫度，物料溫度增至45～50℃后噴入沼液進行接種;

步驟五：產氣階段，每當環境溫度低時，可用沼氣鍋爐沼氣給水循環回路增溫，另一方面用于養豬場及用戶的熱水供應。

5 本系統可達到的有益效果

第一，陽光板溫室能夠保證太陽光盡可能多的透入溫室內，實現良好的增溫效果。

第二，太陽能集熱裝置保證反應器的低耗能，和良好的增溫效果。

第三，沼氣鍋爐可以在寒冷冬季燃燒反應器自身產生的沼氣給水循環回路加熱，節約了能源又能較好地保溫。

第四，黑色柔性膜密封簡單，可以直觀地觀察反應器的產氣狀況，同時可以很好地吸收太陽光的熱量，提高反應器內的溫度。

第五，反應器內部采用蓄熱換熱水箱和聚氨酯發泡保溫等增保溫措施，保證菌種冬季發酵的正常溫度。

第六，反應器外部增設苯板保溫，進一步增強保溫效果，盡可能阻止熱量流失。

第七，曝氣管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。

6 結語

本系統可以保證菌種冬季發酵的正常溫度，使得東北地區在寒冷的冬季也可很好地處理畜禽糞便和農作物秸稈等農業有機物固體廢棄物，同時生產沼氣和綠色有機肥。沼氣可作為生產和生活用能，即可節約燃煤，又可減少排入大氣污染物SO2、煙塵等;綠色有機肥出售給周邊農民，用來種菜、種糧食，既可減少病蟲害，改良土壤，又可生產綠色有機食品，為農民帶來很好的經濟效益;畜禽糞便、農作物秸稈等有機固體廢棄物經有效處理后可大大減少其對地表水、地下水、大氣環境的污染以及微生物污染等，提高農村及城市環境質量。

參考文獻

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