溫室沼氣池太陽能輔助加熱系統(tǒng)的試驗(yàn)分析

穆曉路，馬彩雯，張彩虹，宋斌偉，曹新偉，王曉冬

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊　830091）

溫室沼氣池太陽能輔助加熱系統(tǒng)的試驗(yàn)分析

穆曉路，馬彩雯，張彩虹，宋斌偉，曹新偉，王曉冬※

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊830091）

沼氣是有機(jī)物質(zhì)在一定溫度、濕度、pH值和隔絕空氣條件下經(jīng)微生物發(fā)酵而產(chǎn)生的可燃性氣體。影響發(fā)酵過程的因素很多，其中溫度尤為重要。隨著沼氣池發(fā)酵溫度的變化，沼氣產(chǎn)氣量也在變化。試驗(yàn)表明：池溫低于10℃時(shí)，發(fā)酵菌幾乎處在休眠狀態(tài)，沼氣池基本停止產(chǎn)氣；池溫在15℃以上時(shí)，沼氣發(fā)酵才能較好地進(jìn)行。

新疆地區(qū)冬季寒冷漫長(zhǎng)，氣溫、地表溫度較低，沼氣池停止產(chǎn)氣，無法滿足農(nóng)戶需求，導(dǎo)致冬季農(nóng)村沼氣池大量閑置。極端寒冷時(shí)期，甚至出現(xiàn)凍裂沼氣池的現(xiàn)象，造成沼氣池停用。現(xiàn)在，新疆建有溫室百萬座，陽光資源豐富，冬季在溫室內(nèi)建沼氣池，配以太陽能輔助加熱，使沼氣池冬季也能產(chǎn)氣、解決溫室種植戶生活的問題。在新疆探索一條種植、養(yǎng)殖循環(huán)生產(chǎn)的節(jié)能新模式。在農(nóng)村沼氣應(yīng)用中，傳統(tǒng)模式的保溫加熱方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性和不便，如隔熱材料保溫技術(shù)，雖有一定效果但只能延緩料液降溫的速度，在冬季極端寒冷時(shí)期也不能保證正常發(fā)酵產(chǎn)氣。

近年來，隨著太陽能熱水器日益普及、成本下降，為沼氣池加熱技術(shù)提供了新方法。為此，本文設(shè)計(jì)了溫室太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)其今后應(yīng)用及推廣價(jià)值進(jìn)行研究。

1　系統(tǒng)組成及工作原理

1.1系統(tǒng)組成

太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)，主要是利用太陽能熱水器吸收太陽熱量提高水溫，通過水循環(huán)，加熱沼液，提高冬季沼氣池產(chǎn)氣溫度，利于產(chǎn)氣。系統(tǒng)如圖1所示，主要包括：水壓式保溫沼氣池（10 m3）（1）、位于沼氣池內(nèi)的加熱盤管（2）與攪拌裝置（3）、太陽能供熱水箱（300 L）（4）、循環(huán)水泵（5）、控制柜和數(shù)據(jù)采集模塊（6）、脫硫器（7）、氣表（8）以及水管管路和溫度傳感器等。

圖1　太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)示意1.攪拌器2.換熱盤管3.水壓式保溫沼氣池4.太陽能熱水器5.水泵6.控制柜和數(shù)據(jù)采集模塊7.脫硫器8.氣表

1.2工作原理

冬季，當(dāng)太陽能儲(chǔ)水箱中的溫度高于35℃時(shí)啟動(dòng)熱水循環(huán)水泵，使貯存在儲(chǔ)水箱中的太陽能熱水由三通閥流經(jīng)沼氣池底部的螺旋加熱盤管，太陽能熱水在螺旋加熱盤管中與沼液通過溫差傳熱進(jìn)行熱量交換，使池溫上升，提高產(chǎn)氣量。當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)的溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，由溫度傳感器反饋信號(hào)到溫控箱，從而開啟循環(huán)泵，促使熱水緩沖器中的熱水流經(jīng)發(fā)酵池中的螺旋盤管換熱器進(jìn)行循環(huán)，對(duì)料液加熱，提升池內(nèi)料液溫度；當(dāng)發(fā)酵池內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，再由溫度傳感器反饋信號(hào)到溫控箱，從而關(guān)閉循環(huán)泵，循環(huán)終止。

防凍循環(huán)控制：考慮到新疆地區(qū)冬季氣溫低，與太陽能熱水器連接的水管系統(tǒng)可能凍結(jié)。為防止此情況發(fā)生，在管路適當(dāng)位置設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)管路水溫低于4℃時(shí)，水泵啟動(dòng)循環(huán)；當(dāng)水溫高于8℃時(shí)水泵停止。特殊極端天氣可人工排空集熱系統(tǒng)、以防集熱管凍結(jié)。

2　系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

2.1數(shù)據(jù)采集

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性，我們?cè)跒豸斈君R西山農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，系統(tǒng)于2014年12月20日安裝運(yùn)行，配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)于2015年1月1日開始工作，數(shù)據(jù)采集由電腦自動(dòng)控制。系統(tǒng)安裝時(shí)室外日均氣溫處于0℃左右，水溫及接種物的溫度都較低，沼液溫度在10℃以下，系統(tǒng)初期需要輔以電加熱進(jìn)行輔助加熱。一般工作1～3天后沼氣池內(nèi)溫度便可升至15℃左右，此后電加熱停止，太陽能系統(tǒng)開啟運(yùn)行。當(dāng)天氣條件允許時(shí)，太陽能水箱溫度升高，溫差達(dá)到循環(huán)條件后，系統(tǒng)便進(jìn)行熱水循環(huán)，通過熱水對(duì)沼液進(jìn)行加熱。圖2、圖3分別為1月份測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2　1月份太陽能水箱日最高溫度與沼氣池溫度及日均氣溫變化

圖3　沼氣日產(chǎn)氣量

2.2數(shù)據(jù)分析

（1）在太陽能熱水循環(huán)作用下，1月初沼氣池內(nèi)溫度已經(jīng)升高并保持在14℃左右；1月份溫室內(nèi)氣溫在20℃左右，太陽能水箱溫度基本維持在30℃以上；沼氣池通過保溫層及太陽能水循環(huán)作用下基本高于日均氣溫10℃左右；整個(gè)1月份沼氣池溫度升高并維持在20℃左右，月底基本達(dá)到了25℃。太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合一定的保溫措施對(duì)沼氣池溫升及保溫的作用效果明顯。

（2）沼氣池日產(chǎn)氣量。由圖3可以看出，1月份隨著沼氣池內(nèi)溫度的不斷升高，沼氣池日產(chǎn)氣量0.5 m3/d以上，隨著池內(nèi)沼液溫度的升高，日產(chǎn)氣量也隨之升高，最高達(dá)到了3.49 m3，能夠滿足農(nóng)戶一天的日常生活需求。其中26日～28日這3天日產(chǎn)氣量相比于其他時(shí)間要增加1 m3，28日達(dá)到了3.49 m3。究其原因，是因?yàn)閷?duì)沼氣池進(jìn)行了加料，由于沼氣池為水壓式，因此，加料過程中由于人為作用導(dǎo)致池內(nèi)壓力發(fā)生變化，將池內(nèi)氣體壓入氣包，氣表讀數(shù)增大；同時(shí)，加料后接下來幾天的沼氣池溫度都明顯高于先前溫度，達(dá)到了23℃，利于沼液發(fā)酵產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量增加。

（3）能耗情況。1月份能耗分析，利用1月份記錄的當(dāng)天設(shè)備運(yùn)行時(shí)間及產(chǎn)氣量的數(shù)據(jù)，對(duì)能耗和產(chǎn)氣量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。能耗主要以電能耗為主，包括水泵和攪拌機(jī)的電耗，水泵功率為100 W，攪拌機(jī)功率為200 W。所產(chǎn)沼氣按50%CH4和50%CO2組分計(jì)算，熱值為18.89 MJ/m3。整個(gè)1月份的循環(huán)耗電量及產(chǎn)氣量如下：①1月份由系統(tǒng)運(yùn)行造成的電能消耗為10.28 kWh，日耗電量為0.33 kWh，總耗電量相當(dāng)于37.01 MJ能量值；沼氣池1月份的總產(chǎn)氣量為26.98 m3，日產(chǎn)氣量為0.87 m3，總產(chǎn)氣量相當(dāng)于509.65 MJ能量值；耗電量占產(chǎn)氣量比例為7.26%，電費(fèi)在可承受范圍內(nèi)；②每天只需消耗少量的電能就能產(chǎn)出日常生活所需沼氣量，解決了新疆寒冷地區(qū)冬季沼氣池不產(chǎn)氣問題，實(shí)現(xiàn)了冬季沼氣由無到有，證明了系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性。

3　結(jié)論

在農(nóng)村溫室內(nèi)新建1座8～10 m3戶用太陽能沼氣池，集種植、畜禽養(yǎng)殖、人員生活設(shè)施等于一體，沼氣可供炊事、照明、禽畜糞便可形成沼液，沼肥可用于種菜，太陽能集熱器為沼氣池提供熱能，同時(shí)為人們提供生活熱水。

文中提出這種以太陽能輔助加熱戶用沼氣池的沼氣池加熱保溫方法，即將已有的太陽能熱水器和沼氣池集成一種新的裝置，對(duì)冬季沼氣池內(nèi)沼液進(jìn)行加熱，從而提高沼液溫度，提高產(chǎn)氣量，使冬季沼氣池產(chǎn)氣也能滿足一般農(nóng)戶的家庭日常生活需求，實(shí)現(xiàn)沼氣池全年供氣。烏魯木齊西山農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在冬季，該系統(tǒng)每月只需消耗少量的電能，日均產(chǎn)氣量便能維持在0.8 m3左右，具有一定的實(shí)用性。

通訊作者：王曉冬

基金項(xiàng)目：自治區(qū)“十二五”科技重大專項(xiàng)（201130104）

收稿日期：2015-08-18

文章編號(hào)：1007-7782（2015）04-0043-02

中圖分類號(hào):S232.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.04.016