熱風(fēng)爐輔助加熱沼氣系統(tǒng)研究

張彥 范振山

摘要：設(shè)計(jì)了熱風(fēng)爐輔助加熱沼氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用太陽能溫室與熱風(fēng)爐輔助加熱。運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)池容平均產(chǎn)氣率達(dá)到0.77 m3/（m3·d），沼氣熱值是25.38 MJ/m3，發(fā)酵液SS去除率為88.75%，BOD去除率為82.19%，COD去除率為82.46%，既促進(jìn)了農(nóng)村大量秸稈等廢棄物的資源化利用，又解決了北方地區(qū)冬春季沼氣池發(fā)酵溫度低、產(chǎn)氣率低等問題，成本低、效益高。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐；輔助加熱；沼氣；溫室

中圖分類號(hào)：S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）12-3018-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.12.057

Study of Auxiliary Heating Biogas System of Hot Blast Stove

ZHANG Yana，F(xiàn)AN Zhen-shanb

（a.Department of Mechanical Engineering；b.Department of Automotive Engineering， Zhengzhou Technical College， Zhengzhou 450121， China）

Abstract： The auxiliary heating biogas system of hot blast stove was designed. This system used solar greenhouse and auxiliary heating of hot blast stove. The operating test results showed that the yearly average tank volume aerogenesis rate of the system was 0.77 m3/（m3·d）， thermal value of biogas produced from it was 25.38 MJ/m3， dislodging rate of SS was 88.75%， dislodging rate of BOD reached 82.19%，and dislodging rate of COD reached 82.46%. Not only promote the utilization of rural straw and other waste， but also to solve the low fermentation temperature and low aerogenesis rate of methane tank of northern region in winter and spring. It is low in cost and high in benefit.

Key words： hot blast stove； auxiliary heating； biogas； greenhouse

中國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗逐漸增多，沼氣能源的開發(fā)利用有利于解決農(nóng)村能源供應(yīng)緊張問題，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，受到國家重視[1]。溫度對(duì)于發(fā)酵非常重要，在8～60 ℃溫度范圍內(nèi)都能發(fā)酵產(chǎn)沼氣[2]，溫度越高，微生物活動(dòng)越旺盛，產(chǎn)氣量越大。溫度的突變會(huì)影響微生物的生命活動(dòng)，使產(chǎn)氣量下降[3]。從發(fā)酵的周期來看，溫度越低，原料的發(fā)酵周期越長；溫度越高，發(fā)酵周期越短[4]。在較為寒冷的冬春季，我國北方地區(qū)溫度過低，會(huì)嚴(yán)重影響沼氣池的產(chǎn)氣率、產(chǎn)氣量[5-7]。采用輔助加熱可以為沼氣發(fā)酵提供熱量，有利于厭氧消化，同時(shí)，我國北方地區(qū)農(nóng)村存在大量秸稈等生物質(zhì)資源閑置情況[9]。本研究設(shè)計(jì)了熱風(fēng)爐輔助加熱沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用太陽能溫室與熱風(fēng)爐輔助加熱，解決了北方地區(qū)冬春季沼氣池發(fā)酵溫度低、產(chǎn)氣率低等問題。熱風(fēng)爐利用生物質(zhì)燃料，促進(jìn)了農(nóng)村大量秸稈等廢棄物的資源化利用，成本低、效益高，改善了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，促進(jìn)了農(nóng)民增收與農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 熱風(fēng)爐輔助加熱沼氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

熱風(fēng)爐輔助加熱沼氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由溫室、位于溫室外的熱風(fēng)爐和設(shè)置于溫室內(nèi)的沼氣池等部分組成。

1.1 溫室

溫室為左右縱向延伸，溫室的左側(cè)壁上設(shè)有換氣口，換氣口上設(shè)有可開合的開關(guān)門；溫室設(shè)有通風(fēng)口，通風(fēng)口設(shè)置在溫室的右側(cè)頂壁上，溫室右側(cè)壁的底部設(shè)有管道插入口；溫室還設(shè)有可供工作人員出入的出入口，出入口處設(shè)有門體；溫室內(nèi)共設(shè)置數(shù)個(gè)沼氣池。

1.2 熱風(fēng)爐

1.2.1 爐體 熱風(fēng)爐為生物質(zhì)成型燃料熱風(fēng)爐，爐體為立式爐體，爐體從上至下依次設(shè)有排煙口、集煙室、換熱室和燃燒室。爐體還設(shè)有進(jìn)風(fēng)室，爐體內(nèi)設(shè)構(gòu)成燃燒室的燃燒室側(cè)壁、覆蓋于燃燒室側(cè)壁頂口上的水平分隔墻以及間隔設(shè)于分隔墻上方的上分隔板。上分隔板上側(cè)的爐體內(nèi)腔室為集煙室，上分隔板分隔墻之間的爐體內(nèi)腔室為換熱室，分隔墻下側(cè)的爐體內(nèi)腔室為燃燒室，排煙口設(shè)置于爐體的頂端，排煙口位于集煙室上側(cè)并與集煙室連通。

1.2.2 燃燒室 燃燒室內(nèi)設(shè)有前后延伸的爐排，燃燒室內(nèi)爐排上側(cè)的區(qū)域?yàn)闋t膛。爐體對(duì)應(yīng)爐排設(shè)有進(jìn)料口，爐體對(duì)應(yīng)燃燒室設(shè)有出灰口。進(jìn)料口位于出灰口的上側(cè)，爐排下側(cè)的燃燒室內(nèi)設(shè)有可從出灰口中取出的拉灰車。拉灰車上設(shè)有接灰盒，拉灰車包括底座和底座上設(shè)置的車輪，接灰盒設(shè)置在底座上，拉灰車的一端設(shè)有可封堵出灰口的擋板，擋板與底座固定連接，擋板面向爐體外的外板面上設(shè)有拉手，出灰口為矩形，擋板也為矩形，擋板的長、寬尺寸分別與出灰口的長、寬尺寸相匹配。

1.2.3 換熱室 換熱室的室壁上設(shè)有熱風(fēng)出口，換熱室的室壁即換熱室處的爐體壁，熱風(fēng)出口與換熱室相連通，熱風(fēng)出口位于換熱室上部。換熱室內(nèi)設(shè)有豎直的換熱管，換熱管設(shè)有數(shù)根，換熱管的底管口與燃燒室連通、換熱管的頂管口與集煙室連通，上分隔板對(duì)應(yīng)換熱管頂管口設(shè)有插接口，分隔墻對(duì)應(yīng)換熱管底管口也設(shè)有插接口，換熱管的頂管口插接入上分隔板相應(yīng)的插接口內(nèi)，換熱管的底管口插接入分隔墻相應(yīng)的插接口內(nèi)。

換熱室內(nèi)從上至下依次間隔設(shè)有3個(gè)熱風(fēng)折流板，熱風(fēng)折流板從上至下依次交替與燃燒室左、右側(cè)室壁間隔設(shè)置，最上側(cè)的熱風(fēng)折流板左端固定設(shè)在燃燒室左側(cè)室壁上、右端與燃燒室右側(cè)室壁之間設(shè)有間隙；中間的熱風(fēng)折流板右端固定設(shè)在燃燒室右側(cè)室壁上、左端與燃燒室左側(cè)室壁之間設(shè)有間隙；最下側(cè)的熱風(fēng)折流板左端固定設(shè)在燃燒室左側(cè)室壁上、右端與燃燒室右側(cè)室壁之間設(shè)有間隙。換熱管與其經(jīng)過的熱風(fēng)折流板之間為插接，熱風(fēng)折流板上設(shè)有用于插接相應(yīng)換熱管的插孔。

1.2.4 進(jìn)風(fēng)室 進(jìn)風(fēng)室環(huán)繞設(shè)置于燃燒室室壁的外圍，進(jìn)風(fēng)室未覆蓋進(jìn)料口和出灰口，進(jìn)風(fēng)室頂端設(shè)有頂口，換熱室底端設(shè)有環(huán)繞在分隔墻外圈的底口，換熱室頂口與換熱室底口相對(duì)并連通，進(jìn)風(fēng)室頂端與換熱室底端連通。進(jìn)風(fēng)室內(nèi)設(shè)有冷風(fēng)折流板，冷風(fēng)折流板共設(shè)置上下兩個(gè)，冷風(fēng)折流板為環(huán)形，上側(cè)的冷風(fēng)折流板外端與進(jìn)風(fēng)室的室壁之間設(shè)有間隙、里端固定設(shè)在燃燒室側(cè)壁上，下側(cè)的冷風(fēng)折流板外端固定設(shè)在進(jìn)風(fēng)室的室壁上，里端與燃燒室側(cè)壁之間設(shè)有間隙。進(jìn)風(fēng)室室壁為進(jìn)風(fēng)室處的爐體壁，進(jìn)風(fēng)室的室壁設(shè)有冷風(fēng)進(jìn)口，冷風(fēng)進(jìn)口位于下側(cè)冷風(fēng)折流板的下側(cè)。

1.3 熱風(fēng)爐與溫室的連接

溫室通過熱風(fēng)管與換熱室連通，熱風(fēng)管一端管口與熱風(fēng)出口對(duì)接、另一端管口與通風(fēng)口對(duì)接，通風(fēng)口內(nèi)設(shè)置可將熱風(fēng)吹入溫室內(nèi)的第一風(fēng)機(jī)。溫室通過冷風(fēng)管與進(jìn)風(fēng)室連通，并且冷風(fēng)管的其中一端管口與冷風(fēng)進(jìn)口對(duì)接，冷風(fēng)管另一端通過管道插入口伸入溫室內(nèi)，冷風(fēng)管伸入溫室內(nèi)的端部管口與通風(fēng)口分別位于溫室內(nèi)的縱向兩側(cè)，即通風(fēng)口位于溫室的右側(cè)頂壁上，冷風(fēng)管伸入溫室內(nèi)的端部管口位于溫室左下側(cè)，并且冷風(fēng)管內(nèi)設(shè)置有可將溫室內(nèi)空氣吸入進(jìn)風(fēng)室的第二風(fēng)機(jī)，第二風(fēng)機(jī)位于冷風(fēng)管的伸入溫室內(nèi)的端部管口內(nèi)。

2 熱風(fēng)爐輔助加熱沼氣系統(tǒng)的工作過程

在工作時(shí)，生物質(zhì)燃料從進(jìn)料口放置在爐排上，并在燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的煙氣依次從換熱管、集煙室和排煙口排出，換熱室、溫室和進(jìn)風(fēng)室依次連通并構(gòu)成一個(gè)空氣循環(huán)系統(tǒng)，熱風(fēng)爐的供風(fēng)溫度可達(dá)45～60 ℃，使溫室內(nèi)的空氣能快速循環(huán)加熱，該沼氣發(fā)酵系統(tǒng)適宜在環(huán)境寒冷條件下使用，并可提高沼氣產(chǎn)量。

3 熱風(fēng)爐輔助加熱沼氣系統(tǒng)的運(yùn)行性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定

沼液溫度：攪拌混合后沼液，取平均值，貝克曼溫度計(jì)；沼氣池產(chǎn)氣量：燃?xì)饬髁坑?jì)；pH：電位計(jì)測(cè)定法；懸浮物（SS）：重量法[10]；BOD：BOD5[11]；COD：重鉻酸鉀滴定法[12]；沼氣成分：氣相色譜法[13]；沼氣熱值：理論計(jì)算法[14]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

從表1～3可知，系統(tǒng)池容平均產(chǎn)氣率達(dá)到0.77 m3/（m3·d），比國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值[0.2～0.4 m3/（m3·d）]高；所產(chǎn)沼氣熱值25.38 MJ/m3，滿足沼氣燃具對(duì)氣體質(zhì)量要求；發(fā)酵液SS去除率為88.75%，BOD去除率為82.19%，COD去除率為82.46%。

4 結(jié)論

熱風(fēng)爐輔助加熱沼氣系統(tǒng)采用太陽能溫室與熱風(fēng)爐輔助加熱，解決了北方地區(qū)冬春季沼氣池發(fā)酵溫度低、產(chǎn)氣率低等問題，熱風(fēng)爐利用生物質(zhì)燃料，促進(jìn)了農(nóng)村大量秸稈等廢棄物的資源化利用，成本低，效益高，易于改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，促進(jìn)農(nóng)民增收與農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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