不同環(huán)境溫度下沼氣工程厭氧罐內(nèi)料溫研究

劉青榮， 李　深， 晁亮亮， 阮應(yīng)君， 吳家正

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上?！?00090； 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海　200092)

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不同環(huán)境溫度下沼氣工程厭氧罐內(nèi)料溫研究

劉青榮1， 李深1， 晁亮亮1， 阮應(yīng)君2， 吳家正2

(1.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海200090； 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海200092)

厭氧罐的池容產(chǎn)氣率直接受料溫的影響，而料溫隨著環(huán)境溫度的變化而變化。文章利用沼氣鍋爐燃燒沼氣工程自產(chǎn)沼氣來為厭氧罐內(nèi)料液提供達(dá)到指定溫度所需熱量的方式，根據(jù)能量和質(zhì)量守恒定律，來研究不同環(huán)境溫度下沼氣工程產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定富裕產(chǎn)氣量所需的厭氧罐最合理料溫。研究結(jié)果表明，同一料溫下，環(huán)境溫度越高，富裕產(chǎn)氣量越大；同一環(huán)境溫度下，隨著料溫的增長(zhǎng)，系統(tǒng)富裕產(chǎn)氣量分別在35℃和55℃出現(xiàn)了峰值。從富裕產(chǎn)氣量的角度來看，經(jīng)濟(jì)溫度在55℃左右，而中低溫發(fā)酵經(jīng)濟(jì)溫度為35℃。但從富裕產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的百分比上來看，在不同環(huán)境溫度下，35℃和55℃料溫各有高低?？紤]到料溫穩(wěn)定性、沼氣熱值、設(shè)備造價(jià)及沼渣再利用等因素，不同環(huán)境溫度下料溫宜全部選擇35℃，其富裕產(chǎn)氣量維持在每天66～138 m3范圍內(nèi)。

環(huán)境溫度； 厭氧罐； 沼氣鍋爐； 料溫； 富裕產(chǎn)氣量

厭氧罐內(nèi)料液溫度對(duì)產(chǎn)氣率影響很大[1]。沼液發(fā)酵的溫度范圍一般在15℃～60℃之間，當(dāng)料溫在10℃以下時(shí)，沼氣發(fā)酵微生物代謝活動(dòng)基本停止，沼氣池停止產(chǎn)氣，當(dāng)池溫在15℃以上時(shí)，厭氧罐內(nèi)微生物的代謝活動(dòng)才活躍起來，產(chǎn)氣率明顯升高，而且在一定范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)氣量越多[2]。厭氧罐發(fā)酵主要分為常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵三種，常溫發(fā)酵的溫度一般維持在15℃～26℃范圍內(nèi)，中溫發(fā)酵穩(wěn)定在28℃～40℃左右，料液溫度在48℃～60℃范圍內(nèi)時(shí)為高溫發(fā)酵狀態(tài)[3-4]。我國(guó)氣候四季分明，冬季漫長(zhǎng)且氣溫低，一般溫度都會(huì)低于正常發(fā)酵溫度15℃以下，大部分沼氣池發(fā)酵產(chǎn)氣量下降，有時(shí)停止供氣，不能滿足人們對(duì)穩(wěn)定供氣的需要[5]。因此，要找出能使厭氧罐四季富裕產(chǎn)氣量高且穩(wěn)定的料液溫度。

目前大中型沼氣工程最常見的加熱方式主要有太陽能加熱、沼氣發(fā)電余熱加熱和沼氣鍋爐加熱3種方式。太陽能加熱方式節(jié)能環(huán)保，但造價(jià)高，易受天氣狀況的影響；沼氣發(fā)電加熱方式不連續(xù)，每隔一段時(shí)間才能給厭氧罐供熱[3,6]。文章對(duì)不同環(huán)境溫度及料溫下厭氧罐的耗熱量進(jìn)行計(jì)算，利用沼氣鍋爐熱水通過厭氧罐內(nèi)螺旋管對(duì)料液進(jìn)行加熱，并量化確定在不同環(huán)境溫度及料溫下沼氣鍋爐的沼氣耗量，考慮產(chǎn)氣量與耗氣量?jī)烧唛g的平衡，優(yōu)化厭氧罐在不同環(huán)境溫度下的料溫，以保證連續(xù)穩(wěn)定富裕產(chǎn)氣量。

1　系統(tǒng)介紹

1.1厭氧罐

文中的厭氧罐為嘉興市某養(yǎng)豬場(chǎng)已建200 m3CSTR厭氧罐。該厭氧罐高6 m，直徑6.88 m，容積率為85%，進(jìn)料濃度為8%，每天進(jìn)料為10 m3，水力停留時(shí)間為24 d，厭氧罐內(nèi)加熱盤管長(zhǎng)為22 m，厭氧罐周匝壁外有拼裝鋼板及聚苯乙烯泡沫保溫材料，頂部有拼裝鋼板材料，底部有拼裝鋼板及混凝土材料。表1為厭氧罐圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)。

表1　厭氧罐材料參數(shù)

1.2沼氣鍋爐

該沼氣鍋爐由40 kW的全預(yù)混燃燒器、電磁閥、控制裝置和水箱組成。水箱高為127.5 cm，直徑為52.5 cm，全預(yù)混燃燒器位于水箱底部，燃燒沼氣產(chǎn)出高溫?zé)煔猓凰鋬?nèi)有錯(cuò)綜復(fù)雜的橫管，橫管直徑為25 cm，從水箱底部依次陳列到頂部；系統(tǒng)利用HJ-400E水泵將厭氧罐加熱盤管中的循環(huán)水分配進(jìn)橫管內(nèi)，循環(huán)加熱；電磁閥及控制裝置用于溫度控制。其中，HJ-400E水泵轉(zhuǎn)速為2860 r·min-1，最大排水量為300 L·min-1，全揚(yáng)程為17 m，輸進(jìn)功率/輸出功率為900 W/400 W。

1.3系統(tǒng)流程

厭氧罐產(chǎn)出沼氣，經(jīng)過凈化脫硫后提供給沼氣鍋爐進(jìn)行燃燒，通過煙-水換熱器供熱。圖1為該系統(tǒng)的工藝流程圖。

圖1　系統(tǒng)工藝流程圖

2　系統(tǒng)計(jì)算

2.1厭氧罐熱需求

厭氧罐熱需求主要受室外溫度、進(jìn)料溫度、厭氧罐外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、進(jìn)料量、生物熱擾、攪拌熱等眾多因素的影響。計(jì)算時(shí)忽略攪拌熱以及沼氣帶走的熱量，因此熱需求主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量、料液加熱量和內(nèi)部微生物代謝熱組成[7]。即：

Q=Q散熱+Q進(jìn)料+Q代謝

(1)

式中：Q為厭氧罐熱需求，MJ·d-1；Q散熱為厭氧罐散熱量，MJ·d-1；Q進(jìn)料為每天新進(jìn)料液達(dá)到指定溫度的熱需求，MJ·d-1；Q代謝為發(fā)酵過程中廢液生物代謝反應(yīng)熱，MJ·d-1。

2.2厭氧罐散熱量

厭氧罐內(nèi)攪拌機(jī)每天攪拌1 h，料液大部分時(shí)間處于自然對(duì)流狀態(tài)[12]。厭氧罐散熱計(jì)算可分為簡(jiǎn)單計(jì)算和復(fù)雜計(jì)算兩種計(jì)算方式[2,7-10]。簡(jiǎn)單計(jì)算視料液溫度與罐內(nèi)壁溫度、罐外壁溫度與外界溫度相等，利用熱傳導(dǎo)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算；復(fù)雜計(jì)算[6,11-13]利用自然對(duì)流公式及熱傳導(dǎo)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算，較為麻煩，但計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確。厭氧罐內(nèi)沼液散熱到環(huán)境中，須經(jīng)3個(gè)階段：沼液自然對(duì)流傳熱給厭氧反應(yīng)器內(nèi)壁；厭氧反應(yīng)器內(nèi)壁熱傳導(dǎo)給外壁；厭氧反應(yīng)器外壁自然對(duì)流傳熱給環(huán)境，3階段傳遞的熱量應(yīng)該相等[14]。采用自然對(duì)流的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(2)

Nu=0.11(Gr×Pr)1/3

(3)

(4)

沼液自然對(duì)流傳熱給內(nèi)壁熱阻：

R1=1/h1

內(nèi)壁熱傳導(dǎo)給外壁的熱阻：

外壁自然對(duì)流傳熱給環(huán)境中的熱阻：

R3=1/h2

總熱阻R為三部分熱阻之和。

厭氧罐各部分散熱量：

(5)

式中：A為各部分面積，m2；Δt1為沼液溫度與罐內(nèi)壁溫度之差，℃；Δt2為罐內(nèi)外壁溫度之差，℃；Δt3為罐外壁溫度與環(huán)境溫度之差，℃；Δt為罐內(nèi)沼液溫度與環(huán)境溫度之差[6]。

厭氧罐由周匝壁、上壁以及下壁3部分組成，3部分的散熱量計(jì)算都可以按照上述的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算[8]。計(jì)算厭氧罐上壁散熱時(shí)，假設(shè)沼氣溫度等于沼液溫度，沼氣的熱物理性質(zhì)近似于空氣，所需的熱物理參數(shù)如表2所示。計(jì)算厭氧罐周匝壁及下壁散熱時(shí)，由于厭氧罐內(nèi)沼液為養(yǎng)殖糞便和自來水混合而成的濃度為8%的稀釋溶液，因此熱物理性質(zhì)近似于水，所需的熱物理參數(shù)如表3所示[19]。罐底土壤單位面積傳熱系數(shù)為0.37 W·m-2K-1，在不同環(huán)境溫度下所需的土壤溫度如表4所示[7]。

厭氧罐總散熱量為：

Q散熱=Q1+Q2+Q3

式中：Q1，Q2和Q3為厭氧罐周匝壁、上壁及下壁的散熱量，kW。

2.3新進(jìn)料熱需求

提高新料溫度達(dá)到指定溫度所需的熱量為：

Q進(jìn)料=cmΔt

(6)

式中,c為水的比熱容，J·kg-1K-1；m為每天進(jìn)料量，m3；△t為指定料溫與新進(jìn)料溫之差，℃[6]。

表2　空氣的熱物性參數(shù)

表3　水的熱物性參數(shù)

表4　土壤溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系 　(℃)

基于上述介紹，沼液的物理性質(zhì)與自來水相似，由于自來水的比熱容比空氣大，溫度變化小，因此料液溫度與環(huán)境溫度相比表現(xiàn)為冬高夏低[14]。自來水溫與環(huán)境溫度關(guān)系可由調(diào)研各種資料及文獻(xiàn)[15]所得，如表5所示。

表5　自來水溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系　(℃)

2.4料液代謝反應(yīng)熱

產(chǎn)生沼氣的反應(yīng)物為豬糞，發(fā)酵料液有效能量(16.91 kJ·kg-1)的3%以熱量的形式釋放出來[7,16]，則發(fā)酵產(chǎn)生的代謝反應(yīng)熱為:

Q代謝=1000×V×Ts×16.91×0.03

(7)

式中：V為罐體有效容積，m3；TS為進(jìn)料固體濃度，8%。

2.5厭氧罐產(chǎn)氣量

表6為總結(jié)的池容產(chǎn)氣率與沼液溫度關(guān)系[1,14,16-18]。

表6　池容產(chǎn)氣率與料溫的關(guān)系

厭氧罐的沼氣一天產(chǎn)量為:

V沼氣=V×V池容產(chǎn)氣量

(8)

式中:V沼氣為沼氣產(chǎn)量，m3；V為厭氧罐有效容積，m3。

池容產(chǎn)氣率在35℃左右和55℃左右出現(xiàn)峰值，分別為中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵，在這兩個(gè)最適應(yīng)的發(fā)酵溫度分別是不同的微生物類群參加作用的。高溫比中溫在一定容積的發(fā)酵容器中的產(chǎn)氣量高2～2.5倍[14,16-17]。但高溫發(fā)酵時(shí)，CH4含量略低于中溫發(fā)酵和常溫發(fā)酵，并消耗更多的熱量，而且排出的沼渣內(nèi)酸性物質(zhì)過多，不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)[4]。

2.6沼氣鍋爐耗氣量

沼氣鍋爐以系統(tǒng)自產(chǎn)沼氣為原料向厭氧罐供熱，滿足厭氧罐的熱需求[12]。

提供的熱量為：

Q鍋爐=V鍋爐×q×η1×η2

(9)

式中:V鍋爐為鍋爐耗氣量，m3；q為沼氣熱值，KJ·m-3；η1為鍋爐效率[11,13]，0.8；η2為管道效率[12]，0.9。沼氣熱值q與料溫有關(guān)[4,6,12]，具體關(guān)系如表7所示。

表7　沼氣熱值與料溫的關(guān)系

2.7富裕產(chǎn)氣量

在厭氧罐產(chǎn)氣量中扣除沼氣鍋爐消耗的沼氣量即為富裕沼氣量V富裕。

3　結(jié)果與分析

3.1厭氧罐熱需求

通過模擬計(jì)算，得到厭氧罐散熱量、新進(jìn)料液所需熱量、總熱需求隨環(huán)境溫度的變化曲線如圖2～圖4所示。

圖2　厭氧罐散熱量與環(huán)境溫度關(guān)系

圖3　新進(jìn)料液所需熱量與環(huán)境溫度關(guān)系

圖4　厭氧罐總熱需求與環(huán)境溫度關(guān)系

由圖可以看出，對(duì)于200 m3CSTR厭氧罐系統(tǒng)，在同一環(huán)境溫度下，相鄰5℃的料溫間散熱增長(zhǎng)量相差不多，大多集中在0.6～0.7 kW之間；而且厭氧罐散熱量隨環(huán)境溫度的升高而下降。由于新鮮進(jìn)料溫度按照自來水溫進(jìn)行熱需求的計(jì)算，因此圖3中新進(jìn)料液需熱量在各個(gè)料溫下呈階梯式變化。且在相同的環(huán)境溫度下隨料溫的增加，新鮮進(jìn)料熱需求增長(zhǎng)量也較穩(wěn)定，維持在2.40～2.44 kW范圍內(nèi)。根據(jù)厭氧罐內(nèi)料液代謝反應(yīng)熱計(jì)算公式可知代謝熱與環(huán)境溫度、料溫?zé)o關(guān)，因此固定在6.9 MJ·d-1。如圖4所示，在相同的環(huán)境溫度下，厭氧罐總熱需求增長(zhǎng)量在255～275 MJ·d-1范圍內(nèi)，最大熱需求出現(xiàn)在環(huán)境溫度為0℃、料溫為60℃時(shí)，為2994.5 MJ·d-1；由于進(jìn)料熱需求在一定溫度范圍內(nèi)不會(huì)變化，因此在同樣的料溫下，總熱需求的變化量也呈階梯式變化，在環(huán)境溫度為低溫(0℃～20℃)時(shí)以52 MJ·d-1的程度遞減；在環(huán)境溫度為中溫(20℃～30℃)時(shí)以420 MJ·d-1的程度遞減；在環(huán)境溫度為高溫(30℃～40℃)時(shí)以470 MJ·d-1的程度遞減。

3.2沼氣產(chǎn)量分析

厭氧罐每天總產(chǎn)氣量、鍋爐耗氣量、富裕產(chǎn)氣量、富裕產(chǎn)氣量占沼氣總量的比隨環(huán)境溫度的變化曲線如圖5～圖8所示。

由圖5可看出，在同樣的料溫下，總產(chǎn)氣量基本不隨環(huán)境溫度的變化而變化，但是料溫的改變對(duì)沼氣產(chǎn)量有非常明顯的影響，總體看來，隨著料溫的增加，沼氣產(chǎn)量也會(huì)隨之增加，尤其是高溫發(fā)酵(料溫48℃～60℃)的沼氣產(chǎn)量明顯增加，其中作為高溫發(fā)酵的50℃時(shí)的產(chǎn)沼量已比中溫發(fā)酵(28℃～40℃)的最高產(chǎn)沼量的35℃的產(chǎn)沼量要高出約170 m3左右。在高溫發(fā)酵段最高產(chǎn)沼量出現(xiàn)在55℃時(shí)，為425 m3；而在中溫發(fā)酵段最高產(chǎn)沼量出現(xiàn)在35℃時(shí)，為170 m3。

圖5　厭氧罐總產(chǎn)氣量與環(huán)境溫度關(guān)系

由圖6可以看出，鍋爐耗氣量的變化趨勢(shì)與厭氧罐的總熱需求的變化趨勢(shì)完全相同，在相同的料溫下呈階梯式遞減。并且隨著料溫的升高，鍋爐耗氣量也會(huì)增大。增長(zhǎng)量隨著發(fā)酵溫度的不同而不同，常溫發(fā)酵(15℃～26℃)時(shí)以17.5 m3左右增長(zhǎng)，中溫發(fā)酵(28℃～40℃)時(shí)以16.8 m3左右增長(zhǎng)，高溫發(fā)酵(48℃～60℃)時(shí)以20.2 m3左右增長(zhǎng)。

圖6　鍋爐耗氣量與環(huán)境溫度關(guān)系

由圖7可以看出，在相同的料溫下富裕產(chǎn)氣量是隨著環(huán)境溫度的升高而逐步增大；但是在15℃～35℃的料溫范圍內(nèi)，相同環(huán)境溫度下，富裕產(chǎn)氣量是逐漸增大，可是在35℃～45℃的料溫范圍內(nèi)，相同環(huán)境溫度下，富裕產(chǎn)氣量是逐漸降低。在50℃～60℃的料溫范圍內(nèi)，富裕產(chǎn)氣量在相同環(huán)境溫度下，也出現(xiàn)了先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。這主要是由于總產(chǎn)氣量在常溫和中溫發(fā)酵段內(nèi)(15℃～40℃)的最大值出現(xiàn)在35℃料溫下，富裕產(chǎn)氣量在每天66～138 m3之間；而在高溫發(fā)酵溫度段內(nèi)(48℃～60℃)最大值出現(xiàn)在55℃料溫下，富裕產(chǎn)氣量在每天223～314 m3之間。同時(shí)由于為了保持發(fā)酵所需的料溫，在15℃和45℃的料溫時(shí)，在較低的環(huán)境溫度下沼氣產(chǎn)量無法提供鍋爐給厭氧罐加熱所需的沼氣消耗量，而出現(xiàn)了富裕產(chǎn)氣量的負(fù)值。

圖7　富裕產(chǎn)氣量與環(huán)境溫度關(guān)系

由圖8可以看出，在相同的環(huán)境溫度下，富裕產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的百分比的變化趨勢(shì)與富裕產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)相同，均是在常溫和中溫發(fā)酵的情況下，先升后降，在35℃時(shí)出現(xiàn)最大百分比；而在高溫發(fā)酵的情況下，也是先升后降，在55℃時(shí)出現(xiàn)最大百分比。但是在20℃以下的環(huán)境溫度下，55℃料溫下的富裕產(chǎn)氣量的百分比要大于35℃；20℃～25℃的環(huán)境溫度時(shí)兩個(gè)料溫下富裕產(chǎn)氣量的百分比基本相綜上所述，富裕產(chǎn)氣量隨著環(huán)境、料液溫度的升高而增大，僅從富裕產(chǎn)氣量最高的角度出發(fā)料液溫度在55℃時(shí)為厭氧罐在不同環(huán)境溫度下最佳溫度。但考慮高溫發(fā)酵沼氣熱值低，不利于沼氣后續(xù)綜合利用；發(fā)酵過后沼渣酸性物質(zhì)過高，不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，不能再利用；且高溫發(fā)酵需要鍋爐提供的給厭氧罐加熱的熱水的水溫要更高，設(shè)備造價(jià)相應(yīng)升高。因此，選擇中低溫發(fā)酵中富裕產(chǎn)氣量最大的料溫35℃，環(huán)境溫度在0℃～40℃間的富裕產(chǎn)氣量基本維持在每天66～138 m3范圍內(nèi)。

圖8　富裕產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的百分比

同；當(dāng)環(huán)境溫度在25℃以上時(shí)，35℃料溫下的富裕產(chǎn)氣量的百分比要大于55℃，35℃的百分比約為80%左右，而55℃的百分比約為73%左右。

4　結(jié)論

筆者根據(jù)自然對(duì)流、熱傳導(dǎo)、能量守恒及質(zhì)量守恒原理計(jì)算了200 m3CSTR厭氧罐的熱需求、鍋爐耗氣量及富裕產(chǎn)氣量等參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明：

(1)同一料溫下，環(huán)境溫度越高，厭氧罐熱需求越低，鍋爐耗氣量減小，富裕產(chǎn)氣量增大。

(2)同一環(huán)境溫度下，料溫越高，厭氧罐的熱需求越大，沼氣鍋爐耗氣量越多。而富裕產(chǎn)氣量的最高值出現(xiàn)在35℃和55℃的料溫下。

(3)從富裕產(chǎn)氣量的角度出發(fā)，高溫發(fā)酵的最佳經(jīng)濟(jì)溫度在55℃左右，而中低溫發(fā)酵最適溫度在35℃。但是從富裕產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的百分比來看，35℃和55℃料溫在不同環(huán)境溫度下各有高低。

(4)考慮多種因素，建議不同環(huán)境溫度下選擇中低溫發(fā)酵中富裕產(chǎn)氣量最大的料溫35℃，可保證0℃～40℃環(huán)境溫度之間的富裕產(chǎn)氣量基本維持在66～138 m3范圍內(nèi)。

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Research on the Temperature in Anaerobic Tank for Biogas Project Under Different Ambient Temperature /

LIU Qing-rong1, LI Shen1, CHAO Liang-liang1, RUAN Ying-jun2, WU Jia-zheng2/

(1. Institute of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China; 2. College of Mechanical and Energy Engineering, TongJi University, Shanghai 200092, China )

The volumetric biogas production rate is directly affected by the material temperature in the fermentation tank, and which will be changed with the change of ambient temperature. In this paper, the rational material temperature inside the fermentation tank were studied by heating the fermentation material with biogas fueled boiler to achieve a specified temperature, producing stable and affluent biogas under different ambient temperature. We call the remaining biogas as rich biogas after biogas consume by the boiler. The results showed that, at the same material temperature, the higher the ambient temperature, the more the rich biogas produced; at the same ambient temperature, with the increase of material temperature by the biogas boiler, the rich biogas production appeared peak value at 35℃ and 55℃.From point view of rich biogas quantity, the economic temperature was 55℃. But considering the factors of material temperature stability, biogas calorific value, equipment cost and biogas residue recycle, 35℃ of material temperature should be best choice at different ambient temperature, under which the rich gas production kept range within 66.4～138.0 m3for the tested 200 m3CSTR reactor.

ambient temperature; anaerobic tank；biogas boiler； material temperature； rich gas production

2015-10-12

2015-10-28

項(xiàng)目來源： “十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2012BAJ21B01-01)

劉青榮(1976 - )，女，山東煙臺(tái)人，副教授，主要研究方向?yàn)槟茉聪到y(tǒng)，E-mail: lqr0320@sina.com

S216.4

B

1000-1166(2016)05-0067-06