全混式厭氧發(fā)酵池加溫負(fù)荷模型及其影響因素試驗(yàn)研究

石惠嫻，孟祥真，張 迪，朱洪光，張亞雷，徐得天

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全混式厭氧發(fā)酵池加溫負(fù)荷模型及其影響因素試驗(yàn)研究

石惠嫻，孟祥真，張 迪，朱洪光，張亞雷，徐得天

（同濟(jì)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，同濟(jì)大學(xué)國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 200092）

沼氣工程全混式厭氧發(fā)酵池加溫負(fù)荷計(jì)算準(zhǔn)確性關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性、運(yùn)行穩(wěn)定性和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，明確加溫負(fù)荷模型并了解主要因素對其影響特性非常重要。針對上海實(shí)際沼氣工程全混式厭氧發(fā)酵池?zé)徇^程，建立加溫負(fù)荷物理和數(shù)學(xué)模型，為分析加溫負(fù)荷各組成部分的大小、對全年加熱量的影響，提出月平均負(fù)荷百分比、月圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱率、月平均池容日負(fù)荷、全年池容總加溫負(fù)荷以及設(shè)計(jì)池容加溫負(fù)荷5個(gè)指標(biāo)?？疾觳煌l(fā)酵溫度和頂膜保溫層厚度等主要因素對加溫負(fù)荷的影響得出：上海地區(qū)發(fā)酵溫度為（30±1）、（35±1）℃的加溫負(fù)荷約是發(fā)酵溫度為（25±1）℃的1.54和1.94倍；發(fā)酵溫度35 ℃相對于發(fā)酵溫度30 ℃，總加溫負(fù)荷增加約40%，同時(shí)熱量獲得的難度加大，源側(cè)進(jìn)水溫度相同時(shí)熱泵機(jī)組制熱能效比（coefficient of performance，COP）下降約0.6；確定經(jīng)濟(jì)發(fā)酵溫度為30 ℃；通過對比頂膜采用橡塑保溫層厚度分別為0、25、50和75 mm對加溫負(fù)荷的影響，得出每增加25 mm橡塑保溫層后圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷減少率為67.99%、16.49%和7.28%，總加溫負(fù)荷減少率為48.02%、7.17%和2.85%，確定上海地區(qū)頂膜經(jīng)濟(jì)保溫層厚度為50 mm。根據(jù)模型計(jì)算加溫負(fù)荷結(jié)果與實(shí)際工程試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果相比，相對誤差在0.6%～7.8%之間，結(jié)果可以為沼氣工程加溫負(fù)荷計(jì)算和保溫層厚度提供參考。

加溫；發(fā)酵；負(fù)荷；沼氣工程；全混式厭氧發(fā)酵池；物理和數(shù)學(xué)模型；影響因素

0 引 言

發(fā)酵溫度是影響沼氣產(chǎn)量、系統(tǒng)加溫負(fù)荷和系統(tǒng)運(yùn)行能耗的關(guān)鍵參數(shù)[1-3]，在冬季低溫條件下，為滿足沼氣工程加溫負(fù)荷需求，穩(wěn)定產(chǎn)氣，獲得較高的凈能量產(chǎn)出，大中型沼氣工程大多采用中溫厭氧發(fā)酵工藝，并配置一定的加溫系統(tǒng)使發(fā)酵池內(nèi)溫度穩(wěn)定在最優(yōu)發(fā)酵溫度35 ℃[4-5]。關(guān)于加溫方式對沼氣產(chǎn)氣率的影響，國內(nèi)外有很多學(xué)者進(jìn)行研究[6-11]，Beba[12]和Alkhamis等[13]研究用太陽能制取熱水加熱沼氣的方法，Kitamura等[14]研究了利用沼氣鍋爐加溫方式，石惠嫻等[15]和陳澤興等[16]分別研究了土壤和地下水作為低位熱源的地源熱泵沼氣池加溫系統(tǒng)運(yùn)行效果。

在厭氧發(fā)酵池加溫負(fù)荷計(jì)算中，寇巍等[17]以中溫發(fā)酵為研究對象，利用每個(gè)月的日平均加溫負(fù)荷取最大值，計(jì)算相匹配的增溫系統(tǒng)加溫負(fù)荷。燕紀(jì)倫等[18-19]建立沼氣池加熱數(shù)學(xué)模型時(shí)，僅考慮沼氣池維護(hù)散熱，并未計(jì)算發(fā)酵液進(jìn)出帶來的熱量消耗。Hassanein等[20]計(jì)算沼氣池加溫負(fù)荷選用能量守恒方法，估測沼氣池一個(gè)月的加溫負(fù)荷，并以試驗(yàn)中沼氣池的實(shí)際溫度反映輔助加熱設(shè)備的。

沼氣工程加溫負(fù)荷是沼氣加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，加溫負(fù)荷的多少關(guān)系到發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和加溫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，明確加溫負(fù)荷模型及特性非常重要[21-23]。夏吉慶等[24]研究了哈爾濱地表層溫度對沼氣池的影響，郭甲生[25]應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行沼氣池散熱的動(dòng)態(tài)仿真及數(shù)值模擬，兩者都是針對某具體工程應(yīng)用，研究沼氣池維護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱負(fù)荷以及保溫對散熱負(fù)荷的影響。然而，對沼氣工程加溫負(fù)荷變化特性以及加溫負(fù)荷特性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行值等研究較少[26-28]，因此，本文建立大中型沼氣工程加溫負(fù)荷模型，研究沼氣工程加溫負(fù)荷特性以及加溫負(fù)荷指標(biāo)，為中國沼氣工程加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)也有利于加溫系統(tǒng)能耗模擬分析。

1 沼氣工程全混式厭氧發(fā)酵池加溫負(fù)荷模型

發(fā)酵池加溫負(fù)荷定義為在某一室外溫度下，為達(dá)到設(shè)定的發(fā)酵溫度，加溫系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)向發(fā)酵池提供的熱量。發(fā)酵池加溫負(fù)荷受發(fā)酵池內(nèi)溫度、頂棚保溫層厚度、發(fā)酵工藝、室外溫度、進(jìn)料溫度、太陽輻射強(qiáng)度、發(fā)酵池外維護(hù)結(jié)構(gòu)、進(jìn)料量、進(jìn)料種類、生物熱擾、攪拌熱等眾多因素的影響。

1.1 物理模型

對于下部池體為圓柱形，頂部為球冠型膜結(jié)構(gòu)，工藝為全混式厭氧發(fā)酵的地上式發(fā)酵池，池底、四周池壁與池頂均可以根據(jù)地區(qū)與氣候設(shè)置不同厚度的保溫層。具體發(fā)酵池加溫負(fù)荷物理模型見圖1。

注：qti為每天通過頂膜的散熱量；qsi為每天通過池壁的散熱量；qbi為每天通過池底的散熱量；QSi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)總散熱量；QLi為每天料液總加熱量；QM為內(nèi)部微生物熱，Qi為每天總的加溫負(fù)荷；T1i為一年中第i天厭氧發(fā)酵池內(nèi)日平均溫度；T2i為一年中個(gè)第i天外界環(huán)境日平均溫度；T3i為一年中第i天地表一定深度土壤溫度；T4i為一年中第i天進(jìn)料的溫度；T5i為一年中第i天回流稀釋液溫度。

為簡化計(jì)算假設(shè)：1）沼氣池上部氣體空間，熱阻小，溫度近似等于液面溫度；2）中溫發(fā)酵溫度比較低，最高溫度不超過40 ℃，合適的設(shè)置保溫層，頂膜與池壁表面溫度與大氣溫度差值不大，忽略頂膜與四周池壁輻射散熱，只計(jì)導(dǎo)熱和對流換熱部分；3）沼氣池底與土壤僅考慮垂直方向?qū)嵘幔?）忽略產(chǎn)生的沼氣帶走的少量的熱量。

發(fā)酵池加溫負(fù)荷主要由3部分構(gòu)成：發(fā)酵池外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱耗散引起的加溫負(fù)荷；進(jìn)出物料加溫負(fù)荷；沼氣帶走的熱量以及內(nèi)熱擾（如攪拌、生物熱）負(fù)荷。忽略沼氣帶走的少量熱量與攪拌等外擾引起的負(fù)荷，集中供氣工程每天所需的加溫負(fù)荷主要由發(fā)酵池向環(huán)境的散熱量、添加的物料升溫所需的熱量、補(bǔ)償回流過程損失的熱量和生物內(nèi)熱組成。

1.2 數(shù)學(xué)模型

圖1中發(fā)酵池每天的總加溫負(fù)荷Q為

式中Q為每天總的加溫負(fù)荷；Q為圍護(hù)結(jié)構(gòu)總散熱量；Q為每天料液總加熱量；Q為內(nèi)部微生物熱。

加熱時(shí)為了維持發(fā)酵池內(nèi)部的溫度，出料所帶走的熱量不會(huì)對池內(nèi)溫度造成影響，所以式（1）中沒有考慮，在進(jìn)行余熱回收的時(shí)候會(huì)考慮這部分熱量。對于出料帶走的這部分熱量進(jìn)行余熱回收，今后將對系統(tǒng)進(jìn)行修改補(bǔ)充余熱回收時(shí)進(jìn)一步研究。

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱負(fù)荷包括池頂頂膜、四周池壁和池底散熱負(fù)荷，其中池底采用平壁傳熱模型，四周池壁采用圓柱體傳熱模型，球冠型頂膜由于球冠高度比較小，近似采用平壁傳熱模型。如果是長方形或方形的發(fā)酵池，頂膜、池壁與池底都可以采用平壁型傳熱模型。

采用圓柱形傳熱模型計(jì)算，池壁每天平均散熱量為q

式中為一年中第天，取值范圍在1至365之間；1i為第天厭氧發(fā)酵池內(nèi)日平均溫度，℃；2i為第天外界環(huán)境日平均溫度，℃；為發(fā)酵池圓柱體部分的高度，m；1、2分別為發(fā)酵池內(nèi)壁與沼液、外壁與大氣的對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；1、2分別為發(fā)酵池壁和保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；123分別為圓柱體內(nèi)徑、池體外徑和加保溫層的外徑，m；1、2分別為池體材料、保溫層的厚度，m。

采用平壁傳熱模型計(jì)算，池頂每天平均散熱量為q

式中A為池頂表面積，m2；3、4為頂膜內(nèi)壁與沼氣、外壁與大氣的對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；3、4為頂膜和保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；3、4為頂膜和保溫層厚度，m。

采用平壁傳熱模型計(jì)算，池底每天平均散熱量為q

式中A為池底表面積，m2；3i為第天地表一定深度土壤溫度，℃；5分別為發(fā)酵池沼液與池底內(nèi)壁對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；5、6、7分別為發(fā)酵池池壁、保溫材料和土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；5、6、7分別為發(fā)酵池池底材料、保溫層和有效土壤導(dǎo)熱厚度，m。

每天圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱負(fù)荷Q為

2）進(jìn)出料液負(fù)荷

每天加熱進(jìn)料所需熱量和補(bǔ)償回流損失的熱量Q計(jì)算公式為

3）生物內(nèi)熱負(fù)荷

產(chǎn)生沼氣的反應(yīng)物為人、畜糞便及農(nóng)作物秸稈，中溫發(fā)酵料液有效能量(16.91 kJ/kg)的3%以熱量的形式釋放出來，則發(fā)酵產(chǎn)生的反應(yīng)熱Q為

式中為發(fā)酵池的體積，m3；為有效體積修正系數(shù)，無量綱。

由于后面的工程實(shí)例應(yīng)用分析中得出生物內(nèi)熱很小，可以忽略不計(jì)。

1.3 全混式厭氧發(fā)酵池加溫負(fù)荷特性研究指標(biāo)

為分析加溫負(fù)荷各組成部分的大小、對全年加熱量的影響以及方便沼氣工程加溫負(fù)荷計(jì)算，提出月平均負(fù)荷百分比、月圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱率、月平均池容日負(fù)荷、全年池容總加溫負(fù)荷以及設(shè)計(jì)池容加溫負(fù)荷5個(gè)指標(biāo)。

1.3.1 月平均負(fù)荷百分比

月平均負(fù)荷百分比就是月平均維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷、料液加溫負(fù)荷和生物熱負(fù)荷占總負(fù)荷的百分比，因此有月平均維護(hù)散熱負(fù)荷百分比、月平均料液加熱負(fù)荷百分比和月平均生物熱負(fù)荷百分比，計(jì)算公式為

式中為一年中的第個(gè)月，可以取1至12之間的任意數(shù)；φ為月平均維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱百分比，%；φ為料液加熱負(fù)荷百分比，%；φ為生物熱負(fù)荷百分比，%；1()為第個(gè)月的第1天在全年中的天數(shù)；2()第個(gè)月的最后1天在全年中的天數(shù)。

1.3.2 月圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱率

月維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱率η為第個(gè)月的散熱量占全年總散熱量的百分比，用來評價(jià)散熱損失隨季節(jié)的變化，計(jì)算公式為

1.3.3 月平均池容負(fù)荷

月平均池容負(fù)荷就是第個(gè)月單位發(fā)酵池體積每天加溫負(fù)荷的平均值，可以分為圍護(hù)結(jié)構(gòu)和料液月平均池容負(fù)荷以及由于生物內(nèi)熱引起的負(fù)荷。研究表明生物內(nèi)熱和有機(jī)物質(zhì)含量有關(guān)，采用估算法假設(shè)其在一定的發(fā)酵溫度階段內(nèi)不變。圍護(hù)結(jié)構(gòu)、料液與生物內(nèi)熱平均池容負(fù)荷計(jì)算公式為

式中為發(fā)酵池的體積，m3；Q為月平均圍護(hù)結(jié)構(gòu)池容散熱負(fù)荷，MJ/(m3·d)；Q為月平均料液池容熱負(fù)荷，MJ/(m3·d)；Q為月平均微生物產(chǎn)生內(nèi)熱負(fù)荷，MJ/(m3·d)。

1.3.4 設(shè)計(jì)池容總加溫?zé)嶝?fù)荷

設(shè)計(jì)池容總加溫?zé)嶝?fù)荷并不是最大加溫?zé)嶝?fù)荷，而是在最冷月平均氣候條件下，每天單位發(fā)酵池體積正常發(fā)酵所需要的總加熱量，計(jì)算公式

式中Q為設(shè)計(jì)池容加溫負(fù)荷，MJ/(m3·d)；為考慮到管路等的修正系數(shù)，取1.05～1.20。

1.3.5 全年池容總加溫?zé)嶝?fù)荷

全年池容總加溫?zé)嶝?fù)荷是指單位發(fā)酵池體積全年正常發(fā)酵所需要的總加熱量Q，計(jì)算公式為

2 發(fā)酵池內(nèi)溫度對加溫負(fù)荷影響試驗(yàn)研究及模型驗(yàn)證

2.1 發(fā)酵池內(nèi)溫度對加溫負(fù)荷的影響

沼氣工程加溫負(fù)荷主要有進(jìn)料負(fù)荷和圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷，其中料液加溫負(fù)荷與進(jìn)料量、進(jìn)料溫度和發(fā)酵池內(nèi)溫度等有關(guān)，可以根據(jù)式（6）計(jì)算得出；圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷主要與池內(nèi)發(fā)酵溫度和池體結(jié)構(gòu)材料等有關(guān)，可以根據(jù)式（2）至式（5）計(jì)算出。因此研究加溫負(fù)荷特性與發(fā)酵溫度關(guān)系很有必要。

研究對象為位于上海市同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)體積為15 m3的小型發(fā)酵池，太陽能熱泵加溫厭氧發(fā)酵試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，其中發(fā)酵池形狀參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)酵池形狀參數(shù)

根據(jù)前文，沼氣工程理想的中溫發(fā)酵溫度為35 ℃，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況，發(fā)酵池內(nèi)溫度為(25±1)、(30±1)和(35±1)℃，每天總進(jìn)料量為750 kg，進(jìn)料時(shí)間為10:00～10:30之間，試驗(yàn)安排為2015年11月09日發(fā)酵溫度為(25±1)℃、11月14日(30±1)℃、11月27日(35±1) ℃ 3個(gè)工況。

在池頂不采取保溫措施的情況下，不同發(fā)酵溫度工況加溫負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖2 基于太陽能熱泵加溫的厭氧發(fā)酵試驗(yàn)臺(tái)

表2 不同發(fā)酵溫度加溫負(fù)荷

從表2可以得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷占比例較大，是料液負(fù)荷百分比的2倍多；總加溫負(fù)荷與發(fā)酵池內(nèi)溫度、環(huán)境溫度以及料液溫度密切相關(guān)。池內(nèi)溫度為（30±1）和（35±1）℃的總負(fù)荷是溫度為（25±1）℃的1.54倍和1.94倍。

2.2 發(fā)酵池內(nèi)溫度對熱負(fù)荷的影響試驗(yàn)研究及模型驗(yàn)證

采用文中建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算本試驗(yàn)15 m3發(fā)酵池各部分加溫負(fù)荷。在池頂不采取保溫措施下，頂膜、池底與四周池壁的傳熱系數(shù)分別為8.077、0.399 8、0.537 W/(m2·K)。發(fā)酵池溫度為（25±1）、（30±1）和（35±1）℃3種不同工況下加溫負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，以及取相應(yīng)工況下試驗(yàn)結(jié)果為參照標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比見表3。

表3中，（30±1）和（35±1）℃工況下模型計(jì)算得到的負(fù)荷小于試驗(yàn)測量出來的負(fù)荷，（25±1）℃工況下模型與試驗(yàn)測量的結(jié)果相近。由于忽略頂膜氣密性與發(fā)酵池體進(jìn)出管道的散熱，理論上模型計(jì)算的結(jié)果小于試驗(yàn)測試的結(jié)果，誤差分別為4.19和9.46MJ/d，而發(fā)酵池溫度（25±1）℃工況下兩者相近的原因可能是部分試驗(yàn)測量誤差及發(fā)酵池內(nèi)外溫差較小引起的。

表3 不同發(fā)酵溫度加溫負(fù)荷模擬計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)值與模擬值的誤差

3 頂膜保溫厚度對加溫負(fù)荷的影響

目前中國大中型沼氣工程池底和四周池壁都采用了相應(yīng)的保溫措施，上部采用特殊的承壓膜覆蓋，頂膜厚度約1 mm。頂膜、大氣之間沒有采取保溫措施，上部頂膜相當(dāng)于“熱橋”，散熱量遠(yuǎn)大于池體和池底的散熱量。因此，研究頂膜保溫厚度對加溫負(fù)荷的影響很有必要。

在發(fā)酵池內(nèi)溫度為30和35 ℃，進(jìn)料量為750 kg的條件下，在無保溫、橡塑保溫25、50、75 mm 4種工況下，研究發(fā)酵池加溫負(fù)荷與頂膜保溫層厚度的關(guān)系。

含固率40%的秸稈發(fā)酵原料是由含固率80%的干水稻秸稈和河水按1:1的質(zhì)量比混合后經(jīng)粉碎機(jī)處理得到的[29-30]，發(fā)酵原料溫度是干水稻秸稈溫度和河水溫度的平均值[31]，干水稻秸稈溫度取日平均溫度，河水溫度計(jì)算公式為

式中t為河水溫度，℃；0為水面以上1.5 m高度處氣溫，℃；為水面以上1.5 m高度處大氣相對濕度（以小數(shù)計(jì)）；150為水面以上1.5 m高度處風(fēng)速，m/s。

式（13）是在研究水、氣溫以及其他因素聯(lián)系的基礎(chǔ)上建立的比較符合實(shí)際計(jì)算簡便的經(jīng)驗(yàn)公式，通過與實(shí)際資料對比，計(jì)算相對誤差均在5%以內(nèi)。適用于氣溫大于等于零度，風(fēng)速與相對濕度不限。

在利用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中上海地區(qū)的逐時(shí)氣象參數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)水溫計(jì)算公式與前面發(fā)酵池加溫負(fù)荷模型，對頂膜采用不同保溫厚度時(shí)全年加溫負(fù)荷進(jìn)行模擬。

圖3和圖4是發(fā)酵溫度30 ℃時(shí)，頂膜采用不同保溫厚度全年圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷與總加溫負(fù)荷模擬結(jié)果，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷和總加溫負(fù)荷隨保溫厚度的變化趨勢相同，保溫厚度0、25、50和75mm時(shí)全年圍護(hù)結(jié)構(gòu)加溫負(fù)荷分別為29 864.25、9 559.88、7 983.21和7 401.65 MJ，全年總加溫負(fù)荷分別為42 279.08、21 974.72、20 398.04和19 816.48 MJ；每增加25 mm橡塑保溫后圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷減少率分別為67.99%、16.49%和7.28%，總加溫負(fù)荷減少率為48.02%、7.17%和2.85%。保溫厚度達(dá)到50 mm再增加保溫厚度節(jié)能效果不明顯；保溫厚度50 mm相對于保溫厚度25 mm每年加溫負(fù)荷減少1 600 MJ，減少耗電量約60 kW·h，增加初投資為200元，電價(jià)為0.5元/(kWh)時(shí)，3 a內(nèi)可以回收追加初投資。

圖3 發(fā)酵溫度30 ℃全年圍護(hù)結(jié)構(gòu)加溫負(fù)荷模擬

圖4 發(fā)酵溫度30 ℃全年總加溫負(fù)荷模擬

發(fā)酵溫度35 ℃時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷和總加溫負(fù)荷隨頂膜保溫層厚度變化關(guān)系和發(fā)酵溫度30 ℃時(shí)類似，但是頂膜保溫厚度0、25、50和75 mm時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷相對發(fā)酵溫度30℃時(shí)增加率分別為37.69%、37.93%、38.00%和38.03%，總加溫負(fù)荷增加率分別為40.22%、42.66%、43.06%和43.22%，這主要是由發(fā)酵池內(nèi)溫度與外界環(huán)境溫度之差增大造成的。結(jié)合該加溫系統(tǒng)運(yùn)行效果可知，發(fā)酵溫度35 ℃相對于發(fā)酵溫度30 ℃，總加溫負(fù)荷增加約40%，同時(shí)熱量獲得的難度加大，源側(cè)進(jìn)水溫度相同時(shí)，熱泵機(jī)組COP下降約0.6。張翠麗等[32]通過試驗(yàn)研究了發(fā)酵溫度對小麥秸稈產(chǎn)氣量的影響，發(fā)現(xiàn)30和35 ℃每立方米總產(chǎn)氣量的差值為17.7 m3，其價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于增加的加熱成本。因此，試驗(yàn)系統(tǒng)最適宜頂膜保溫厚度為50 mm，最優(yōu)發(fā)酵溫度為30 ℃。試驗(yàn)系統(tǒng)加溫負(fù)荷特性分析如表4。

從表4可以得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷約占總加溫負(fù)荷的40%，料液加溫負(fù)荷約占總加溫負(fù)荷的60%；月平均圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱率和月平均池容總負(fù)荷指標(biāo)1月份最大，分別為16. 47%和6.91 MJ/ (d·m3)，7月份最小，分別為1.41%和0.65MJ/(d·m3)；設(shè)計(jì)池容加溫負(fù)荷為7.25 MJ/(d·m3)。從表中試驗(yàn)系統(tǒng)加溫負(fù)荷特性指標(biāo)可以分析獲得不同季節(jié)和月份加溫負(fù)荷各組成部分的大小進(jìn)而獲得其對全年加熱量的影響，為不同季節(jié)和月份沼氣工程加溫負(fù)荷計(jì)算提供指導(dǎo)。

表4 試驗(yàn)系統(tǒng)加溫負(fù)荷特性指標(biāo)

4 結(jié) 論

建立了沼氣工程厭氧發(fā)酵加溫負(fù)荷物理和數(shù)學(xué)模型，研究了發(fā)酵溫度和頂膜保溫層厚度對加溫負(fù)荷的影響，得出：上海地區(qū)發(fā)酵溫度為(30±1)℃、(35±1)℃的加溫負(fù)荷約是發(fā)酵溫度為(25±1)℃的1.54和1.94倍；發(fā)酵溫度35 ℃相對于發(fā)酵溫度30 ℃，總加溫負(fù)荷增加約40%，同時(shí)熱量獲得的難度加大，源側(cè)進(jìn)水溫度相同時(shí)熱泵機(jī)組COP下降約0.6；從工程實(shí)際來講經(jīng)濟(jì)發(fā)酵溫度為30 ℃。對頂膜采用0、25、50和75 mm 4種不同厚度橡塑保溫研究得出：每增加25 mm橡塑保溫后圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱負(fù)荷減少率分別為67.99%、16.49%和7.28%，總加溫負(fù)荷減少率為48.02%、7.17%和2.85%，經(jīng)濟(jì)保溫厚度為50 mm。通過對數(shù)學(xué)模型和實(shí)際工程測量結(jié)果對比分析，模型計(jì)算結(jié)果小于試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，相對誤差在8%之內(nèi)，模型計(jì)算結(jié)果可以為沼氣工程中熱負(fù)荷的計(jì)算、經(jīng)濟(jì)發(fā)酵溫度和經(jīng)濟(jì)保溫層厚度的選擇提供參考。

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Model of heating load of anaerobic fermentation tank and test on its influencing factors of biogas plant

Shi Huixian,Meng Xiangzhen, Zhang Di, Zhu Hongguang, Zhang Yalei, Xu Detian

(,200092)

Calculation accuracy of heating load in mixed anaerobic fermentation tank is related to design rationality, stability and economic operation of the whole system, so it is very important to master the heating load model and understand the influence of main factors on its characteristics. Aiming at the heat process of the whole mixed anaerobic fermentation tank of the actual biogas project in Shanghai, physical and mathematical model of heating load was established. Five indicators, i.e. monthly average load percentage, monthly heat dissipation rate of the envelope, monthly mean daily capacity of the pool, total heating load of pool capacity and designed heating load of pool, are used to analyze the size of heating load of the various components and the impact on the annual heat. The heating load of the biogas project mainly includes the feeding load and the heat dissipation of the envelope, in which the heating load of the feed liquid is related to the feeding amount, the feeding temperature and the temperature of the fermentation tank. The heat dissipation of the envelope is mainly related to the fermentation temperature, pool body structure materials, and so on. Therefore, it is necessary to study the relationship between the heating load characteristics and the fermentation temperature. This study takes a small fermentation tank with a volume of 15 m3in Jiading Campus of Tongji University in Shanghai as the study object. The temperature of the fermentation tank is (25±1), (30±1)and (35±1) ℃, the total feeding amount is 750 kg per day, and the feeding time is between 10:00 and 10:30. It is concluded that the heat dissipation capacity of the envelope is larger than that of the feeding load, and the total heating load is closely related to the temperature of the fermentation tank, the ambient temperature and the temperature of the liquid. The effects of different fermentation temperatures and top film thicknesses of the insulation layer on the heating load show that the heating loads in Shanghai area under the fermentation temperature of (30±1) and (35±1) ℃ are respectively 1.54 and 1.94 times that under the fermentation temperature of (25+1) ℃. Compared with the fermentation temperature of 30 ℃, the total heating load under the fermentation temperature of 35 ℃is increased by about 40%, while the heat is gotten more difficultly, and the heat pump unit COP (coefficient of performance) decreased by about 0.6 when the temperature of inlet water at source side is same, so the fermentation temperature with economic effects is determined as 30 ℃. At present, for large and medium-sized biogas project in China, the appropriate insulation measures are used in the bottom of pool and around the pool wall, but between the top of the membrane and the atmosphere the insulation measures are not taken, and the heat dissipation of the top of the pool is much larger than the pool and the bottom. The effects of different thicknesses of roof membrane’s rubber insulation layer of 0, 25, 50 and 75 mm on the heating load show that the heat dissipation load reduction rates of heat retaining structure are 67.99%, 16.49% and 7.28% respectively after the thickness of rubber insulation layer is increased by 25 mm in sequence, and the reduction rates of the total heating load are 48.02%, 7.17% and 2.85% respectively, so it is determined that the economic insulating layer thickness of top film is 50 mm in Shanghai area. The relative error is between 0.6% and 7.8% according to the comparison between the model and actual engineering test results of heating. The results can provide a reference for the calculation of the heating load of the biogas project and the thickness of the insulation layer.

heating; fermentation; load; biogas engineering; mixed anaerobic fermentation tank; physical and mathematical model; influencing fact

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.026

S216.4; TK124

A

1002-6819(2017)-20-0210-08

2017-04-15

2017-09-14

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2013AA103006-02）

石惠嫻，女，副教授，博士，主要從事可再生能源應(yīng)用于農(nóng)業(yè)設(shè)施領(lǐng)域理論和實(shí)踐研究。Email：huixian_shi@mail.#edu.cn

石惠嫻，孟祥真，張 迪，朱洪光，張亞雷，徐得天. 全混式厭氧發(fā)酵池加溫負(fù)荷模型及其影響因素試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(20)：210－217. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.026 http://www.tcsae.org

Shi Huixian, Meng Xiangzhen, Zhang Di, Zhu Hongguang, Zhang Yalei, Xu Detian. Model of heating load of anaerobic fermentation tank and test on its influencing factors of biogas plant[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 210－217. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.026 http://www.tcsae.org