寒冷地區(qū)大中型沼氣工程增保溫技術的研究

張重 張蕾蕾 邢向欣 張?zhí)K

摘要：本課題針對現(xiàn)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(wěn)定、低能耗運行等問題，研究一種寒區(qū)大中型沼氣工程的增保溫技術。本課題研究的一種寒區(qū)大中型沼氣工程的增保溫系統(tǒng)，包括太陽能集熱裝置、沼氣鍋爐、循環(huán)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(fā)泡層、保溫被、曝氣管、羅茨風機。本系統(tǒng)可以保證菌種冬季發(fā)酵的正常溫度，使得東北地區(qū)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(yè)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(qū);增保溫

0 引言

我省農業(yè)有機固體廢棄物資源豐富，處理和利用現(xiàn)狀不好，污染嚴重;同時，又面臨農村一次能源短缺的現(xiàn)狀亟待解決。研制四季平穩(wěn)產氣高效、低成本沼氣裝置，可以促進畜禽糞便、秸稈等農業(yè)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(huán)境污染以及微生物污染，提高農村及城市生活和環(huán)境質量。

現(xiàn)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(wěn)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(xiàn)產氣率低或不產氣現(xiàn)象，運行不穩(wěn)定;大中型沼氣工程均采用常規(guī)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(qū)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(fā)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(xiàn)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(wěn)定、低能耗運行等問題，研究一種寒區(qū)大中型沼氣工程的增保溫技術。

1 增保溫系統(tǒng)結構

本課題研究的一種寒區(qū)大中型沼氣工程的增保溫系統(tǒng)，包括太陽能集熱裝置、沼氣鍋爐、循環(huán)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(fā)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(huán)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(huán)回路中;循環(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)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(huán)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(fā)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(tǒng)熱性能需要，適合北方寒冷地區(qū)冬季使用等特點，故選用真空式太陽能集熱器為系統(tǒng)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(jù)當?shù)靥柲茌椛鋮?shù)（表1），可以計算出所需的太陽能集熱器面積以及集熱管數(shù)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(fā)酵槽內物料持續(xù)增溫傳熱的目的，確保反應器內保持相對穩(wěn)定的厭氧發(fā)酵溫度。系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(fā)酵槽組成，單個發(fā)酵槽底部尺寸長11.5m、寬1.95m，兩個發(fā)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(tǒng)操作方法

步驟一：將太陽能集熱裝置、循環(huán)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(huán)回路;將曝氣管和羅茨風機連接;

步驟二：往水循環(huán)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(huán)泵每運轉1h停轉30min。根據(jù)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(huán)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(fā)酵階段，每隔7～8h啟動/關閉羅茨風機對發(fā)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(jīng)羅茨風機輸出到曝氣管內，輸出壓力為60kPa，空氣經(jīng)曝氣管通入發(fā)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(huán)境溫度低時，可用沼氣鍋爐沼氣給水循環(huán)回路增溫，另一方面用于養(yǎng)豬場及用戶的熱水供應。

5 本系統(tǒng)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(xiàn)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(huán)回路加熱，節(jié)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(fā)泡保溫等增保溫措施，保證菌種冬季發(fā)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(tǒng)可以保證菌種冬季發(fā)酵的正常溫度，使得東北地區(qū)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(yè)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(jié)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(jīng)濟效益;畜禽糞便、農作物秸稈等有機固體廢棄物經(jīng)有效處理后可大大減少其對地表水、地下水、大氣環(huán)境的污染以及微生物污染等，提高農村及城市環(huán)境質量。

參考文獻

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