高溫太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在沼氣池內(nèi)發(fā)酵增溫的應(yīng)用

竇金波

摘要：針對(duì)湖南地區(qū)冬季氣候寒冷、沼氣池不產(chǎn)氣的問(wèn)題，結(jié)合該地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富的特點(diǎn)，將太陽(yáng)能中高溫集熱裝置和沼氣發(fā)酵裝置進(jìn)行了組合，設(shè)計(jì)了一套新型的太陽(yáng)能加熱的沼氣生產(chǎn)增溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以滿足業(yè)主全年對(duì)沼氣以及生活熱水的需要，從而改善農(nóng)村人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，緩解農(nóng)村生活用能和工業(yè)用能之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，加快社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)步伐，建設(shè)和諧的社會(huì)主義新農(nóng)村有重要示范推廣價(jià)值和重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；增溫系統(tǒng)；沼氣

中圖分類(lèi)號(hào)： TK6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 16749944（2015）06031103

1 引言

近年來(lái)隨著人們生活水平的提高，對(duì)肉類(lèi)食品的需求逐年上升，因此集中在鄉(xiāng)村周?chē)拇笮宛B(yǎng)殖企業(yè)也越來(lái)越多，利用牲畜糞產(chǎn)生沼氣發(fā)電或向周?chē)r(nóng)戶供氣已經(jīng)成為解決污染和清潔能源供給的主要手段，但是在冬季的地區(qū)，沼氣池由于溫度低于10℃就無(wú)法發(fā)酵產(chǎn)氣，傳統(tǒng)解決辦法用鍋爐加熱，但成本較高，導(dǎo)致設(shè)備閑置一個(gè)冬季，針對(duì)寒冷地區(qū)太陽(yáng)能資源充足、冬季寒冷的氣候特色，設(shè)計(jì)出一套適合本地區(qū)使用的新型的太陽(yáng)能加熱的沼氣發(fā)酵裝置非?？尚校捎锰?yáng)能增溫系統(tǒng)后，池內(nèi)溫度可提升10～15℃，低成本地解決了沼氣池冬季不產(chǎn)氣的問(wèn)題。

2 沼氣池增溫工藝技術(shù)方案

2.1 太陽(yáng)能加熱恒溫系統(tǒng)的組成

太陽(yáng)能加熱恒溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。本系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能熱水器、熱水緩沖器、螺旋式換熱器、自動(dòng)控制系統(tǒng)（溫度傳感器、交流觸電器、溫控儀和電磁閥等）、循環(huán)泵和其它輔助部件組成。其功能是為中溫發(fā)酵的沼氣反應(yīng)罐進(jìn)行加熱。

圖1 太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意

2.2 太陽(yáng)能加熱恒溫系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而開(kāi)啟循環(huán)泵，促使熱水緩沖器中的熱水流經(jīng)反應(yīng)罐中的螺旋管式換熱器進(jìn)行循環(huán)，對(duì)液料進(jìn)行加熱，提升反應(yīng)罐內(nèi)的溫度；當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，再由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而關(guān)閉循環(huán)泵，循環(huán)終止。熱水緩沖器的主要功能是為了控制進(jìn)入螺旋換熱器中水的溫度，防止溫度過(guò)高。因?yàn)闇囟冗^(guò)高時(shí)容易引起局部污泥溫度過(guò)高以及螺旋罐外壁結(jié)殼，通過(guò)熱水緩沖器將進(jìn)入螺旋管中的溫度控制在50℃±2℃。熱水緩沖器的工作原理分為兩個(gè)循環(huán)。

第1循環(huán)

熱水緩沖器的溫度高于52℃時(shí)，其循環(huán)路線為：

熱水緩沖器—循環(huán)泵—閥3—螺旋換熱器—閥4—電磁閥3—熱水緩沖器

此時(shí)，電磁閥1與電磁閥2關(guān)閉，切斷與太陽(yáng)能熱水箱的循環(huán)；電磁閥3打開(kāi)，循環(huán)水直接通過(guò)熱水緩沖器進(jìn)行循環(huán)，促使熱水緩沖器中的溫度降低。

第2循環(huán)

熱水緩沖器的溫度低于48℃時(shí)，其循環(huán)路線為：

熱水緩沖器—循環(huán)泵—閥3—螺旋換熱器—閥4—電磁閥2—太陽(yáng)能熱水器—電磁閥1—熱水緩沖器

此時(shí)，電磁閥1與電磁閥2打開(kāi)，聯(lián)通與太陽(yáng)能熱水箱的循環(huán)；電磁閥3關(guān)閉，從而促使熱水緩沖器溫度升高。太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)中還設(shè)有循環(huán)泵的總控裝置。當(dāng)太陽(yáng)能水箱中的溫度低于40℃時(shí)，關(guān)閉循環(huán)泵，避免循環(huán)泵長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，節(jié)省電能。

3 方案設(shè)計(jì)（以岳陽(yáng)楓樹(shù)灣公司為例）

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.1 環(huán)境溫度

設(shè)計(jì)計(jì)算基本參數(shù)：

極限環(huán)境溫度：夏季+42.5℃，冬季-15.8℃。

年平均溫度14.5℃。

配置：換熱水箱4t，溫度55℃。

3.1.2 輻照參數(shù)

以岳陽(yáng)地區(qū)（緯度28°13′，經(jīng)度113°06′）數(shù)值作為參考標(biāo)準(zhǔn)，太陽(yáng)輻射及天氣參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3.2 太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)熱平衡計(jì)算

為了驗(yàn)證太陽(yáng)能熱管加熱系統(tǒng)是否能滿足工作要求，對(duì)該系統(tǒng)的熱負(fù)荷進(jìn)行了理論計(jì)算。

3.2.1 沼氣發(fā)酵裝置的熱損失計(jì)算

（1）沼氣發(fā)酵裝置散熱損失的熱量。單體沼氣發(fā)酵裝置幾何尺寸見(jiàn)圖2，該系統(tǒng)按照容積為1500m3進(jìn)行設(shè)計(jì)，沼氣發(fā)酵裝置的直徑為8m，高度為12m，液面高度9.6m，上方留有1.4m的沼氣空間，下沉1m放置土壤里，在冬季最冷月份（12月），沼氣池里料液溫度需控制在15℃以上，才能確保正常運(yùn)行。

圖2 氣池幾何尺寸分布示意

發(fā)酵裝置的外表面覆蓋保溫層，以減少損失，由于筒壁所引起的熱阻與保溫層相比較小，可以忽略不計(jì)，因此該發(fā)酵裝置筒體內(nèi)、外壁溫度可視為相同，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，保溫層內(nèi)表面溫度t1=15℃，外表面溫度為t2=5℃，保溫層內(nèi)外半徑分別是R0和R1，此時(shí)傳熱過(guò)程包括保溫層的熱傳導(dǎo)和保溫層外壁與環(huán)境空氣的對(duì)流導(dǎo)熱，因此熱損失速度可表示：

保溫材料：聚氯乙烯保溫板，厚度：10cm，λ=0.04652w/（m·℃）。

其中x為對(duì)流傳熱系數(shù) ，取10 w/（m·℃） ， 筒體高度L=6.6m，計(jì)算得V=8.35W/m2，所以筒體保溫層的熱損失：

Q1= V*S*T=8.35×281.5×86400=0.203×106kJ。

由于筒體上部有1.4m的空氣層，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，并且錐形頂蓋覆有同樣厚度的保溫層，因此此處的熱損失忽略不計(jì)。

由于沼氣發(fā)酵裝置是下沉放置在土壤中，土壤系統(tǒng)的傳熱問(wèn)題，目前尚無(wú)令人滿意的計(jì)算公式，作為一種估算，可將筒體底面散熱視為恒壁溫半無(wú)限大導(dǎo)熱問(wèn)題，取土壤的λ=0.5w/（m.℃），ρ=1500kg/m3，CP=1.9kJ/kg，由于沼氣發(fā)酵裝置的底部壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其高度，可將其散熱設(shè)為大平壁散熱問(wèn)題，利用恒壁溫半無(wú)限大導(dǎo)熱公式，

即Q2=2FλρCPπTt

F為傳熱面積 ，F(xiàn)=πr2=3.14×42=50.24m2，

傳熱時(shí)間T=86400S，冬天12月份假設(shè)土壤溫度為8℃，則溫差t=7℃，

所以整個(gè)筒體的熱損失為：

（2）進(jìn)出料損失的熱量。進(jìn)出料損失的熱量計(jì)算公式為：Q3=Cpm（t1-t2）。

式中：Cp為料液的比容量（新鮮料液濃度比較低，約為8%，可近似取水的比熱量，Cp=4.2kJ/（kg.℃）；m為每天進(jìn)入沼氣池的新鮮料液量，m=20000kg；t1為沼氣池內(nèi)料液的溫度，t1=15℃；t2為新鮮料液的溫度，t2=8℃，計(jì)算得Q3= 0.058×106kJ。

每天沼氣池總的熱量損失：

3.2.2 沼氣池獲得熱量計(jì)算

厭氧發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)生的生物熱。沼氣池厭氧消化過(guò)程的反應(yīng)隨處理的物料不同而異。轉(zhuǎn)化牲畜糞便成為

甲烷所產(chǎn)生的反應(yīng)熱，可有發(fā)酵料液有效能量（16.95kJ/kg）的3%以熱量的形式放出而求取，每天新增加的料液為20000kg，所以發(fā)酵時(shí)所產(chǎn)生的總熱量為QK=0.01×106kJ，沼氣池可以獲得的熱量Q0=QK=0.01×106kJ。

3.2.3 系統(tǒng)每天總熱負(fù)荷

系統(tǒng)每天總熱負(fù)荷Q總=Q-Q0=0.701×106kJ-0.01×106kJ=0.691×106kJ。

為保證沼氣池溫度，太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)在晴天獲得能量Q太要大于Q總，即Q太≥Q總。

3.2.4 太陽(yáng)能集熱面積設(shè)計(jì)

由表1查得岳陽(yáng)地區(qū)12月份平均太陽(yáng)輻射量（水平）約為6.811MJ/（m2·d）；（傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥龋┑募s為10.961MJ/（m2·d），我們這里經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)安裝修正取8.5MJ/（m2·d）；則太陽(yáng)能熱管加熱系統(tǒng)日均總集熱量按下式計(jì)算，即

式中：A為集熱器采光面積；I為鄭州地區(qū)12月份集熱器日均輻射強(qiáng)度8.5MJ/（m2·d）；ηi為集熱器全日集熱效率，取0.55；ηj為管路及儲(chǔ)水箱損失率，取0.25；Q太取Q總= 0.691×106KJ；計(jì)算A=320m2。

需要集熱面積320m2，集熱器（58×1800×50支）集熱面積為10.7m2，應(yīng)安裝29.9組，計(jì)劃安裝30組。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目屬節(jié)能減排工程項(xiàng)目，利用太陽(yáng)能產(chǎn)生的熱量作為加熱熱源，加熱過(guò)程沒(méi)有任何污染及相關(guān)的尾氣，達(dá)到環(huán)保要求。該項(xiàng)目完成后池內(nèi)溫度可提升10～15℃，變常溫為中溫發(fā)酵，常溫發(fā)酵的溫度是10～30℃，每1立方米池容，一般日產(chǎn)氣量為0.1～0.25m3。中溫發(fā)酵最適宜的溫度是30～35℃，每1立方米池容，日產(chǎn)氣0.4～0.9m3；產(chǎn)氣量可將樹(shù)灣畜牧有限公司可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣率抬高2倍以上，每年至少多產(chǎn)沼氣6.5萬(wàn)m3，折標(biāo)準(zhǔn)煤50余t，可以多發(fā)電力15萬(wàn)kW·h，經(jīng)濟(jì)效益明顯。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，可實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

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