徐州市馬莊村秸稈太陽能沼氣集中供氣工程冬季運行分析

趙 曼， 林 聰， 苗 曉， 苗瑞福， 鐘明珠

(1.中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院， 北京 100083；2.徐州市環(huán)能生態(tài)技術有限公司， 江蘇 徐州 221009)

?

徐州市馬莊村秸稈太陽能沼氣集中供氣工程冬季運行分析

趙 曼1， 林 聰1， 苗 曉2， 苗瑞福2， 鐘明珠1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院， 北京 100083；2.徐州市環(huán)能生態(tài)技術有限公司， 江蘇 徐州 221009)

溫度是影響沼氣工程正常穩(wěn)定運行的關鍵因素，冬季氣溫較低，難以維持沼氣工程的正常產(chǎn)氣，需采用必要的增溫保溫措施。徐州馬莊村秸稈沼氣工程采取日光溫室加溫保溫方式，解決了寒冷季節(jié)沼氣生產(chǎn)的問題。在冬季22天監(jiān)測時間段內(nèi)日光溫室內(nèi)外溫差最高可升26.2℃，日光溫室內(nèi)溫度最高達到了38.4℃。在太陽輻射的影響，日光溫室對厭氧消化器的加熱保溫效應十分明顯，在無太陽能輻射時，溫室主要起保溫作用。經(jīng)測試，冬季消化器內(nèi)溫度維持在15.3℃～23.7℃，每戶平均月用氣量達19.1 m3，有效池容產(chǎn)氣率可達0.42～0.52 m3·m-3d-1。利用太陽能日光溫室對厭氧消化系統(tǒng)進行加熱和保溫，在無其他商品性能源消耗的情況下，切實提高了發(fā)酵池溫度，保證了沼氣工程冬季正常生產(chǎn)。

秸稈沼氣工程；太陽能；日光溫室；集中供氣

以秸稈為消化原料生產(chǎn)沼氣的能源-生態(tài)-環(huán)保工程，已成為新農(nóng)村美麗鄉(xiāng)村建設中的清潔能源生產(chǎn)、解決作物秸稈露天焚燒現(xiàn)象，減少PM2.5排放，改善農(nóng)民生活環(huán)境，提高生活質(zhì)量的重要手段之一。中國是農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源豐富，但因缺乏有效的處理方式，每年約有20%的秸稈被廢棄[1]，而以秸稈為主要原料生產(chǎn)的沼氣集中供氣工程，不僅凈化了農(nóng)村環(huán)境，還實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，使秸稈變廢為寶，做到源于農(nóng)民還于農(nóng)民[2]，是實現(xiàn)秸稈資源化利用的有效途徑。

但沼氣工程最大的問題是冬季運行成本，因沼氣產(chǎn)氣量受溫度影響，導致冬季物能轉(zhuǎn)化率低，其中部分沼氣工程因未采取有效的增溫保溫措施，冬季寒冷季節(jié)會出現(xiàn)發(fā)酵原料結冰，管道凍結，料液沼氣管道凍結，加熱管道凍結，設備凍結等現(xiàn)象[3]，使得沼氣反應體系不能正常穩(wěn)定的產(chǎn)氣，甚至停止運行，加之有些工程發(fā)酵原料收集困難、規(guī)模較小、自動化程度低、運行管理不完善、冬季運行停止等問題[4]，使沼氣工程的經(jīng)濟效益難以彰顯，嚴重影響沼氣工程的可持續(xù)性。所以，如何使沼氣工程常年穩(wěn)定運行，保持穩(wěn)定高效的產(chǎn)氣量是規(guī)模化沼氣工程發(fā)展中必須要解決的問題。徐州地區(qū)冬季常年最低氣溫可達-1℃～4℃，冬季維持厭氧消化溫度的能耗是影響沼氣工程正常運行的關鍵問題之一。徐州市馬莊村秸稈太陽能沼氣工程采用日光溫室增溫保溫的措施，在無其它外部能源消耗的情況下較好的解決了冬季因氣溫低不能正常產(chǎn)氣的問題，是沼氣工程冬季的運行問題解決方法的新思路。

1 工程介紹

1.1 背景概況

馬莊村隸屬徐州市賈汪區(qū)，地處徐州市東北方向25公里處，有五個自然村組成，共計有2600口人，678戶農(nóng)戶，全村種植土地4100畝，主要種植的農(nóng)作物為小麥和玉米。全村年出欄生豬約2000頭，肉牛300頭，每年有大量的廢棄秸稈，為消納利用農(nóng)作物秸稈，改善村貌杜絕秸稈隨意燃燒，先后分兩次在馬莊村部和上湖村建設了以秸稈為主要原料的沼氣工程，陸續(xù)為400戶農(nóng)民提供了管道沼氣。該沼氣工程的特點是利用太陽能溫室的保溫加熱效應，在冬季無其他能源加熱的條件下，維持了沼氣全年生產(chǎn)的連續(xù)性，工程年消耗農(nóng)作物秸稈300多噸，所產(chǎn)生的沼渣用來種植蘑菇，沼液用來澆灌100多畝葡萄、蔬菜，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟、能源、生態(tài)、環(huán)保和社會效益。具體工藝流程見圖1。

圖1 沼氣發(fā)酵工藝流程圖

1.2 工程概況

該沼氣一期工程于2012年4月建成并開始向農(nóng)戶供氣，采用推流式沼氣工藝(PFR),工程建設厭氧發(fā)酵罐300 m3；日光溫室200 m2；濕式儲氣柜60m3；秸稈庫160m2；蘑菇房200 m2；管道集中供氣100戶，鋪設輸氣管道約2500 m。二期沼氣工程于2013年12月開始施工，2014年5月20日開始供氣，建成厭氧發(fā)酵罐500 m3；日光溫室300 m2；濕式儲氣柜500 m3；秸稈庫150 m2，管道集中供氣300戶，鋪設輸氣管道約5800 m。新增加了智能化監(jiān)控設備1套。目前，該工程已連續(xù)供氣近3年5個月，保證了冬季正常供氣。該工程建設內(nèi)容詳見表1和表2。

表1 主要構筑物

表2 主要設備

2 日光溫室增溫保溫效果分析

溫度是影響沼氣發(fā)酵的關鍵因素之一，沼氣工程要維持常年穩(wěn)定運行，需要對發(fā)酵料液的溫度進行嚴格控制，有實驗表明發(fā)酵溫度高于15℃時，沼氣發(fā)酵才能較好的運行，當溫度低于10℃時，產(chǎn)氣率幾乎為零[5]，且晝夜溫度變化超過3℃，產(chǎn)氣就會發(fā)生明顯的變化，沼氣工程要維持正常運行，還要保證溫度的穩(wěn)定。徐州地區(qū)冬季最冷月的平均氣溫約為-1℃～4℃，經(jīng)測試夜間室外最低溫度可達-9℃，在冬季低溫下已不能維持沼氣工程的正常運行。該沼氣工程采用日光溫室增溫保溫技術，使發(fā)酵溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，在不消耗其他商品能源的條件下保證了沼氣池在冬季寒冷情況下能夠正常產(chǎn)氣運行。

日光溫室增溫保溫技術利用太陽能建筑采暖溫室效應，日光溫室本身作為集熱儲熱的綜合體，陽光透過溫室表面覆蓋材料將熱量傳遞到室內(nèi)，實現(xiàn)白天的增溫蓄熱；當夜間溫度降低時，貯存在地面、后墻的熱量又被釋放出來，使溫室內(nèi)溫度維持在一定范圍。將厭氧消化器及進出料系統(tǒng)置于日光溫室內(nèi)，形成一個厭氧消化器和日光溫室結合的一體化新能源互補系統(tǒng)，有效的利用太陽能來提供沼氣工程冬季運行的能耗。有實驗表明，沼氣工程升溫保溫中對能耗影響最大的因素之一為環(huán)境溫度[6]，而利用日光溫室對厭氧消化器進行增溫保溫恰恰是對其周圍環(huán)境進行加溫，使消化器內(nèi)溫度維持在適宜的范圍，有效降低了加溫所需要的能耗和運行成本。

通過對該沼氣工程運行的溫度監(jiān)測和農(nóng)戶沼氣使用記錄分析，表明了這種厭氧消化器和日光溫室結合的一體化系統(tǒng)完全可以維持冬季的正常運行。

2.1 晴天時溫室內(nèi)外逐時溫度變化情況

2014年12月連續(xù)對馬莊村部日光溫室內(nèi)外溫度進行了測試，晴天時溫室內(nèi)外逐時溫度變化如圖2。從圖2中可看出，日光溫室在晴天時的增溫效果較明顯，隨著光強的增加，上午8:00以后溫室內(nèi)升溫迅速，在12:00左右時溫室內(nèi)溫度達到最高，為35.5℃，較室外溫度12℃高出23.5℃，此時測得消化器內(nèi)溫度為23.7℃，完全保證了沼氣工程的正常運行。14:00以后，隨著陽光強度的變?nèi)酰h(huán)境溫度降低，溫室內(nèi)溫度也隨之降低，16:00時室內(nèi)外溫差最小，僅有2.0℃。夜間隨著環(huán)境溫度的降低，室內(nèi)溫度基本維持在10℃以上，在凌晨最低時維持在7℃左右，而此時測得消化器內(nèi)溫度為17.5℃，消化器內(nèi)溫度衰減的延遲性和周期性使得消化溫度在24小時內(nèi)保證了沼氣的連續(xù)生產(chǎn)。

圖2 晴天時溫室內(nèi)外逐時溫度

2.2 陰天時溫室內(nèi)外逐時溫度變化情況

圖3為陰天時日光溫室內(nèi)外逐時溫度變化情況。整體來看，陰雨天溫室內(nèi)外溫度較穩(wěn)定，與晴天相比，溫室內(nèi)外晝夜溫差較小。當天的環(huán)境平均溫度約為7.2℃，溫室內(nèi)溫度平均達到13.0℃，較室外高出約5.8℃，消化器內(nèi)平均溫度為15.3℃，溫室起到了一定的保溫作用。由此可見，冬季利用日光溫室可以有效的維持消化器周邊的環(huán)境溫度，無論在晴天還是陰天，都能夠使消化器反應溫度維持在有效范圍內(nèi)，如果在陰天時再輔以其他商品性能源加熱作為應急，將會更好的提高產(chǎn)氣率。

圖3 陰天時溫室內(nèi)外逐時溫度

2.3 溫室內(nèi)外不同時刻溫度變化情況

圖4～圖5為2014年12月18日至2015年1月8日馬莊村部日光溫室內(nèi)外溫度的變化趨勢。以上午7時和下午13時監(jiān)測的平均值繪制溫度曲線，分析日光溫室內(nèi)外溫度變化規(guī)律和加熱保溫的效果。

圖4 上午7：00溫室內(nèi)外溫度變化曲線圖

圖5 中午13:00溫室內(nèi)外溫度變化曲線圖

圖4和圖5分別為7:00，13:00時日光溫室內(nèi)外平均溫度變化曲線，從圖中可以看出，在相同的時間段，日光溫室內(nèi)的溫度變化趨勢是一致的，與室外溫度相比，室內(nèi)溫度都有較大的提高。上午7:00室外平均溫度僅為-1.4℃，室內(nèi)平均溫度達到8.5℃，提高了9.9℃。而室外最低溫度發(fā)生在2015年1月2日，僅為-5.6℃，對應測得的溫室內(nèi)溫度為7.0℃，提高了12.6℃。下午13:00時室外平均溫度為12.0℃，室內(nèi)平均溫度達到32.6℃，提高了20.6℃，升溫效果明顯。在2014年12月18日室外溫度為12.3℃時，日光溫室內(nèi)溫度達到了38.2℃，提高了25.9℃，由于下午受太陽輻射影響，該時段溫室的加熱保溫效應十分明顯。2015年1月5日連續(xù)遇到了小雨和多云天氣，上午7:00與下午13:00時溫室內(nèi)溫度較室外僅升高了5℃～6℃，室內(nèi)溫度始終較低，此刻日光溫室僅起到了保溫的作用。因此建議在冬季陰雨天氣時可采取必要的輔助保溫措施，以保證沼氣的正常生產(chǎn)。

從連續(xù)22天日光溫室內(nèi)7:00與13:00溫度變化趨勢分析，在無太陽能輻射的時間段，溫室主要起保溫作用，反映出溫室內(nèi)的溫度變化較平緩。而在有太陽能輻射的時間段，室外環(huán)境溫度提高，溫室內(nèi)溫度上升明顯，在監(jiān)測時間段內(nèi)室內(nèi)外溫差最高可升26.2℃。從圖5中可以看到，2015年1月5日陰雨天氣時，室內(nèi)溫度始終較低，上午7:00和下午13:00室內(nèi)溫度分別為12.9℃和14.0℃，二者僅提高了1.1℃，因此，在無太陽能可利用的時間段還應考慮其他能源的補充。

3 工程運行情況

該沼氣工程主要以秸稈為發(fā)酵原料，不定時接入少量牛糞。進料TS濃度8%左右，水力滯留期為45～50天，日均產(chǎn)沼氣250～315 m3左右,平均池容產(chǎn)氣率為0.42～0.52 m3·m-3d-1。冬季利用日光溫室效應增加池溫和保溫，在無任何外加熱源的情況下運行良好，能夠保證冬季正常供氣。

3.1 沼氣質(zhì)量分析

理論上沼氣中CH4約占60%，CO2約占40%，此外還有少量H2，N2，CO，H2S，NH3等[7]。沼氣中氣體成分和甲烷的含量決定了該沼氣工程所產(chǎn)能的熱值，在對日光溫度保溫性能測試的同時，對所產(chǎn)沼氣的氣體成分進行了測試，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定，適合農(nóng)戶炊事所用，結果如表3。

表3 氣體成分分析 (%)

3.2 供氣規(guī)模和用氣分析

該工程采用IC卡售氣用氣管理模式，目前供氣戶已達400戶。根據(jù)馬莊村沼氣工程售氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)戶最大用氣量達到每戶每月37.7 m3，每戶每月最小用氣量僅為7 m3，每戶每月均用氣量小于10 m3占總用氣戶數(shù)的6%，每戶每月均用氣量在10～20 m3占總用氣戶數(shù)的45%，每戶每月均用氣量在20～30 m3占總用氣戶數(shù)的37%，每戶每月均用氣量大于30 m3占總用氣戶數(shù)的12%，經(jīng)計算，平均每戶每月用氣為19.1 m3，按照沼氣售價每m31.6元，每戶月均花費30.56元。

從馬莊村用戶購氣和沼氣工程全年生產(chǎn)情況分析，該村春季、夏季、秋季和冬季每月每戶用氣量分別為19.98 m3，20.14 m3，20.0 m3和19.1 m3，如圖6所示。從圖中看出，采用太陽能溫室對以秸稈為原料的沼氣集中供氣工程進行加熱保溫，可以維持冬季的正常生產(chǎn)和用氣，實現(xiàn)了在無其他商品性能源消耗的情況下全年不間斷供氣。

圖6 用戶四季月均用氣量比較

4 結論

目前，北方地區(qū)很多沼氣工程因加溫方式不合理或不采用任何加熱措施，導致冬季停止運行。馬莊村秸稈太陽能沼氣工程利用日光溫室增溫保溫技術，在無其他商品性能源消耗的情況下，使發(fā)酵池溫度冬季也能維持在正常產(chǎn)氣范圍內(nèi)，保證了該工程在冬季的正常供氣。

(1)該沼氣工程通過日光溫室增溫保溫技術，使沼氣池的溫度平均較室外有很大程度的提高。冬季晴天時，室內(nèi)溫度可達35.5℃；陰天時，室內(nèi)溫度也可達到13℃左右。晴天時溫室內(nèi)的溫度完全可以保證發(fā)酵的正常進行。連續(xù)陰雨天時，建議采取其他加熱保溫的應急措施。

(2)沼氣中CH4含量高達60.2%，完全滿足農(nóng)戶炊事要求。

(3)從用戶購氣和沼氣工程全年生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，該村春季、夏季、秋季和冬季平均每戶每月用氣量基本穩(wěn)定在20 m3左右，季節(jié)性用氣差異僅為5%。

(4)厭氧消化器和日光溫室結合的一體化新能源互補系統(tǒng)，有效的利用太陽能來提供沼氣工程冬季運行的能耗，維持了沼氣工程均衡穩(wěn)定生產(chǎn)。

[1] 國家發(fā)展改革委,農(nóng)業(yè)部,財政部.“ 十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實施方案[Z].發(fā)改環(huán)資[2011]2615號.

[2] 陳 羚,趙立欣,董保成,等.我國秸稈沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].可再生能源,2010(06):145-148.

[3] 何榮玉.北京大中型沼氣工程冬季運行存在的問題及對策[J].可再生能源，2011(08):150-152.

[4] 崔文文,梁軍鋒,杜連柱,等.中國規(guī)?；斩捳託夤こ态F(xiàn)狀及存在問題[J].中國農(nóng)學通報，2013,29(11):121-125.

[5] 魏新利,張富強.溫度對沼氣池的需熱量和月份產(chǎn)氣率的影響[J].湖北農(nóng)機化,2011(1) :60.

[6] 熊昌國,謝祖琪,劉建輝,等. 沼氣工程高效升溫保溫影響因素的試驗研[J].西南大學學報, 2012(11):117-124.

[7] 周孟津,張榕林,藺金印.沼氣實用技術[M].北京：北京化學工業(yè)出版社，2003.

Case Study on Winter Operation of Centralized Biogas Supply Project in Ma Village of Xuzhou

ZHAO Man1， LIN Cong1， MIAO Xiao2， MIAO Rui-fu2， ZHONG Ming-zhu1

(1.College of Water Resources and Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China；2.Xuzhou Environmental Energy & Ecology Techology Co Ltd，Xuzhou 221009，China)

Temperature is a key factor in guaranteeing the operation of biogas project normally and stably. In winter, heating and insulation measures are necessary because the cold temperature can not meet the need of fermentation to produce biogas. By adopting a heliogreenhouse system, the biogas project in Ma village of Xuzhou solved the problem of biogas production in cold season. During the 22 days of monitoring in winter, the temperature differences between indoor and outdoor of heliogreenhouse could reach 26.2℃. The highest indoor temperature was 38.4℃.The heliogreenhouse was effective in heating the anaerobic digester in sunny days, while keeping it warm when it was cloudy. The temperature in the digester ranged from 15.3 to 23.7℃ during the test in winter. The average household monthly gas consumption was 19.1 m3, and the volumetric gas production rate of digester ranged in 0.42 ～ 0.52 m3·m-3d-1. In conclusion, the heliogreenhouse system could effectively guarantee the temperature in the digester without using any other commercial fuels, achieving the goal of normal gas production throughout the year .

straw biogas project; solar energy; greenhouse; centralized biogas supply

2015-09-16

項目來源： 博士點基金(20130008110038)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費(201403019)

趙 曼(1990-)，女，碩士，研究方向為農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程，E-mail：zhaoman@cau.edu.cn 通信作者： 林 聰，E-mail：lincong@cau.edu.cn

S216.4

B

1000-1166(2016)01-0072-05