畜禽糞便高濃度厭氧發(fā)酵反應(yīng)器增保溫設(shè)計(jì)

張蕾蕾　張重　袁存亮　丁偉

摘 要：為解決北方寒冷地區(qū)沼氣工程的越冬生產(chǎn)問(wèn)題，本文以一個(gè)總反應(yīng)體積300m3的沼氣示范工程建設(shè)為例，通過(guò)采取巖棉和聚氨酯發(fā)泡保溫，以及利用太陽(yáng)能集熱器集熱并通過(guò)反應(yīng)器底部蓄熱換熱水箱蓄能增溫的方式，來(lái)保證厭氧反應(yīng)器在中溫條件下穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)熱平衡分析，計(jì)算了維持反應(yīng)器中溫厭氧發(fā)酵所需要的太陽(yáng)能集熱器面積以及反應(yīng)器底部蓄熱換熱水箱的容積，為沼氣示范工程建設(shè)提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沼氣;高濃度;反應(yīng)器;增保溫

中圖分類號(hào)：S23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201015017

隨著沼氣綜合利用技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外規(guī)?；笾行驼託夤こ倘找嬖龆?，尤其是高濃度物料中溫厭氧發(fā)酵逐漸成為規(guī)?；託夤こ贪l(fā)展的趨勢(shì)，溫度是影響厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵因素之一，由于北方地區(qū)冬季氣溫較低，要想保證沼氣中溫厭氧發(fā)酵工程常年穩(wěn)定運(yùn)行生產(chǎn)沼氣，需采取必要的增溫和保溫措施，使反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵料液的溫度不受外界環(huán)境氣溫的影響而保持相對(duì)穩(wěn)定。為減少沼氣生產(chǎn)過(guò)程中物料熱量散失，節(jié)約耗能，設(shè)計(jì)厭氧反應(yīng)器外部整體聚氨酯發(fā)泡保溫，利用聚氨酯優(yōu)良的保溫隔熱效果對(duì)厭氧反應(yīng)器進(jìn)行保溫，反應(yīng)器底部鋪設(shè)巖棉保溫，從而實(shí)現(xiàn)良好的保溫作用。同時(shí)，為了維持反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵物料溫度穩(wěn)定，采取太陽(yáng)能集熱增溫的方式，利用太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行熱能的收集和傳送，由集熱器內(nèi)的熱水通過(guò)蓄熱換熱水箱對(duì)反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵料液傳熱增溫。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例，分析了冬季維持反應(yīng)器中溫厭氧發(fā)酵穩(wěn)定運(yùn)行所需要的熱量，并通過(guò)熱平衡分析，計(jì)算出所需的太陽(yáng)能集熱器面積以及蓄熱換熱水箱的容積，這樣通過(guò)采取合理的增溫和保溫措施解決了反應(yīng)器能量散失問(wèn)題，促進(jìn)沼氣工程的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 研究實(shí)例

畜禽糞便高濃度厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，立式圓柱罐體結(jié)構(gòu)?？偡磻?yīng)體積：300m3;日進(jìn)料量：8.5m3·d-1;總固體物（TS）濃度：15%左右;發(fā)酵溫度：35±2℃;水力停留時(shí)間HRT：28d;罐體尺寸：φ10.2m×3.75m，錐頂高度：1.3m;建筑結(jié)構(gòu)：鋼結(jié)構(gòu);保溫材料：罐體底部巖棉保溫，側(cè)壁及錐形頂面聚氨酯發(fā)泡保溫，做到處處密合，不留間隙。

2 熱平衡分析計(jì)算

對(duì)于沼氣厭氧發(fā)酵工程來(lái)說(shuō)，根據(jù)能量守恒定律，反應(yīng)器散失的熱量和加熱所需的熱量應(yīng)相等，才能保證厭氧發(fā)酵溫度恒定。反應(yīng)器每天的熱量損失主要包括厭氧反應(yīng)器散失的熱量，以及每天新加入物料升溫所需的熱量。

2.1 厭氧反應(yīng)器散失的熱量計(jì)算

通過(guò)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)損失的熱量按多層熱傳導(dǎo)來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式[1]：

式中，Q1為反應(yīng)器單位時(shí)間散失的熱量，J·s-1;Q底為單位時(shí)間通過(guò)反應(yīng)器罐體底部散失的熱量，J·s-1;Q側(cè)為單位時(shí)間通過(guò)反應(yīng)器罐體側(cè)壁散失的熱量，J·s-1;Q頂為單位時(shí)間通過(guò)反應(yīng)器罐體頂面散失的熱量，J·s-1;A1為底部傳熱面積，為81.67m2;A2為側(cè)壁傳熱面積，為120.1m2;A3為頂部傳熱面積，為84.28m2;T0為反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵物料厭氧期內(nèi)平均溫度，取35℃;T1為環(huán)境最低氣溫，取-25℃;δ1為反應(yīng)器底部、側(cè)壁鋼質(zhì)槽體厚度，為0.008m;δ2為聚氨酯保溫層厚度，為0.12m;δ3為沼氣層厚度，按0.65m計(jì)算;δ4為罐體底部巖棉層厚度，為0.05m;δ5為錐形頂?shù)匿撡|(zhì)槽體厚度，為0.006m;λ1為鋼板導(dǎo)熱系數(shù)，為45W·m·K-1;λ2為聚氨酯保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，為0.028W·m·K-1;λ3為沼氣層導(dǎo)熱系數(shù)，為0.05W·m·K-1;λ4為巖棉保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，為0.041W·m·K-1。其中，A1、A2、A3的值根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算得到;T0、T1、δ1、δ2、δ3、δ4、δ5的值為設(shè)計(jì)值;λ1、λ2、λ3、λ4的值取自工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)等資料[2，3]規(guī)定的鋼板材料、聚氨酯保溫材料、沼氣、巖棉保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

將各參數(shù)代入公式計(jì)算得出反應(yīng)器單位時(shí)間散失的熱量為Q1=5638.12J·s-1，那么24h反應(yīng)器散失的總熱量為487.13MJ。

2.2 反應(yīng)器新加入物料升溫所需的熱量計(jì)算

反應(yīng)器新加入物料升溫所需熱量計(jì)算公式[4]：

Q2=cm（t1-t2）（2）

式中，c為料液的比熱容（新加入料液干物質(zhì)濃度約為15%，略低于水的比熱）取3.5kJ·kg·℃-1;m為每天新加入反應(yīng)器的料液量（濕牛糞密度按0.9×103kg·m-3計(jì)，則m為7.65×103kg）;t1為反應(yīng)器內(nèi)部發(fā)酵料液溫度，取35℃;t2為新加入料液的溫度，取10℃。

計(jì)算得出：Q2=669375kJ=669.375MJ。則，厭氧反應(yīng)器每天總的熱量損失為：

Q總=Q1+Q2=487.13+669.375=1156.505MJ

即反應(yīng)器1d中維持恒溫發(fā)酵所需要的總熱量。

3 太陽(yáng)能集熱器和蓄熱換熱水箱的工作原理及參數(shù)計(jì)算

蓄熱換熱水箱設(shè)置在反應(yīng)器罐體的底部，利用太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)能熱量，并將其儲(chǔ)存在蓄熱換熱水箱中，通過(guò)蓄熱換熱水箱將熱能傳遞給發(fā)酵物料，起到增溫作用。蓄熱換熱水箱由于設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)底部，并設(shè)有巖棉保溫層，水箱釋放出的熱量在反應(yīng)器內(nèi)部傳遞，熱能損失少。同時(shí)由于蓄熱換熱水箱中的熱能是逐步傳遞給物料的，對(duì)熱能具有儲(chǔ)存和緩沖傳熱的功能，有利于保障物料發(fā)酵溫度穩(wěn)定。

3.1 太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算

由于真空管式太陽(yáng)能集熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用和價(jià)廉等特點(diǎn)，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(diǎn)，故選用真空管式太陽(yáng)能集熱器為系統(tǒng)加熱。上面通過(guò)厭氧反應(yīng)器的熱平衡分析，得到太陽(yáng)能集熱器每天需要提供的熱量Q為1156.505MJ。所需太陽(yáng)能集熱器面積通過(guò)每天所需的熱量負(fù)荷計(jì)算，公式[5]：

Q=AIηj1-ηs（3）

式中，A為集熱器有效集熱總面積，m2;Q為維持反應(yīng)器恒溫發(fā)酵每天需要的總熱量，MJ;I為集熱器采光面在當(dāng)?shù)氐娜掌骄?yáng)輻射強(qiáng)度，13.42MJ·m-2·d-1）;ηj為太陽(yáng)能集熱器平均集熱效率，取0.58;ηs為管路及儲(chǔ)水箱熱損失率，取0.1。

計(jì)算求得所需太陽(yáng)能集熱器集熱面積A為165.1m2。本設(shè)計(jì)所用真空管式太陽(yáng)能集熱器的真空管尺寸為直徑58mm，長(zhǎng)度1800mm，單根管安裝后有效集熱面積為O.1044m2，通過(guò)計(jì)算得出太陽(yáng)能集熱器所需太陽(yáng)能真空管1581.4根，取整后確定需太陽(yáng)能真空管1600根。

3.2 蓄熱換熱水箱容積的計(jì)算

系統(tǒng)中太陽(yáng)能集熱器收集來(lái)的熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱換熱水箱中，蓄熱換熱水箱中的熱水起到為發(fā)酵物料持續(xù)增溫傳熱的作用，確保反應(yīng)器內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定的厭氧發(fā)酵溫度。設(shè)物料溫度維持恒定的35℃（t1），從太陽(yáng)能集熱器出來(lái)的熱水的溫度為65℃，若管路熱量散失忽略不計(jì)，則進(jìn)入蓄熱換熱水箱的熱水的溫度也是65℃，設(shè)從蓄熱換熱水箱出來(lái)的水的溫度為45℃。

那么，在計(jì)算蓄熱換熱水箱的熱流量時(shí)，必須采用整個(gè)傳熱面上的對(duì)數(shù)平均溫差，其計(jì)算公式：

Δtm=t3-t1-t2-t1lnt3-t1t2-t1（4）

式中，t3為太陽(yáng)能集熱器出水溫度，即蓄熱換熱水箱進(jìn)水溫度，t3=65℃;t2為太陽(yáng)能集熱器進(jìn)水溫度，即蓄熱換熱水箱出水溫度，t2=45℃。將參數(shù)帶入公式計(jì)算可得：Δtm=18.2℃。

蓄熱換熱水箱的容積計(jì)算公式：

v=QcρΔtm（5）

式中，v為蓄熱換熱水箱的容積，m3;Q為維持反應(yīng)器恒溫發(fā)酵每天需要的總熱量，MJ;c為水的比熱，4.20×103J/（kg·℃）;ρ為水的密度，kg·m-3。

通過(guò)計(jì)算，求得蓄熱換熱水箱的容積為15.13m3，該容積下的蓄熱換熱水箱可滿足反應(yīng)器的熱能需求。

4 沼氣鍋爐加熱系統(tǒng)輔助增溫

由于北方寒冷地區(qū)冬季氣候比較惡劣，因此可以為沼氣發(fā)酵系統(tǒng)增設(shè)沼氣鍋爐加熱系統(tǒng)，主要由沼氣鍋爐、循環(huán)泵、循環(huán)管路、蓄熱換熱水箱、膨脹水箱等構(gòu)成，如遇連續(xù)陰雪天或極寒天氣太陽(yáng)能供熱不足時(shí)，可以利用沼氣鍋爐燃燒部分沼氣為發(fā)酵物料增溫，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能量補(bǔ)償，保證厭氧發(fā)酵正常產(chǎn)氣。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)總反應(yīng)體積300m3沼氣示范工程建設(shè)實(shí)例進(jìn)行熱平衡計(jì)算分析，確定了反應(yīng)器在采取相應(yīng)保溫措施的條件下，維持反應(yīng)器恒溫厭氧發(fā)酵所需要的太陽(yáng)能集熱器面積和反應(yīng)器罐體底部蓄熱換熱水箱容積的大小，為實(shí)際工程建設(shè)提供了可靠的理論依據(jù)。另外，在沼氣工程增溫上采用太陽(yáng)能加熱的方式具有安全、方便、經(jīng)濟(jì)效益高、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，適合于太陽(yáng)能資源比較豐富的地區(qū)使用，對(duì)于北方寒冷地區(qū)沼氣工程的推廣應(yīng)用具有借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓捷，向欣，李想.干法發(fā)酵沼氣工程無(wú)熱源中溫運(yùn)行及效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009（09）：215-219.

[2]戴鍋生.傳熱學(xué)[M].第2版.北京：高等教育出版社，2003.

[3]嚴(yán)家祿.工程熱力學(xué)[M].第3版.北京：高等教育出版社，2002.

[4]姚玉英，黃鳳廉，陳常貴，等.化工原理（上冊(cè)）[M].天津：天津大學(xué)出版社，2000：201-220.

[5]蒲小東，鄧良偉，尹勇，等.大中型沼氣工程不同加熱方式的經(jīng)濟(jì)效益分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010（07）：281-284.

（責(zé)任編輯 李媛媛）

收稿日期：2020-09-03

基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20200403160SF）

作者簡(jiǎn)介：張蕾蕾（1981-），男，副研究員。研究方向：農(nóng)業(yè)廢棄物無(wú)害化處理及資源化利用。