论太阳能与车库型干法沼气工程的完美结合

黑龙江省农业机械工程科学研究院农村能源中心 ■ 李剑 栾玥 罗光辉 盛力伟 李存斌

一 引言

沼气工程作为一种有效利用生物质能生产清洁燃气的方式，近年来日益受到人们的关注。根据原料干物质浓度(TS)，沼气工程可分为两大类：TS≤20%为湿法，TS≥2%为干法[1]。基于我国地域的特殊性和原料的自身特性，污水较多的工程多采取湿法发酵，水源不太充足以及高寒地区适宜利用干法发酵。随着欧美发达国家干法发酵技术的日益完善，利用车库型干法沼气工程处理有机废弃物成为沼气工程的一种发展趋势。

生物质能的原始能量来源于太阳，从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。中国人口众多，资源相对不足，能源供应不能充分满足国民经济发展的需要。随着经济的进一步发展和全面小康建设的推进，必将对能源供应提出新的要求[2]。

本文从车库型干法沼气工程需要进行中温发酵出发，结合工程与太阳能一体化的优势，设计出利用太阳能为沼气工程增温的太阳能沼气系统，为生物质能产业的发展提供一定的参考依据。

二 车库型干法沼气技术

传统的沼气发酵均采用湿法技术，由于湿法技术发酵耗能高、处理干物质的成本高等一系列缺点，限制了其适应的范围和地域。从上世纪90年代起，德国大量资助新型间歇式干法沼气发酵技术的研发。90年代末，德国间歇式干法沼气工艺和装备通过了中试，2002年生产出工业级装备并投入实际运行。

与传统的湿法技术相比，新型间歇式干法沼气发酵技术具有以下优点：(1) 自身耗能低，冬季仅耗用自身产生能量的10%～15%；而湿法的自身耗能约为30%，在北方寒冷地区冬季甚至会达到45%，大大限制了沼气技术在北方寒冷地区的推广。(2) 可以直接处理农作物秸秆和城市垃圾等固体可发酵有机物，大大节省了预处理成本。(3) 由于没有搅拌器和管道，发酵不受干扰物质如塑料、木块、沙石等影响，因而无需花费人力和设备将其在发酵前检出。(4) 在发酵仓中没有搅拌器等运动部件，系统的可靠性很高。(5) 沼气质量高(含硫量远远低于湿法沼气，只有50～300ppm，可以不经洗气直接供沼气发动机使用)，发酵物出气率高。(6) 发酵仓为地面车库型不透气混凝土结构，底部管道暖气供热，土建费用低。(7) 发酵仓为模块化结构，易扩展。(8) 进料、出料可使用通用的装载机等工程机械，设备效率高，通用性强。(9) 因为发酵剩余物无湿法发酵的沼液，所以不用脱水处理，发酵剩余物经简单的过筛和短时间的堆肥即可用作园林肥料或农作物肥料，存储和后处理费用低、价值高。(10) 耗水量比湿法少得多，几乎没有污水排放，大大节省了水费和污水处理费[3]。

间歇式干法沼气发酵技术与湿法沼气技术相比，有两个关键的技术问题需要解决：(1) 发酵初期与发酵结束时发酵室沼气浓度与空气浓度达到临界点15:85时的防爆安全，需要高度安全可靠的自动控制系统。(2) 发酵菌在发酵物中的繁殖速度保障，需要高效的发酵菌液喷淋回流系统。

三 太阳能沼气系统的设计

1 系统设计前期的参数分析

本文结合德国BEKON车库型干法沼气工程，以北方高寒地区哈尔滨为设计参考点。哈尔滨位于东经 125¡42'～130¡10'、北纬 44¡04'～46¡40'之间，全年平均降水量569.1mm，降水主要集中在6～9月，夏季占全年降水量的60%，年平均温度3.6℃，最冷的1月份，平均气温为-13.2～-24.8℃，最热的7月份，平均气温为18.1～22.8℃，采暖期176d，采暖期室外平均设计温度-10℃，地区太阳辐射情况见表1[4,5]。

表1 哈尔滨地区全年太阳总辐射表

从表1可以看出，哈尔滨地区太阳总辐射最高月份为6月，月总辐射值达到704.7MJ/m2，日照时间达到285h；太阳总辐射最低月份为12月，月总辐射值为146.6MJ/m2，日照时间为162.3h；全年月均辐射值为412.7MJ/m2，月均日照时间为217.8h。

德国BEKON车库型干法沼气工程主要生产区见图1。

图1为一种典型的BEKON车库型干法沼气工程。工程占地面积16000m2，主生产区占地2000m2，工程主要处理原料包括家庭固体废弃物、场区周边食品厂及皮革厂垃圾，固体废弃物年处理总量为20000t，原料沼气产量为130～170m3/t，工程沼气利用方式为沼气发电，发电机组总装机容量1052kW[6]。

车库型干法沼气工程主要工艺流程见图2。

从图2可以看出，发酵仓采用间歇式发酵方式，仓内具有喷淋及回流系统，仓底部及墙体具有管道式换热器，系统可监测仓内温度、压力及气体成分，发酵仓顶部同时具有排气及换气系统，热源采用沼气热电联供机组，以保证系统的高效安全运行。

2 系统设计

干法沼气工程通常采用35℃左右的中温发酵方式，这种发酵方式经济性较好，对于采暖期达到176d的哈尔滨来说，满足系统的热量需求相比我国其他地区更耗费能源，而仅仅需要达到35℃的温度对于太阳能热利用工程而言无疑是非常容易实现的[7～9]，所以本文对该车库型干法沼气工程结合太阳能热利用工程做出了一个详细的论述。

发酵仓尺寸为30m×4.5m×4.5m，工程共计9座发酵仓，有效利用面积为1215m2。为了保证工程整体的美观性及实用性，本文利用车库型干法沼气工程主要生产区的顶部水平安装真空管平板型太阳能集热器，系统图见图3。

工程发酵装置共计5000m3，室外设计温度-10℃，仓内物料温度为35℃，仓内废弃物比热取0.92kJ/(kg·℃)，发酵仓单仓启动需要热量11178MJ，启动时间控制在24h。哈尔滨地区太阳能辐射月均值为412.7MJ/m2，真空管太阳能集热器效率90%[10]，管道损失根据《建筑给排水设计规范》取80%，工程需安装太阳能集热器共计1128m2。考虑到太阳能的不稳定性，工程还需要安装锅炉或电加热等作为补充热源。若为电加热，已知发酵仓单仓启动的需热量为11178MJ，设计在1d内加热到设定温度35℃，则通过计算可知电加热功率为120kW。

太阳能系统主要包括分体式真空管平板型集热系统、5m3中央储热利用箱、智能控制系统、多路管路及循环系统的辅助加热系统等。由于沼气工程的建设必须安装相对应的增温装置，所以各发酵仓采暖系统及保温水箱都是工程已有系统，安装太阳能不仅可以为系统提供足够的热量，同时还可以解决北方高寒地区系统启动困难的问题。

3 系统分析

工程共计安装太阳能集热器1128m2，可年提供热能4022141.2MJ，相当于节约标煤159.6t。

使用太阳能系统制备热利用的设备回收期一般在1.5～3年，而太阳能热利用系统主体的设计寿命至少为15年，所以间歇式干法沼气工程结合太阳能热利用工程是既经济又环保的节能方式。尽管太阳能热利用系统的初始投资相对其他热利用系统要高，但是其运行成本却相对较低，最重要的是太阳能热利用所带来的环境效益和社会效益是无法估量的，同时利用真空管平板型太阳能集热器与车库型干法沼气工程进行有机结合，实现了太阳能与发酵仓的一体化，达到了美观实用的效果。

四 结语

本文通过对车库型干法沼气工程的分析，充分利用车库型发酵仓顶部的有效空间，结合真空管平板型太阳能集热器，使太阳能和车库型干法沼气工程得到完美结合，通过设计分析得到以下结论：

(1) 干法沼气工程的经济发酵温度为35℃，利用太阳能热水工程达到此温度较为容易实现。

(2) 利用太阳能与干法沼气工程结合不但可以为系统提供热量，同时还可以解决北方高寒地区系统启动困难的问题。

(3) 车库型干法沼气工程与其他工程的显著区别就是有平坦的顶部空间，利用平板型太阳能集热器与发酵仓实现一体化，可达到美观实用的效果。

(4) 对于发酵装置为5000m3的干法沼气工程，仅需1128m2集热器即可在哈尔滨地区实现发酵仓在24h内增至35℃，从技术上分析是完全可行的。

(5) 工程安装太阳能集热系统后，可年提供热能4022141.2MJ，相当于节约标煤159.6t。

本文主要讨论的是在哈尔滨地区利用太阳能和车库型干法沼气工程的完美结合，其原因在于哈尔滨地处我国北方高寒地区，如果工程实施位置在其他省份，尤其是南方一些太阳能辐射较高的区域，系统的热效率会更高，通过更快更高地提高沼气发酵的温度，能够缩短沼气工程的发酵周期，同时生产更多的清洁燃气，所以太阳能与车库型干法沼气工程的结合将会是沼气工程引入我国

后的一个很好的发展方向。

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