矿山地热能沼气池加温系统试验研究

张永亮，蔡嗣经，吴迪

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083；2.青岛理工大学 汽车学院，山东 青岛，266520)

发展低碳经济、减少碳排放量是2010年丹麦哥本哈根气候大会上各国讨论的焦点[1]，经济社会持续快速的发展离不开有利的能源保证[2]。因此，建设节约型社会，加大节能减排的力度，增加可再生能源占社会能源供给的比例，是科技人员应该加大力度深入探讨的重点问题。能源的分类方法有很多种，如果按再生性能分，可分为不可再生能源和可再生能源。用后不能重新产生称为不可再生能源，如石油、煤炭等；用后失而复得称为可再生能源，如太阳能、生物质能、地热能等。沼气属于生物质能，是一种可再生能源。沼气可用于做饭、照明、储粮；沼液、沼渣可用于作物的叶面喷施、生产绿色食品，满足人民生活需要。沼气生物质能源的开发利用，以投入消耗减量化、物质再生循环化、资源利用最大化为原则，可实现生态、能源和社会效益的统一[3-4]。

1 沼气池加温热源选择分析

1.1 温度对产气量的影响

沼气池中的温度是决定产气量的重要因素，一般的沼气池都是在常温下发酵，产气率低。温度是沼气发酵的重要外因条件，温度适宜则细菌繁殖旺盛，活力强，厌氧分解和生成甲烷的速度就快，产气就多。从这个意义上讲，温度是产气量的关键。研究发现：在10～60 ℃的范围内，沼气均能正常发酵产气。低于10 ℃或高于60 ℃都严重抑制微生物生存、繁殖，影响产气。在这一温度范围内，一般温度愈高，微生物活动愈旺盛，产气量愈高。微生物对温度变化十分敏感，温度突升或突降，都会影响微生物的生命活动，使产气状况恶化。对于沼气池内发酵温度，常规情况下分为3个阶段： 在46～60 ℃为高温发酵，在28～38℃为中温发酵，在10～26 ℃为常温发酵。大多数沼气池靠自然温度发酵，属于常温发酵。发酵温度虽然范围较广，但在10～60 ℃范围内，温度越高，产气越大。在冬季沼气池产气量很少，甚至不产气，严重制约了沼气的使用和推广，其主要原因是环境温度过低，降低了沼气发酵微生物的活性。

1.2 沼气池加温热源分析

1.2.1 常规热源

温度作为沼气池产气量的关键因素，国内外相关领域工作者做了大量研究和试验。目前常见的沼气池加温方式有电热膜加温、太阳能加温、化石能源热水锅炉加温、沼气锅炉加温、沼气发电余热加温和燃池式加温6种。电热膜加温是在沼气池外表面涂一层电热膜进行加温，这种方法需要消耗大量电能，节能性不理想[5]。太阳能加温系统靠集热装置集中太阳热能，提高温度，对料液进行加温[6-7]，该系统节能环保，但易受天气状况影响。化石能源热水锅炉加温是通过热水锅炉的换热设备对沼气池料液加温，这种方法需要消耗煤炭等燃料，同时产生大量烟尘和有害气体。沼气锅炉加温，是燃烧系统自身产生的一部分沼气，通过燃烧产生高温烟气，依靠高温烟气给发酵池加温，但对设备和操作技术要求比较高[8]。沼气发电余热加温是在沼气热电联产工程中，将燃气内燃机排放的高温气体回收，利用气体余热加温发酵料液，只能在大型沼气池工程中才能应用[9]。燃池加温是依靠沼气池地下的阴燃坑发生阴燃对料液加温，这种方法具有一定的危险性，同时对环境有一定污染。

以上6种常见加温方式各有优缺点，但这些方式大多是以消耗电能和燃烧为代价或者易受天气状况影响，节能性、社会性不理想。因此，为沼气池提供成本低廉、经济环保的稳定热源，成为沼气生物质能有效开发利用的关键问题。

1.2.2 矿山地热水加温热源

地热水既是水资源，又是一种清洁能源，与传统的不可再生能源相比，地热水除具有很高的热能价值外，其作为水资源的经济效益和社会效益也不可忽视，若不合理开采利用，不仅浪费资源，而且会破坏生态与地质环境。在矿山开采过程中，矿井地下热岩体、渗透出的热水导致出现高温、高湿的井下作业环境，以致井下工人湿疹频发，久治不愈，矿山不得不频繁更换井下工人，严重降低了工作效率。同时，地下水流失也导致地质结构发生显著变化，地基承载力减弱，出现地面裂缝、沉降等现象。矿山开采暴露出的地热一方面破坏了矿山生产环境，另一方面又造成大量地热资源和水资源流失。矿山周边的农林环境为沼气池提供了良好的使用条件，基于大量实践，提出汲取矿山井下热水作为沼气池的加温热源。这种方法既可以消除井下湿热造成的危害，又充分利用地热资源和地下水资源。矿山地热水充足稳定，弥补了常规热源的缺点，以地热能促进生物质能，实现能源循环促进。

2 地热加温沼气池试验

2.1 加温试验系统设计

在以前研究成果的基础上[10-12]，改进了螺旋管加温沼气池试验台，利用自制沼气池实验台进行矿山地热水对沼气池加温试验。实验台运行示意图见图1。

以山东省旧店金矿地热水为例，将矿井汲取的热水导入沼气池内螺旋管进行循环加热，平均水温为65℃。热水导入螺旋管内循环加热，通过螺旋管换热对沼气池内料液进行加温，模型沼气池外用挤塑聚苯乙烯进行保温，螺旋管材料采用普通无缝钢管，钢管外涂耐高温防腐材料。沼气池温度测试点均匀布置于池内，池内按料液深度平均分成3层，每层布置1支热电偶。

图1 沼气池加温系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of digester heating system

2.2 螺旋管换热过程分析

螺旋管加热器的传热原理是由圆管内侧的对流换热、圆管壁的导热和圆管外侧的对流换热3个热量传递构成的传热过程。在此试验系统中，螺旋管传热是稳态传热，可利用热阻概念建立热流量模型[13]。根据牛顿冷却公式和圆管壁稳态导热公式，可以把螺旋管的热流量分别表示为：

其中：Φ1，Φ2和Φ3分别表示螺旋管内侧换热热流量、管壁导热热流量和螺旋管外侧换热热流量；d1和d2分别为螺旋管内、外直径；l为螺旋管长度；λ为热导率(常数)；tf1为管内地热水温度；tf2为管外料液温度；h1和h2分别为螺旋管内、外两侧表面传热系数；tw1和tw2分别为管内、外两侧壁温度。Rh1，Rλ和Rh2分别为螺旋管内侧对流换热热阻、管壁导热热阻、螺旋管外侧对流换热热阻。

由式(4)可知，只需测得螺旋管内地热水温度和沼气池中料液温度变化，即可求得螺旋管的传热热量。

2.3 产气效果分析

为了加强加温效果实验的可比性，该实验在加温沼气池和未加温沼气池2个池内同时进行，实验时间为30 d。其池内料液温度对比图和产气量对比图分别见图2和图3。

由图2和图3可知：加温后沼气池内料液温度有了明显上涨，沼气产量也有大幅提升，说明螺旋管加热沼气系统运行效果良好。

图2 料液温度对比图Fig.2 Comparison of liquid temperature

图3 产气量对比图Fig.3 Comparison of gas production

3 加温系统成本效益分析

3.1 沼气池建设模式

根据实验基地旧店金矿附近农户情况实地调查，大棚养殖户可以建造“四位一体”模式(沼气池—厕所—猪舍—温室大棚)；大部分农户可以建造“三位一体”模式(沼气池—猪舍—厕所)，沼气池所需原料采用人畜粪便、秸秆等农户自产资源。在沼气池上面新建厕所或畜禽舍，粪便直接进行沼气池。室内安装沼气管道，厨房做饭基本不用大锅烧柴，采用沼气做饭、照明等节能方式。

3.2 沼气池成本预算

采用矿区地热水加温方式，可以极大提高沼气产量，一户五口之家建造10 m3沼气池可以基本保证沼气的充足使用，原料为1 t水泥、1 m3石子、1 m3粗砂及其他辅料，原料造价700元左右；采用高档沼气灶具及配件约300元；沼气池建造用工费500元左右；矿井地热水采用总输水管道输送，输送动力主要为井下水泵向地表排水的动力，各户沼气池由总管道接出分支到沼气池螺旋管内，具体根据实际情况而定，费用一般300元左右即可。因此，矿区附近农户建立10 m3地热加温沼气池总成本约为1 800元左右。

3.3 地热加温效益分析

以试验结果为依据进行耗能计算，循环热水的密度取995.5 kg/m3，比热容取4.186 kJ/(kg·K)，折算结果如下：1座10 m3的沼气池，应用矿区地热能进行加温，每年可节省柴薪2 000 kg，煤1 200 kg，电150 kW·h，化肥300 kg，按目前市场价格折算，每年可节省支出2 000多元。

4 结论

(1)沼气池螺旋管换热系数随着管内外换热温差逐步减小而减小，说明螺旋管传导出的热量越多，其换热性能越好，这一性能有利于螺旋管在沼气池内传导热量。

(2)沼气池在螺旋管加温系统作用下，料液温度可保持在35 ℃左右，属中温发酵范围，接近高温发酵，产气量较未加温情况下有明显提升，证实了螺旋管加温的有效性。

(3)利用矿山地热水作为沼气池的加温热源，利用地热能促进生物质能，产生显著的经济效益和环境效益；通过将矿井热水导入沼气池，也消除了矿山井下热害。

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