我国北方地区沼气工程冬季增温保温技术研究进展与展望

王亚静, 张 弛, 高春雨, 王红彦, 王 磊, 孙 宁, 毕于运

(中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所， 北京 100081)

我国北方地区沼气工程冬季增温保温技术研究进展与展望

王亚静, 张 弛, 高春雨, 王红彦, 王 磊, 孙 宁, 毕于运

(中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所， 北京 100081)

冬季增温保温技术对于保障寒冷地区沼气工程高效运行至关重要。我国沼气工程冬季增温保温技术研发和应用取得了大量成果，文章主要从加热方式、增温热源、工程运行措施3个方面，评述我国北方地区沼气工程增温技术的研究进展，从保温材料、太阳能温室大棚、其他保温技术3个方面，梳理了我国北方寒冷地区冬季保温技术的研究和应用进展。最后提出未来我国北方地区沼气工程在增温保温技术方面，应重点开展能源投入产出边际效率、低能耗型增温保温工艺、煤炭加热电加热等传统工艺、多能互补加热模式等方面的研发。

北方地区； 沼气工程； 冬季增温保温技术； 进展与展望

我国高度重视农村沼气建设，以沼气工程为代表的农村新型可再生能源和清洁能源的开发利用已成为社会主义新农村建设的客观需求。截至2014年末[1]，全国以农业废弃物为原料的大、中、小型沼气工程分别达到6370，10087，86236处，年产气量总计达到19.53×108m3。

沼气工程的正常运行除受原料、料液浓度、酸碱度等内部因素影响外，还会受到气候、管理水平、经济发展水平等多种外部因素的影响。环境温度是决定沼气工程正常运行与否的重要条件。对于北方寒冷地区的沼气工程来说，在持续低温条件下，不进行增温保温，料液便无法持续稳定产气。冬季增温保温是确保该类地区沼气工程由冬季持续稳定产气到周年正常生产运营、并促使其工程建设持续健康发展的必要技术措施。国内研究者和沼气工程管理人员对包括我国南方地区在内的沼气工程冬季增温保温方法和技术、系统工艺及应用、保温材料选用等开展了广泛的研究和实践，取得了大量的成果和经验。本文主要就近年来我国北方地区沼气工程在冬季增温保温技术方面的研究进展进行了梳理，并结合实地调研，对我国北方地区沼气工程的未来发展方向进行展望。

1 北方地区沼气工程冬季增温技术研究进展

沼气增温技术是对现有沼气设备及其相关环境进行热量补充的技术[2]，研究角度涵盖加热方式、增温热源、运行措施等多个方面。

1.1 加热方式

目前沼气工程常用的加热方式主要有两种[2]，一种是在发酵罐体内或发酵罐外侧壁设置加热盘管，在发酵罐内的加热盘管一般布置于发酵罐底部或立于内侧壁，也可以是底部和内侧壁组合加热；另外一种是在发酵反应器外间接加热，即通过水-发酵料液换热器加热发酵料液，补偿发酵反应器壳体及管道的热损失。

研究表明，发酵罐内任一加热方式的发酵料液温度场稳定性、加热的热效率均优于发酵罐外侧壁加热方式；发酵罐内底部加热是较佳的加热方式，其发酵料液温度场分布最稳定，温度场随时间变化的波动最小[3]。在实际运行过程中，由于处理原料浓度高且具腐蚀性，加热盘管很容易结壳和腐锈漏水，造成加热效率低、能耗大、维修难度大等问题，增加工程的运行和维修成本。对此，研究者尝试进行了相关的优化设计，如在酸化罐与产气罐之间设置热交换器来替代常规发酵罐体内的加热盘管等[4]。

1.2 增温热源

沼气工程的增温热源可为煤炭、电等常规能源，也可为生物质、太阳能、自产沼气、地源热泵、沼气发电余热等可再生能源。热媒一般为热水和水蒸气。从现有的研究来看，太阳能加热增温、沼气发电余热增温、自产沼气加热增温、地源热泵加热增温等增温热源较受关注，煤炭、电力等常规能源方面的研究则相对欠缺。围绕这些增温热源开展的研究内容主要涉及技术原理及适应性、经济效益、能源效益以及环境影响等方面。有针对单一增温热源的系统性研究，也有针对若干增温热源的比较研究。研究结果显示[5-8]：一般而言，在各类增温热源中，发电余热增温、太阳能加热增温、地源热泵加热增温在能源投入产出、能源费用、环境影响等方面均优于电、煤炭等常规能源增温保温技术；沼气锅炉加热技术与煤炭锅炉加热技术相比优势不够明显，仅仅节约了少量的能耗。

1.2.1 煤炭、电

调查表明，目前国内沼气工程大多利用煤炭、电力等常规能源进行增温，这和利用煤炭、电力加热工艺好管理、易操作等特点不无关系。电加热增温最常用的是电加热膜增温工艺。电加热膜增温系统是运用电流通过金属导体发热的原理，将电能转化为热能为沼气池加热。该技术的显著优点是升温均匀、处理时间短、能量转换率高且不易受外界环境(地域和天气等)影响。由于电加热系统需消耗不少高品位的电能，其节能性及社会经济性并不佳[9]。与电热膜加热法相比，煤炭热水锅炉加热法更具有经济性，年能耗费用不到电热膜加热法的五分之一[5]，缺点是热能转化率低、污染大气等。

从现有的文献来看，针对煤炭、电力等常规增温热源的研究比较欠缺，这对推动煤炭、电力等常规能源加热方法的工艺改进研究十分不利。

1.2.2 生物质

生物质能加热沼气池增温技术在我国北方地区得到了广泛的应用，目前运用较多的主要有燃池增温、生物质锅炉加热等方式[10-11]。燃池增温技术多在我国东北地区推广，一般是在原有沼气池外围增建一个环形或半环形燃烧池，以锯末或农作物秸秆再加上一定配比的水为原料，可燃烧一个冬天，节能增温效果较为明显，但需要消耗大量秸秆、且污染严重，且多适用于户用型沼气。

采用生物质锅炉进行辅助增温在国内也比较常见，能起到节约化石能、多能互补的作用。如河北省沧州市青县耿官屯秸秆沼气集中供气工程即采用太阳能增温+生物质锅炉辅助增温技术，在一定程度上降低了冬季沼气工程增温对煤炭的使用量；陕西省洛川县旧县镇中学生态校园沼气工程采用生物质采暖炉加热增温系统。研究表明，该加热系统与热水烧煤式锅炉相比，经济性良好，环境效益和社会效益显著，比热水锅炉加热系统更经济实用[11]。生物质锅炉增温技术的缺点是热利用率不高、污染环境等。

1.2.3 太阳能

我国沼气池太阳能发生器加热系统研究在世界上处于较为领先的水平，受研究者关注较高，相关研究内容主要涉及太阳能加热沼气发酵系统参数获取[12]、太阳能双效增温沼气系统热平衡计算分析[13]、太阳能加热沼气反应装置[14-18]和温控系统设计[19]、工程应用[20-22]和效果评价[23-29]等。

与传统增温工艺相比，太阳能加热增温对沼气发酵过程可控性更好，无需开采和运输，既能满足沼气工程对温度的需求，又能节约传统化石能源，减少燃料对环境的污染，具有良好的环境效益、经济效益和社会效益[26-27]。其缺点是前期投入成本较高；存在较强的季节性，容易受天气状况影响，持久运行性较差；地区适应性方面也相对较差，适宜在太阳能辐射强度大的地区应用。当太阳能辐射强度低于临界辐射强度(如阴天或夜间)，池体内部温度降到设定温度下限时，则需要启动其他加热措施。位于哈尔滨地区的沼气工程试验研究显示[28-29]：平时采用太阳能单独供热即可，在天气最冷的4个月里(l月～2月，11月～12月)沼气工程系统则需要同时联合沼气锅炉或者电加热。太阳能联合加热的创新和改进很好地解决了太阳能增温工艺易受时间、天气影响等缺陷。即使在最冷的月份、阴雨天等太阳能不充分的时候，太阳能联合加热增温系统也能保证沼气工程正常产气，在适应性、节能性和运行持久性等方面具有明显优势。太阳能联合加热增温技术主要有太阳能—空气源热泵耦合式沼气池加温系统[30]、太阳能与生物质锅炉联合加热增温系统[31-32]、温室—太阳能热水器组合增温工艺[33]、太阳能—发电余热中温厌氧发酵增温系统[34]等。太阳能加热法与其他加热方式相结合的缺点是可能会增加设备的复杂度及初始投资[5]。此外，研究结果还显示，尽管在寒冷地区的冬季利用太阳能与生物质锅炉或者温室-太阳能热水器组合为大型沼气工程加热增温[31-32]可以保证正常产气，但由于受低温和进料时热量需求较大等因素的影响，却出现了沼气工程的耗能大于产能的不利情况。

1.2.4 沼气发电余热

沼气发电余热增温技术是在沼气热电联产工程中，利用发电机组冷却余热以及燃气内燃机所产生的高温尾气加热发酵料液。在无外部热量输入的情况下，回收的发电机余热一般大于沼气发酵系统维持恒温发酵所需的热量[35]。该技术是目前国内沼气工程研究领域的一大热点，相应的工艺研究有热电联产[36]、热电肥联产[37-41]、热电冷联产[42-43]等，工艺设计主要借鉴欧洲的研究成果，以大型沼气工程应用研究为主，在中小型沼气工程中的应用研究上也有一定体现[44]。

沼气发电余热利用是目前发展最快的一种加热技术[6],无论从经济效益、技术性能，还是地区适应性、运行持久性等方面都明显优于太阳能加热和沼气锅炉加热。完善的沼气发电余热回收系统设计使大型沼气发电工程运行中降低了附加能源的消耗，符合能源再循环利用的环保理念[45]。在成本和费用方面[6]，沼气锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热利用加热3种方式的投资比为2∶11.2∶1，沼气发电余热利用加热方式的年均费用仅为沼气锅炉加热和太阳能加热方式的60%和12%。

沼气发电余热能否满足沼气发酵系统的热量需求，与进料浓度、环境温度等均有一定的关系。汪国刚[35]等以万头猪场沼气发电工程为例，通过计算发现，当进料浓度大于6%时，即使环境温度低至-25℃，发电机回收的余热仍可满足沼气发酵系统的热量需求；进料浓度低于3%时，可利用的沼气总能量(电能+余热)将不能满足沼气发酵系统的热量需求，必须有外部热能(如锅炉等)输入，方能保证沼气发酵的恒温条件。

1.2.5 自产沼气

自产沼气加热是指锅炉以富裕沼气为燃料获得热水，通过热水循环向沼气发酵系统供热。自产沼气加热效率高，投资成本明显低于太阳能加热，但要高于沼气发电余热加热[6]。与煤炭锅炉加热技术相比，沼气锅炉加热技术仅仅节约了少量的能耗，却消耗了大量沼气，不利于沼气的产业化[5]。此外，由于受气温的影响，在没有其他外部热量输入的情况下，冬季沼气工程需要加热的时候产沼气少，夏季不需要加热的时候产沼气反而多。若按照冬季沼气需求进行工程设计，将使工程规模显著偏大，到夏季会有大量沼气剩余；反之，若按夏季沼气需求进行工程设计，将使工程规模显著偏小，在满足加热增温之余，很难满足供气需求。也即是说，单一利用自产沼气加热的方式对沼气工程进行冬季增温，很难实现沼气的周年均衡生产。国内研究表明，太阳能-沼气锅炉联合加热系统可弥补自产沼气加热在此方面的不足，该加热系统在北方严寒地区可行[28-29,46-48]。

1.2.6 地源热泵

除了煤炭、电力、太阳能、发电余热以及自产沼气等加热热源之外，研究者关注较多的还有地源热泵，研究内容主要涉及地源热泵式沼气池加温系统开发、沼气池内温度场分布特性[49-50]等。研究显示，地源热泵增温工艺具有高效、节能、环保等优点，可比燃煤锅炉加温方式节约15%左右的能源消耗[7]；缺点是成本和技术要求比较高，需要打地埋井及铺设地埋管，且不适用于全年都需要加热的高温发酵系统，另外还存在冬夏土体取(排)热不平衡、在不同地区会受地质水质局限等问题[51]，影响地源热泵系统长期稳定运行[52]。为此，研究者就地源热泵供热和制冷互补模式与太阳能—地源热泵多能互补模式的可行性[52]、太阳能—沼液余热式热泵高温厌氧发酵加温系统开发[51]等进行了跟进研究。总体而言，国内地源热泵加热技术尚处于初步研究阶段[9]。

1.3 工程运行措施

通过原料堆沤增温等原料预处理措施以及提高料液浓度、沼液余热回收等运行措施也可以有效增加料液温度。

研究显示，沼气发酵原料在入池前进行堆沤预处理，能起到促进发酵细菌的分解和繁殖、减缓酸化、提高发酵原料温度、富集菌种的作用；冬季沼气池通过及时补料，使沼气池浓度提高15%左右，即可达到多产气的目的[53]。例如，河南安阳县永和乡西街村秸秆沼气工程的调研，冬季采用锅炉加温和提高料液浓度相结合的办法(原料为玉米秸、麦糠、豆腐水和猪粪，冬季进料量比夏季加大1/3左右)效果较好，既降低了锅炉加热所需的能量投入，又保证了沼气工程在冬季的产气率；此外，余热回收技术可有效降低高温发酵沼气工程的增温能耗、提高净产气率[54]，是1种行之有效的增温措施。但值得注意的是，由于高温发酵带来高产气量的同时还会导致高加热负荷，在运营过程中加热成本增高，高温发酵的沼气工程在国内还不够普及。目前国内沼气工程大多数使用常温或中温厌氧技术，余热回收技术的发展空间暂时较为有限。

2 北方地区沼气工程冬季保温技术研究进展

国内沼气工程广泛采用聚氨酯制品等保温材料进行保温。此外，太阳能温室保温、挖环形沟保温等技术措施也较为常见。

2.1 保温材料

在北方地区，使用保温材料对厌氧消化罐、工艺管道、阀门、池体以及储气柜等设施进行保温处理是十分必要的。试验表明，在沼气池池壁中填充80 mm左右的保温材料，可使1个冬季的沼气产量提高3倍左右[55]。即使是在我国广大北方地区的最冷月，使用保温材料进行保温，配合加热盘管、伴热、水域等加温装置，也能保证厌氧菌的活性及产气率[56]。目前，有关保温材料的研究主要涉及保温材料种类、保温层厚度等内容，重点就各类保温材料的性能及成本、如何确定适宜的保温层厚度等进行了评价和探索，研究方向主要聚焦于如何能够更加节能、高效、环保[7]。

国内的沼气工程中，常用的保温材料品种有聚氨酯制品、膨胀聚苯板(膨胀型聚苯乙烯泡沫塑料，EPS)、岩棉、挤塑聚苯板(连续挤出型聚苯乙烯泡沫塑料，XPS)、聚氯乙烯、酚醛树脂、复合硅酸盐泡沫棉、硅酸铝制品等[9,56-60]。综合考虑保温效果、使用寿命、吸水率(性)以及耐冷热性能等多种因素而言，聚氨酯性能最优，沼气工程增温保温所需能耗最小，该种材料已在发达国家建筑保温领域占据主导地位[59]，但价格偏高；挤塑聚苯板在综合性能和价格方面比较适中；膨胀聚苯板和保温岩棉价格较低[10]，保温工艺成熟，但膨胀聚苯板在综合性能方面与聚氨酯和挤塑聚苯板相比相对较差，且其易燃，在安装时容易发生火灾。保温岩棉的缺点是对人体刺激较大，威胁安装人员健康，国家已限制其生产。国内很多厂家用环保型保温岩棉替代旧式岩棉，但成本偏高。目前，我国大中型沼气工程中的厌氧罐保温材料多采用保温岩棉或膨胀聚苯板[56]，而工艺管道、阀门等设施通常使用的保温材料有聚氨酯制品、岩棉制品、硅酸铝制品、聚乙烯制品等。实验表明，与聚氨酯和硅酸铝制品相比，复合硅酸盐泡沫棉的保温性能较差，沼气工程增温保温所需能耗较大；硅酸铝制品的保温性能和沼气工程增温保温所需能耗介于聚氨酯与复合硅酸盐泡沫棉二者之间[60]。

除保温材料种类以外，保温层厚度也是影响冬季沼气工程运行的重要因素。而且，现有研究表明，在对沼气工程高效升温保温的影响度方面，保温层厚度的重要性要大于保温层材料种类[60]。关于保温材料厚度，目前还缺乏科学的计算标准和计算体系，现有的研究多是针对不同保温厚度的对比试验或者是进行简单的计算[57,61]。通常认为，相同条件下，保温层越厚，沼气池体散热越小，保温层厚度越厚所需能耗越低，加温系统造价和运行费用也就越低。但厚度加大，保温材料的投资费用也会增加。在考虑保温材料投资和加温系统运行费用2个因素的基础上，研究者折算出生命周期内“年计算费用”为最小值时的保温层厚度，即“经济保温层厚度”，进而利用费用年值法建立关于经济保温层厚度的数学模型，通过将其应用到工程实例，得到经济保温层厚度简化计算公式。研究以上海地区的气候为前提，计算出沼气池的经济保温层厚度为50～70 mm。同时得到当热泵年均性能系数(coefficient of performance，COP)为3.5时，膨胀聚苯乙烯、挤塑聚苯乙烯、酚醛树脂、聚氨酯、聚氯乙烯5种保温材料所对应的经济保温层厚度分别为92，63，54，48和46 mm[57]。以上计算结果均低于罗光辉[61]等通过简单的热力学公式计算得出的15 mm的保温层厚度。而熊昌国[60]等则通过对影响沼气工程升温保温的环境温度、发酵料液温度、保温层厚度、保温材料种类和加热方式这5个因素对沼气工程高效升温保温的影响顺序和影响效果进行分析后指出，无论何种环境温度、中温发酵工艺、罐内底部加热方式，发酵罐保温层厚度200 mm、保温材料聚氨酯发泡层的工程参数配置是农业沼气工程推广应用的较佳方案，可以得到农业沼气生产较高的净能产量[60]。

未来，在保温材料的选择上，应充分考虑其保温效果与成本之间的关系，根据不同地区的实际情况选择适宜的保温材料及保温层厚度。

2.2 太阳能温室大棚

在沼气工程保温研究方面，除保温材料应用研究外，最有实用价值的是日光温室保温研究。国内在此方面已有不少的研究成果。研究结果显示，大棚保温具有较好的集热效果，能使沼气工程系统在冬季的能耗大大降低，明显提高系统的能效比，而且投资较低，是一项廉价的保温技术措施[11,62-66]，这与笔者在安阳林州市永鑫畜禽粪便沼气工程(总发酵池容1200 m3)的跟踪调研结果一致。实地观测数据分析表明，在利用大棚保温的情况下，该沼气工程冬季加热两天即可维持一周的发酵温度，与未加大棚、每天加热的同等规模的沼气工程相比，每年可节约煤炭6吨左右。

2.3 其他保温技术

沼气工程中还有其他一些常用的保温措施，如挖防寒沟、将整个沼气发酵系统埋在地下等，这些技术可以减少热量散失，延缓料液降温的速度，但对于长达数月的寒冷冬季来说收效甚微，必须配套相应的增温措施才能保证冬季沼气工程持续稳定运行。

3 小结与未来展望

3.1 小结

(1)我国北方地区沼气工程常用的增温加热方式主要有两种，即在发酵罐体内或发酵罐外侧壁设置加热盘管，或者是在发酵反应器外间接加热。

(2)沼气工程增温热源主要包括煤炭、电、生物质、太阳能、自产沼气、地源热泵、沼气发电余热等。其中，太阳能加热增温、沼气发电余热增温、自产沼气加热增温、地源热泵加热增温等增温热源研究相对较多，煤炭、电力等常规能源研究较少。各类增温热源方面的研究涵盖技术原理、适应性、经济效益、能源效益以及环境影响等多个方面。研究表明，发电余热增温、太阳能加热增温、地源热泵加热增温在能源投入产出、能源费用、环境影响等方面均优于电、煤炭等常规能源增温保温技术，沼气锅炉加热技术与煤炭锅炉加热技术相比优势不够明显，仅仅节约了少量的能耗。

(3)原料堆沤增温、提高料液浓度、沼液余热回收等运行措施也可以有效增加料液温度，是行之有效的沼气工程冬季增温措施。

(4)常用的保温技术包括使用保温材料、建太阳能温室大棚、挖防寒沟、将整个沼气发酵系统埋在地下等措施。现有关保温材料的研究主要涉及保温材料种类、保温层厚度等内容，重点就各类保温材料的性能及成本、适宜的保温层厚度等进行了评价和探索，研究方向主要聚焦于如何能够更加节能、高效、环保。太阳能温室大棚保温具有较好的集热效果，国内相关研究内容较为丰富。

3.2 未来展望

综合本研究相关结论，未来我国北方地区沼气工程发展的方向主要有以下几个方面：

(1)针对煤炭加热增温和电加热增温工艺在实际应用中最为普遍而相关研究却较为欠缺的情况，今后应加强煤炭、电加热增温能耗报酬、工艺改进方面的研究。

(2)随着国家大力实行“节能减排，低碳经济”政策，沼气工程增温保温能源投入产出效率问题必将成为今后的重点研究方向之一。通过对各种增温保温工艺进行能源边际报酬变化规律、能源投入产出率变化规律等方面的研究，将为我国北方地区沼气工程冬季增温保温工艺优化和技术改进提供可靠的科学依据，推动我国北方地区沼气工程持续健康发展。

(3)低能耗型沼气工程增温保温工艺将持续得到关注、研发和推广。如开发新型保温材料，增加保温大棚，管路采用地埋方式，利用料液高效循环加温，冬季适当加大料液浓度等，力求在低能耗、低污染的前提下，有效保障北方地区冬季沼气工程的正常运转，提高净产气率。

(4)开发和利用多能互补模式对沼气工程进行增温保温仍是今后重要的研究方向。多能互补模式可有效解决单一能源加热存在的缺陷和弊端。如太阳能联合锅炉加温模式既能解决太阳能受季节、气候限制的问题，又能有效地降低锅炉加热用能。

(5)在气温比较适宜、增温保温条件相对较好的地方大力发展沼气工程，在不适宜发展沼气的寒冷地区提倡发展沼气互补性能源，如开发秸秆固化致密成型燃料，发展秸秆气化工程等。

4 结语

我国的各类沼气工程建设，不仅成为生物质新能源开发利用的重要实践途径，而且成为农业有机废弃物资源化利用和无害化处理的有效方式，对国家节能减排战略的实施发挥着重要的作用。我国北方寒冷地区在发展沼气工程的过程中，积累了大量的宝贵经验，在沼气工程冬季增温保温技术等方面取得了可喜的进展。未来我国北方地区沼气工程发展方面的研究将更加注重对沼气工程增温保温能源投入产出边际效率问题的研究；将在遵循区域适宜性原则的基础上，借鉴国内外成功经验，重点推广和研发低能耗型增温保温工艺；还将加大对煤炭加热、电加热等传统工艺的研究，推进工艺改进，减少不可再生能源的使用；重视开发和利用多能互补模式等，促进北方地区沼气工程可持续发展。

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Research Progress and Prospect on Heat Insulation and Temperature Increasing Technology for Biogas Project in Winter of Northern China /

WANG Ya-jing, ZHANG Chi, GAO Chun-yu, WANG Hong-yan, WANG Lei, SUN Ning, BI Yu-yun /

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

The temperature raising and maintaining technologies in winter play a vital part in biogas project. This paper, from the aspects of temperature raising approach, source of heat and project operation measures, reviewed the developments attained in the technology research for winter time of northern China, and discussed the insulation material, solar greenhouse, and other thermal insulation technologies. In the final part, the paper proposed that, in the field of temperature raising and maintaining, the emphasis should be put on the research of the marginal efficiency of energy input-output, low energy consumption technology, traditional technology utilizing electric and coal, multi-energy supplementary technology, etc.

northern China; biogas project; temperature raising and maintaining

2016-03-30

2016-07-05

项目来源： 国家自然科学基金项目(41301626)

王亚静(1979-)，女，副研究员，主要研究方向为农业废弃物资源利用，E-mail：wangyajing@caas.cn 通信作者： 毕于运，E-mail：biyuyun@caas.cn

S216.4

B

1000-1166(2017)03-0093-07