太阳能秸秆沼气系统的热性能分析及实验研究

刘昂 吕奇 陈静雯 姜宇鑫 刘杆辰 王新词

摘要：发展沼气作为解决我国农村能源短缺问题的重要政策，需要在适宜地区积极推广废弃物综合利用技术和可再生能源开发利用技术，目前我国常用的户用沼气池大多靠自然温度发酵，发醇温度随环境而变化，故其发酵效率、产气量不稳定，且在冬季由于发酵温度低而不产气或产气量很小，这已成为制约沼气技术推广的瓶颈。鉴于此，文章分析了一种太阳能秸秆沼气循环利用系统，对该系统的设计要点进行论述，并且就太阳能秸秆沼气系统的热性能进行了深入探讨，以供业内人士参考和借鉴。

关键字：太阳能;秸秆;沼气系统;热性能

0 引言

目前我国的沼气生产主要集中在农村，采用地下建造沼气池的方式生产沼气，发酵温度大都采用常湿发酵。随着一年四季气温的变化，池温变化较大，产气率的变化也大，这将严重影响人们稳定利用沼气的需要，尤其在冬季由于气温、地温比较低，原料分解率低，沼气的生产存在产气率低、使用率低和沼气使用综合效益差等问题，甚至在冬季会出现冻裂沼气池的现象，这种情况下若不加保温和加热措施，料液是无法正常发醇产生沼气的，同时我国农村地区秸秆等生物质能源虽然充足，但目前大部分都是直接用于燃烧处理，燃烧过程中会产生大量PM2.5和其他有害物质，这对环境造成了比较大的影响，对农村的生活环境不利。

1 太阳能秸秆沼气循环利用现状

当前在许多农村地区普遍使用的秸秆处理技术主要有以下几种，即利用秸秆作为固体成型燃料;对秸秆进行汽化炉处理;秸秆沼气消化技术，这三种处理技术中最具有可行性的处理技术为厌氧消化制沼气反应，采用这种处理技术能够降低能源损耗和环境污染，扩大生态环境效益与经济效益。但是运用太阳能沼气循环利用技术，具有较强的专业性，在加料一生产一使用过程中必须严格遵循专业技能知识的要求。近几年以来，我国的城镇化发展进程不断加快，众多青壮年劳动力纷纷进入城市务工，留下了许多老人孩子在农村生活，这些老人孩子缺少专业技术知识，操作能力较差，无法合理进行沼气的加料和生产流程，所以经常导致沼气池漏气以及产气不稳定等一系列问题。在冬季时期，无法正常运用沼气技术来进行产气，所以导致许多农民不愿意继续使用沼气，在农村地区应用秸秆太阳能沼气循环利用技术具有较大的局限性和阻碍。

2 太阳能秸秆沼气循环利用系统设计要点

2.1 设计思路分析

为了有效增加沼气产量，必须研发制作太阳能辅助地源热泵，利用地源热泵为沼气发酵池提供能量，并且需要为地源热泵搭配相应的输配管路;必须针对冬季或雨天这些太阳能供热不足的时期，不断实验研究地源热泵辅助供热运行的方式，这样才能使能源得到充分利用。对于太阳能辅助地源热泵的反应温度，可以运用PLC技术来进行合理控制，如果发酵池中的温度降低到一定水平时，需要及时开启热泵辅助加热设备，从而为发酵池提供热量;必须及时对沼气池的温度进行测量并记录，对于每次投入的原料量需要做好准确记录，然后运用湿式气体流量计来对沼气池产生的沼气量进行测量和记录，并且把沼气中的成份准确分析出来，只有通过一系列的计算和分析，才能把沼气装置的性能充分了解清楚，使其满足不同工况的运行需求;当发酵池中的秸秆进行厌氧发酵完成之后，需要及时把沼气输送到各个农户家中，或者用于沼气发电;在沼气产生之后，多余的沼液也可以用来种植农产品，残留的沼渣也可以用来种植双孢菇，提高双孢菇产量，使沼气资源得到循环再利用。

2.2 沼气循环利用技术的工艺流程

农村秸秆太阳能沼气循环利用技术对于改善农村生活环境，提升人们的生活质量起到重要作用，能够有效节约能源，实现废物再利用。具体的工艺流程主要包含了以下几个步骤，即对农作物秸秆进行粉碎;把粉碎之后的农作物秸秆投入到太阳能沼气池进行发酵;太阳能沼气池产生沼气、沼渣和沼液;沼气用于居民的生活燃料和发电，多余的热量也可以用来粉碎秸秆或继续提供给沼气池;沼渣用来培育双孢菇，双孢菇产品出口，获取大量的经济效益，双孢菇残渣培育有机农产品;渣液用来培育有机农产品;当有机农产品生长成熟之后，秸秆可以重新用于生产太阳能沼气，这一系列过程就是秸秆太阳能沼气循环利用技术的工艺流程。

3 太阳能秸秆沼气系统的热性能分析

本次研究通过分析太阳能秸稈沼气系统在某地区的实际应用情况，分析该系统的热利用情况，详细如下：太阳能秸秆沼气系统中，太阳能包括光热、光伏两部分，所收集的太阳能以水作为载热介质，逐级进入相变蓄热水箱、产气罐、中温水箱，并循环利用，同时光伏发电装置所生产的电能还可为相变蓄热水箱中的石蜡层补热。系统的输入能量包括太阳集热器所吸收的太阳辐射能以及所耗的电能，其中太阳集热器所吸收的太阳辐射能以集热水箱内部热水的内能增量表现出来，所耗的电能一部分用于加热集热水箱，使集热水温继续升至58℃，另一部分用于补充石蜡的潜热及水泵等装置运行所耗电能，该地区冬季平均每日输入热量如下：

上述公式中，表示集热水箱内部热水内能增量（仅依靠光热）;表示耗电电能。集热水箱内部热水的内能增量以典型工况日集热数据为依据，同时已知供热周期内系统平均每日耗电3.37kWh，代入相关数值得到冬季平均每日输入热量为453620.通常调查显示，该地区冬季平均每日的产气罐热负荷为19196kJ，可得出冬季太阳能秸秆沼气系统热利用效率为42.3%，进一步提高热利用效率的主要途径有集热子系统所集热量与产气罐热负荷尚需进一步优化匹配;加热盘管的传热系数仍有进一步提高的空间;减小传热介质在管道中热损。

结束语

综上所述，在农村地区采用秸秆太阳能沼气循环利用技术，能够有效改善农村生活环境，生产大量的有机绿色蔬菜，促进现代化农业经济循环发展，创造大量的经济效益。

参考文献：

[1]汪楚乔.农村废弃生物质太阳能辅热中温两相蜒氧产沼技术研究[D].东南大学，2017.