畜禽粪便高浓度厌氧发酵反应器增保温设计

张蕾蕾　张重　袁存亮　丁伟

摘 要：为解决北方寒冷地区沼气工程的越冬生产问题，本文以一个总反应体积300m3的沼气示范工程建设为例，通过采取岩棉和聚氨酯发泡保温，以及利用太阳能集热器集热并通过反应器底部蓄热换热水箱蓄能增温的方式，来保证厌氧反应器在中温条件下稳定生产运行，同时通过热平衡分析，计算了维持反应器中温厌氧发酵所需要的太阳能集热器面积以及反应器底部蓄热换热水箱的容积，为沼气示范工程建设提供可靠的理论依据。

关键词：沼气;高浓度;反应器;增保温

中图分类号：S23 文献标识码：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201015017

随着沼气综合利用技术的不断发展，国内外规模化大中型沼气工程日益增多，尤其是高浓度物料中温厌氧发酵逐渐成为规模化沼气工程发展的趋势，温度是影响厌氧发酵的关键因素之一，由于北方地区冬季气温较低，要想保证沼气中温厌氧发酵工程常年稳定运行生产沼气，需采取必要的增温和保温措施，使反应器内发酵料液的温度不受外界环境气温的影响而保持相对稳定。为减少沼气生产过程中物料热量散失，节约耗能，设计厌氧反应器外部整体聚氨酯发泡保温，利用聚氨酯优良的保温隔热效果对厌氧反应器进行保温，反应器底部铺设岩棉保温，从而实现良好的保温作用。同时，为了维持反应器内发酵物料温度稳定，采取太阳能集热增温的方式，利用太阳能集热器进行热能的收集和传送，由集热器内的热水通过蓄热换热水箱对反应器内发酵料液传热增温。

本文通过设计实例，分析了冬季维持反应器中温厌氧发酵稳定运行所需要的热量，并通过热平衡分析，计算出所需的太阳能集热器面积以及蓄热换热水箱的容积，这样通过采取合理的增温和保温措施解决了反应器能量散失问题，促进沼气工程的稳定运行。

1 研究实例

畜禽粪便高浓度厌氧发酵反应器，立式圆柱罐体结构。总反应体积：300m3;日进料量：8.5m3·d-1;总固体物（TS）浓度：15%左右;发酵温度：35±2℃;水力停留时间HRT：28d;罐体尺寸：φ10.2m×3.75m，锥顶高度：1.3m;建筑结构：钢结构;保温材料：罐体底部巖棉保温，侧壁及锥形顶面聚氨酯发泡保温，做到处处密合，不留间隙。

2 热平衡分析计算

对于沼气厌氧发酵工程来说，根据能量守恒定律，反应器散失的热量和加热所需的热量应相等，才能保证厌氧发酵温度恒定。反应器每天的热量损失主要包括厌氧反应器散失的热量，以及每天新加入物料升温所需的热量。

2.1 厌氧反应器散失的热量计算

通过反应器结构损失的热量按多层热传导来计算，计算公式[1]：

式中，Q1为反应器单位时间散失的热量，J·s-1;Q底为单位时间通过反应器罐体底部散失的热量，J·s-1;Q侧为单位时间通过反应器罐体侧壁散失的热量，J·s-1;Q顶为单位时间通过反应器罐体顶面散失的热量，J·s-1;A1为底部传热面积，为81.67m2;A2为侧壁传热面积，为120.1m2;A3为顶部传热面积，为84.28m2;T0为反应器内发酵物料厌氧期内平均温度，取35℃;T1为环境最低气温，取-25℃;δ1为反应器底部、侧壁钢质槽体厚度，为0.008m;δ2为聚氨酯保温层厚度，为0.12m;δ3为沼气层厚度，按0.65m计算;δ4为罐体底部岩棉层厚度，为0.05m;δ5为锥形顶的钢质槽体厚度，为0.006m;λ1为钢板导热系数，为45W·m·K-1;λ2为聚氨酯保温材料导热系数，为0.028W·m·K-1;λ3为沼气层导热系数，为0.05W·m·K-1;λ4为岩棉保温材料导热系数，为0.041W·m·K-1。其中，A1、A2、A3的值根据反应器的结构尺寸计算得到;T0、T1、δ1、δ2、δ3、δ4、δ5的值为设计值;λ1、λ2、λ3、λ4的值取自工程热力学、传热学等资料[2，3]规定的钢板材料、聚氨酯保温材料、沼气、岩棉保温材料的导热系数。

将各参数代入公式计算得出反应器单位时间散失的热量为Q1=5638.12J·s-1，那么24h反应器散失的总热量为487.13MJ。

2.2 反应器新加入物料升温所需的热量计算

反应器新加入物料升温所需热量计算公式[4]：

Q2=cm（t1-t2）（2）

式中，c为料液的比热容（新加入料液干物质浓度约为15%，略低于水的比热）取3.5kJ·kg·℃-1;m为每天新加入反应器的料液量（湿牛粪密度按0.9×103kg·m-3计，则m为7.65×103kg）;t1为反应器内部发酵料液温度，取35℃;t2为新加入料液的温度，取10℃。

计算得出：Q2=669375kJ=669.375MJ。则，厌氧反应器每天总的热量损失为：

Q总=Q1+Q2=487.13+669.375=1156.505MJ

即反应器1d中维持恒温发酵所需要的总热量。

3 太阳能集热器和蓄热换热水箱的工作原理及参数计算

蓄热换热水箱设置在反应器罐体的底部，利用太阳能集热器吸收太阳能热量，并将其储存在蓄热换热水箱中，通过蓄热换热水箱将热能传递给发酵物料，起到增温作用。蓄热换热水箱由于设置在反应器内底部，并设有岩棉保温层，水箱释放出的热量在反应器内部传递，热能损失少。同时由于蓄热换热水箱中的热能是逐步传递给物料的，对热能具有储存和缓冲传热的功能，有利于保障物料发酵温度稳定。

3.1 太阳能集热器面积计算

由于真空管式太阳能集热器具有结构简单、实用和价廉等特点，能够满足系统热性能需要，适合北方寒冷地区冬季使用等特点，故选用真空管式太阳能集热器为系统加热。上面通过厌氧反应器的热平衡分析，得到太阳能集热器每天需要提供的热量Q为1156.505MJ。所需太阳能集热器面积通过每天所需的热量负荷计算，公式[5]：

Q=AIηj1-ηs（3）

式中，A為集热器有效集热总面积，m2;Q为维持反应器恒温发酵每天需要的总热量，MJ;I为集热器采光面在当地的日平均太阳辐射强度，13.42MJ·m-2·d-1）;ηj为太阳能集热器平均集热效率，取0.58;ηs为管路及储水箱热损失率，取0.1。

计算求得所需太阳能集热器集热面积A为165.1m2。本设计所用真空管式太阳能集热器的真空管尺寸为直径58mm，长度1800mm，单根管安装后有效集热面积为O.1044m2，通过计算得出太阳能集热器所需太阳能真空管1581.4根，取整后确定需太阳能真空管1600根。

3.2 蓄热换热水箱容积的计算

系统中太阳能集热器收集来的热量储存在蓄热换热水箱中，蓄热换热水箱中的热水起到为发酵物料持续增温传热的作用，确保反应器内保持相对稳定的厌氧发酵温度。设物料温度维持恒定的35℃（t1），从太阳能集热器出来的热水的温度为65℃，若管路热量散失忽略不计，则进入蓄热换热水箱的热水的温度也是65℃，设从蓄热换热水箱出来的水的温度为45℃。

那么，在计算蓄热换热水箱的热流量时，必须采用整个传热面上的对数平均温差，其计算公式：

Δtm=t3-t1-t2-t1lnt3-t1t2-t1（4）

式中，t3为太阳能集热器出水温度，即蓄热换热水箱进水温度，t3=65℃;t2为太阳能集热器进水温度，即蓄热换热水箱出水温度，t2=45℃。将参数带入公式计算可得：Δtm=18.2℃。

蓄热换热水箱的容积计算公式：

v=QcρΔtm（5）

式中，v为蓄热换热水箱的容积，m3;Q为维持反应器恒温发酵每天需要的总热量，MJ;c为水的比热，4.20×103J/（kg·℃）;ρ为水的密度，kg·m-3。

通过计算，求得蓄热换热水箱的容积为15.13m3，该容积下的蓄热换热水箱可满足反应器的热能需求。

4 沼气锅炉加热系统辅助增温

由于北方寒冷地区冬季气候比较恶劣，因此可以为沼气发酵系统增设沼气锅炉加热系统，主要由沼气锅炉、循环泵、循环管路、蓄热换热水箱、膨胀水箱等构成，如遇连续阴雪天或极寒天气太阳能供热不足时，可以利用沼气锅炉燃烧部分沼气为发酵物料增温，对系统进行能量补偿，保证厌氧发酵正常产气。

5 结论

通过对总反应体积300m3沼气示范工程建设实例进行热平衡计算分析，确定了反应器在采取相应保温措施的条件下，维持反应器恒温厌氧发酵所需要的太阳能集热器面积和反应器罐体底部蓄热换热水箱容积的大小，为实际工程建设提供了可靠的理论依据。另外，在沼气工程增温上采用太阳能加热的方式具有安全、方便、经济效益高、节能和环保的优点，适合于太阳能资源比较丰富的地区使用，对于北方寒冷地区沼气工程的推广应用具有借鉴作用。

参考文献

[1] 韩捷，向欣，李想.干法发酵沼气工程无热源中温运行及效果[J].农业工程学报，2009（09）：215-219.

[2]戴锅生.传热学[M].第2版.北京：高等教育出版社，2003.

[3]严家禄.工程热力学[M].第3版.北京：高等教育出版社，2002.

[4]姚玉英，黄凤廉，陈常贵，等.化工原理（上册）[M].天津：天津大学出版社，2000：201-220.

[5]蒲小东，邓良伟，尹勇，等.大中型沼气工程不同加热方式的经济效益分析[J].农业工程学报，2010（07）：281-284.

（责任编辑 李媛媛）

收稿日期：2020-09-03

基金项目：吉林省科技发展计划项目（项目编号：20200403160SF）

作者简介：张蕾蕾（1981-），男，副研究员。研究方向：农业废弃物无害化处理及资源化利用。