张重 张蕾蕾 邢向欣 张苏
摘要:本课题针对现有的沼气设施冬、春季增温、保温技术还很不完善,不能保证冬季稳定、低能耗运行等问题,研究一种寒区大中型沼气工程的增保温技术。本课题研究的一种寒区大中型沼气工程的增保温系统,包括太阳能集热装置、沼气锅炉、循环泵(连时控开关)、膨胀水箱、反应器内导气管、加热管、黑色柔性膜、蓄热换热水箱、阳光板温室、聚氨酯发泡层、保温被、曝气管、罗茨风机。本系统可以保证菌种冬季发酵的正常温度,使得东北地区在寒冷的冬季也可很好地处理畜禽粪便和农作物秸秆等农业有机物固体废弃物,同时生产沼气和绿色有机肥。
关键词:沼气工程;寒区;增保温
0 引言
我省农业有机固体废弃物资源丰富,处理和利用现状不好,污染严重;同时,又面临农村一次能源短缺的现状亟待解决。研制四季平稳产气高效、低成本沼气装置,可以促进畜禽粪便、秸秆等农业有机废弃物的无害化处理与资源化利用,消除粪便、秸秆对地表水、地下水、大气环境污染以及微生物污染,提高农村及城市生活和环境质量。
现有的沼气设施冬、春季增温、保温技术还很不完善,不能保证冬季稳定、低能耗运行。户用沼气池多采用地埋式水泥池,没有加热装置,冬季由于地温吸热,池温往往很低,常常出现产气率低或不产气现象,运行不稳定;大中型沼气工程均采用常规沼气技术,耗能非常高,如黑龙江省海林农场刚刚投入运行的沼气装置,是第一个在东北地区冬季能够运行的、投入生产的大中型沼气装置,采用全钢混结构,高温发酵,总反应体积1900m3,平均产气率为0.6 m3/(m3·d),其增温方式是锅炉蒸汽加热,需消耗较多燃料,即使炎热的夏季也需消耗大量的燃料,日耗能大,投資较多。
本课题针对现有的沼气设施冬、春季增温、保温技术还很不完善,不能保证冬季稳定、低能耗运行等问题,研究一种寒区大中型沼气工程的增保温技术。
1 增保温系统结构
本课题研究的一种寒区大中型沼气工程的增保温系统,包括太阳能集热装置、沼气锅炉、循环泵(连时控开关)、膨胀水箱、反应器内导气管、加热管、黑色柔性膜、蓄热换热水箱、阳光板温室、聚氨酯发泡层、保温被、曝气管、罗茨风机。太阳能集热装置的进水口通过PPR管与循环泵的出水口连接,出水口通过PPR管与蓄热换热水箱连接;沼气锅炉与反应器排气口连接,同时连接在太阳能集热装置-蓄热换热水箱的水循环回路中;循环泵的进水口通过PPR管与蓄热换热水箱连接,出水口与太阳能集热装置连接;膨胀水箱放置在发酵反应器内的最内侧墙上,与太阳能集热装置的出水管连接;加热管与蓄热换热水箱连接,呈“S”形布置在反应器内侧面墙上;蓄热换热水箱与反应器内加热管连接,放置在反应器地面的凹槽内,水箱上表明与反应器地面平齐;反应器内导气管位于发酵反应器的顶部墙上,连通了黑色柔性膜下的储气空间与发酵反应器空间;黑色柔性膜覆盖在反应器顶部墙面上,柔性膜四周通过液涨管与C形槽实现对反应器的密封;阳光板温室建于反应器外部上方,顶部呈拱形;聚氨酯发泡层固化成形在反应器内侧墙和顶部内侧墙上;曝气管位于蓄热换热水箱之间的凹反应器内,与反应器排气口和罗茨风机连接;保温被紧贴并铺垫在阳光板温室内部墙面和棚顶部。
1-太阳能集热装置、2-沼气锅炉、3-循环泵(连时控开关)、4-膨胀水箱 、5-反应器内导气管、6-加热管、7-黑色柔性膜、8-蓄热换热水箱、9-阳光板温室、10-聚氨酯发泡层、11-曝气管、12-保温被、13-罗茨风机
2 太阳能集热器的设计
由于真空式太阳能集热器具有结构简单、实用和价廉,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,故选用真空式太阳能集热器为系统加热。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612.173MJ。
根据当地太阳能辐射参数(表1),可以计算出所需的太阳能集热器面积以及集热管数量。
所需太阳能集热器面积通过每天所需的热量负荷计算,公式如下:
式中:Q' ——所需太阳能供热量;
SS ——太阳能集热器面积m2;
η ——太阳能集热器的集热效率,%;
真空管太阳能集热器效率取75%,可以解得所需太阳能集热器面积SS为62.55 m2。本设计所用真空式太阳能集热器的真空管尺寸为直径58 mm,长度1800 mm,单根管安装后有效集热面积为O.1044 m2,通过计算反应器所需太阳能真空管600根。太阳能集热装置如图5-3所示。
3 蓄热换热水箱的设计
蓄热换热水箱的安装主要是储能增温,起到为发酵槽内物料持续增温传热的目的,确保反应器内保持相对稳定的厌氧发酵温度。系统中太阳能集热器收集的热量储存在蓄热换热水箱中的热媒中。蓄热换热水箱中的热水起到为物料增温的作用,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60℃,因此进入蓄热换热水箱的热水的温度也是60℃,设从蓄热换热水箱出来的水的温度为45℃。因此,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,其计算公式为:
式中:t4—太阳能集热器出水温度,即蓄热水箱入水温度,t4=60℃;
t3—太阳能集热器进水温度,即蓄热水箱出水温度,t3=45℃。
将参数带入公式计算可得:△tm=16.375℃
蓄热水箱的容积计算公式为
式中:v' ——蓄热水箱的容积,m3;
C ——水的比热,4.20×103 J/(kg·℃);
ρ——水的密度,kg/m3。
通过计算,求得蓄热水箱的容积为8.9m3。
反应器由两个单体发酵槽组成,单个发酵槽底部尺寸长11.5m、宽1.95m,两个发酵槽是相隔一定空间并排安放的,因此底部的蓄热水箱设计为两个分体式水箱,并串连连接,单个蓄热水箱设计尺寸为长11.5m、宽1.95m、高0.2m。蓄热换热水箱结构如图3。
4 增保温系统操作方法
步骤一:将太阳能集热装置、循环泵、加热管、蓄热换热水箱、膨胀水箱、沼气锅炉用PPR管连接,构成水循环回路;将曝气管和罗茨风机连接;
步骤二:往水循环回路中注水,直到水面达到膨胀水箱底面;
步骤三:将时控开关设定为循环泵每运转1h停转30min。根据太阳能管的水温和反应器内的料温来决定是否开启开关。如太阳能管内的水温比料温高出较多时,则在一段时间内开启开关,使循环水将太阳能管内的热量传递到加热管和蓄热换热水箱中,从而提高料温;如太阳能管内的水温比料温低(雨雪天、阴天),则不关闭开关,避免反应器内热量流失;
步骤四:进行好氧发酵阶段,每隔7~8h启动/关闭罗茨风机对发酵物料进行曝气,每次曝气时间25~30min,在曝氣过程中,空气通过进气管吸入,经罗茨风机输出到曝气管内,输出压力为60kPa,空气经曝气管通入发酵物料内,空气穿透料层,利用温度传感器测量料层温度,物料温度增至45~50℃后喷入沼液进行接种;
步骤五:产气阶段,每当环境温度低时,可用沼气锅炉沼气给水循环回路增温,另一方面用于养猪场及用户的热水供应。
5 本系统可达到的有益效果
第一,阳光板温室能够保证太阳光尽可能多的透入温室内,实现良好的增温效果。
第二,太阳能集热装置保证反应器的低耗能,和良好的增温效果。
第三,沼气锅炉可以在寒冷冬季燃烧反应器自身产生的沼气给水循环回路加热,节约了能源又能较好地保温。
第四,黑色柔性膜密封简单,可以直观地观察反应器的产气状况,同时可以很好地吸收太阳光的热量,提高反应器内的温度。
第五,反应器内部采用蓄热换热水箱和聚氨酯发泡保温等增保温措施,保证菌种冬季发酵的正常温度。
第六,反应器外部增设苯板保温,进一步增强保温效果,尽可能阻止热量流失。
第七,曝气管可以很好地利用反应器自身产生的沼气来疏通料堆,提高传热率。
6 结语
本系统可以保证菌种冬季发酵的正常温度,使得东北地区在寒冷的冬季也可很好地处理畜禽粪便和农作物秸秆等农业有机物固体废弃物,同时生产沼气和绿色有机肥。沼气可作为生产和生活用能,即可节约燃煤,又可减少排入大气污染物SO2、烟尘等;绿色有机肥出售给周边农民,用来种菜、种粮食,既可减少病虫害,改良土壤,又可生产绿色有机食品,为农民带来很好的经济效益;畜禽粪便、农作物秸秆等有机固体废弃物经有效处理后可大大减少其对地表水、地下水、大气环境的污染以及微生物污染等,提高农村及城市环境质量。
参考文献
[1] 陈博,王垂涨.新时代农村新能源环保开发研究[J].中国资源综合利用,2020,38(12):181-183.
[2] 赵会林,鲁新蕊.北方寒冷地区沼气池的应用与发展研究[J].东北水利水电,2019,37(5):67-68,70.