項(xiàng)陽陽，高正陽，李仕平，歐煒，黃哲平，薛圓圓

（華北電力大學(xué)，能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北保定071000）

　　摘要：沼氣是一種清潔、綠色能源，溫度是保證高效生產(chǎn)沼氣的關(guān)鍵條件之一。該文對比分析了幾種沼氣生產(chǎn)增溫技術(shù)，建立了一個(gè)8m³的沼氣池模型，對模型的熱平衡及幾種加熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析和計(jì)算，結(jié)果表明：太陽能熱水器水循環(huán)沼氣池加熱系統(tǒng)更為經(jīng)濟(jì)有效。

　　我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村人口約占全國人口的70%，其消費(fèi)的能源中絕大多數(shù)屬于生活用能，每人每年的能源消耗量雖然比較少，但消耗的能源量相當(dāng)于369.5kg標(biāo)準(zhǔn)煤^[1]。長期以來，農(nóng)村以薪柴和木炭為主要能源，許多地區(qū)出現(xiàn)木柴消耗速度超過林木生長速度，森林植被受到大面積破壞，加速了土地生產(chǎn)能力下降，甚至導(dǎo)致土地沙漠化。再者，燃燒薪柴木炭能源利用率極低，燃燒煙氣會(huì)給大氣造成嚴(yán)重污染，破壞農(nóng)村生活環(huán)境。

　　沼氣是一種清潔便捷的綠色能源，其主要成分是CH₄，燃用1個(gè)單位的CH4氣體，可減排21個(gè)單位的CO₂^[2]。沼氣在提供清潔能源的同時(shí)，能夠緩解我國能源與環(huán)境壓力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。我國北方地區(qū)是農(nóng)作物秸稈及畜牧業(yè)禽畜糞污等生物質(zhì)能源主要產(chǎn)地，具有開發(fā)沼氣的巨大潛力。

　　溫度是保持高效產(chǎn)氣的關(guān)鍵^[2]，因此，采用升溫保溫技術(shù)控制沼氣池溫度非常重要。目前已開發(fā)出太陽能熱水器水循環(huán)加熱、鍋爐水循環(huán)升溫及電加熱膜增溫等技術(shù)，且得到廣泛應(yīng)用。但是對于沼氣池溫度低的主要原因及加熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性尚缺理論分析。本文在對1個(gè)8m³沼氣池模型進(jìn)行熱平衡分析的基礎(chǔ)上，探討了造成沼氣池低溫的主要原因，分析了幾種加熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

　　1溫度對沼氣發(fā)酵的影響分析

　　適宜的溫度是沼氣發(fā)酵的重要外部條件。根據(jù)反應(yīng)所處的溫度不同，沼氣發(fā)酵可分為常溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵，如表1。

　　研究表明，在15～40℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高產(chǎn)氣率相應(yīng)地增高，溫度每上升10℃，反應(yīng)速率約增加2～3倍^[3]。也就是說，同一種發(fā)酵原料在35℃的條件下發(fā)酵一個(gè)月相當(dāng)于15℃條件下發(fā)酵6～9個(gè)月的產(chǎn)氣量。不同發(fā)酵溫度的產(chǎn)氣率（m³/（m³·d））與溫度（℃）的關(guān)系如圖1所示：

　　當(dāng)沼氣發(fā)酵溫度低于10℃時(shí)，微生物進(jìn)入休眠，產(chǎn)氣量少，沼氣則根本無法正常使用。另外，溫度的波動(dòng)也對產(chǎn)氣率影響很大。例如在恒溫發(fā)酵過程中，1h的溫度上下波動(dòng)不能超過2～3℃，短時(shí)間內(nèi)溫度升降5℃，產(chǎn)氣量將明顯下降，波動(dòng)過大時(shí)甚至?xí)Ｖ巩a(chǎn)氣^[4]。因此，保持適宜穩(wěn)定的沼氣發(fā)酵溫度，才能維持較高的產(chǎn)氣率。

　　2常用的沼氣發(fā)酵溫度控制技術(shù)

　　為解決我國北方農(nóng)村冬季低溫嚴(yán)重影響沼氣生產(chǎn)的問題，近年來，人們對如何提高及控制沼氣池反應(yīng)溫度，因地制宜進(jìn)行了研發(fā)和實(shí)踐，推出了不少增溫控溫技術(shù)。筆者就目前應(yīng)用較為廣泛的幾種沼氣發(fā)酵增溫控溫技術(shù)介紹如下：

　　2.1電加熱膜 增溫保溫系統(tǒng)電加熱膜增溫保溫系統(tǒng)是運(yùn)用電流通過金屬導(dǎo)體發(fā)熱的原理，將電能轉(zhuǎn)化為熱能為沼氣池加熱。沼氣池電加熱系統(tǒng)由于金屬導(dǎo)體的材料、結(jié)構(gòu)不同而形式多樣，這里介紹一種電加熱膜為沼氣池加熱升溫的系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)即在沼氣池的外壁上包覆一層電加熱膜，在電加熱膜的外層敷設(shè)具有一定厚度的苯板或聚氨酯泡沫，對整個(gè)沼氣池加熱系統(tǒng)進(jìn)行保溫。該技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是升溫均勻、處理時(shí)間短、能量轉(zhuǎn)換率高且不易受外界環(huán)境（地域和天氣等）影響，一定程度上解決了沼氣池在冬季的加熱和保溫問題。然而由于電加熱系統(tǒng)需消耗不少高品位的電能，其節(jié)能性及社會(huì)經(jīng)濟(jì)性并不佳。

　　2.2鍋爐水循環(huán)沼氣池 增溫系統(tǒng)鍋爐水循環(huán)加熱沼氣池技術(shù)原理為由燃料在鍋爐中燃燒釋放大量熱能來加熱循環(huán)水，熱水通過循環(huán)管路送到與沼氣池結(jié)合為一體的換熱器中，換熱器則將熱水中熱能傳遞到沼氣發(fā)酵的液料中，實(shí)現(xiàn)沼氣池反應(yīng)溫度的提升。鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)主要由小型熱水鍋爐、貯熱水箱、熱交換器、循環(huán)管路及系統(tǒng)補(bǔ)水裝置等構(gòu)成。常見戶用鍋爐多以AⅡ煤或天然氣作為燃料，熱水鍋爐的局部結(jié)構(gòu)因燃料不同而略有差異，但整體鍋爐水循環(huán)加熱沼氣池的原理及基本結(jié)構(gòu)是一致的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

　　2.3太陽能熱水器水循環(huán)沼氣池 增溫系統(tǒng)太陽能熱水器水循環(huán)加熱系統(tǒng)主要有太陽能熱水器、換熱器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、循環(huán)水泵以及其它輔助部件組成。該加熱系統(tǒng)采用太陽能熱水器作為主要的加熱部件，并通過循環(huán)管路將熱水輸送到沼氣池的換熱器，換熱器向沼氣池中沼液放熱，提高和保持沼氣池的溫度，從而提高沼氣的產(chǎn)氣量。系統(tǒng)工作原理如圖3所示：

　　采用太陽能熱水器水循環(huán)沼氣池升溫系統(tǒng)后沼氣池在冬天的產(chǎn)氣量能提高5～6倍，由溫度傳感器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化控制，方便高效，且太陽能作為加熱熱源，具有較為理想的社會(huì)性和節(jié)能性。由于太陽能利用受天氣影響較大，使其推廣有一定的局限性。為彌補(bǔ)這一缺限，目前已經(jīng)開發(fā)出太陽能－沼氣鍋爐及太陽能－生物質(zhì)爐等聯(lián)合沼氣池升溫系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性，成效顯著，頗具推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　3沼氣池的熱量平衡建模

　　3.1研究對象及參數(shù)本文研究的對象是我國北方農(nóng)村戶用沼氣池，一般一個(gè)8m³的沼氣池所產(chǎn)沼氣能夠滿足一個(gè)5口之家農(nóng)戶的生活用氣。筆者以一個(gè)8m³的圓筒形沼氣池作為計(jì)算對象，沼氣池直徑2.4m，高1.77m，池底距地面2m。假定該模型處于河北省保定市某一農(nóng)村，根據(jù)中國氣象科學(xué)共享氣象數(shù)據(jù)，保定市地面溫度和地深1m深處溫度全年變化情況如圖4：

　　式中G為生產(chǎn)沼氣的價(jià)值（元/m³）；qzq為沼氣的熱值，取23901.1kJ/kg；V為加熱裝置運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的沼氣產(chǎn)量，即1152m³；q為天然氣的熱值，取35982.5kJ/m³；D為天然氣價(jià)格，取2010年北京天然氣價(jià)格，即2.3元/m³。經(jīng)計(jì)算，加熱裝置運(yùn)行期間產(chǎn)生的沼氣價(jià)值為1759.97元。

　　根據(jù)熱平衡計(jì)算結(jié)果，在加熱裝置供熱期間總的熱負(fù)荷為4050773.97kJ。電加熱法大約需要耗電4050773.97÷3600=1125.215kW·h，按市場價(jià)格折算為1125.215ⅹ0.48=540.103元；鍋爐水循環(huán)加熱法需要燃燒AⅡ類煤（優(yōu)質(zhì)炭）4050773.97÷15664.7=258.592kg，按市場價(jià)格折算為258.5920.85=219.804元；需要消耗天然氣4050773.97÷35982.5=112.577m3，按市場價(jià)格折算為112.5772.3=258.925元。

　　上述分析中設(shè)定幾種沼氣池升溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間均為每年6個(gè)月，又設(shè)定系統(tǒng)使用壽命為20a，針對不同的加熱方案，就其成本、運(yùn)行費(fèi)用、產(chǎn)出效益等指標(biāo)逐一進(jìn)行分析比較，具體結(jié)果整理如表4：

　　分析表4中數(shù)據(jù)，太陽能熱水器水循環(huán)升溫系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t水循環(huán)升溫系統(tǒng)、燃煤鍋爐水循環(huán)升溫系統(tǒng)及電加熱膜增溫保溫系統(tǒng)的產(chǎn)出效益比為1.375∶1.176：1.211∶1，顯然采用太陽能熱水器水循環(huán)升溫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最高。

　　5結(jié)論

　　（1）建立1個(gè)8m³的沼氣池模型，設(shè)定參數(shù)并對模型進(jìn)行熱平衡分析。

　?。?）散熱損失是造成沼氣池溫度低的關(guān)鍵原因，因此對沼氣池采取有效的保溫措施十分必要。

　?。?）1～3月、10～12月的熱損失率為62%，在這6個(gè)月中需要對沼氣池加熱升溫以保證正常產(chǎn)氣，在4～9月則可不需要加熱。

　?。?）太陽能熱水器水循環(huán)、燃?xì)忮仩t水循環(huán)、燃煤鍋爐水循環(huán)及電加熱膜增溫系統(tǒng)的產(chǎn)出效益比為1.375∶1.176∶1.211∶1，因此采用太陽能熱水器水循環(huán)升溫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最高。

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