太陽(yáng)能輔助加熱戶用沼氣池

摘 要

摘要：戶用沼氣是我國(guó)農(nóng)村能源的重要組成部分。本文針對(duì)北方寒冷地區(qū)冬季氣溫低、沼氣產(chǎn)氣少、利用率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了保溫沼氣池并結(jié)合家用太陽(yáng)能熱水器，提出了太陽(yáng)能輔助加熱戶
摘要：戶用沼氣是我國(guó)農(nóng)村能源的重要組成部分。本文針對(duì)北方寒冷地區(qū)冬季氣溫低、沼氣產(chǎn)氣少、利用率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了保溫沼氣池并結(jié)合家用太陽(yáng)能熱水器，提出了太陽(yáng)能輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)。利用現(xiàn)場(chǎng)收集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了該系統(tǒng)的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：戶用沼氣池；太陽(yáng)能熱水器；輔助加熱；運(yùn)行測(cè)試
Household Biogas Digester Heated By Solar-Collector
College of mechanical engineering，Tongji University，Zhang Yangjun，Qin Chaokui，Chen Zhiguang
Abstract：Household biogas has been an important part of rural energy in China.In northern part of China，gas production of conventional biogas digester reduces much due to low fermentation temperature.A biogas digester with effective insulation，integrated with solar-collectors was put forward and cxperimentally researched in this paper.Performance data from in-site operation was analyzed to make economic benefit assessment.
Keywords：household biogas digester；solar collectors；auxiliary heating；operation measurement
1 引言
    我國(guó)沼氣事業(yè)開始于1930年前后，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，沼氣已成為我國(guó)農(nóng)村生活用能的重要來(lái)源之一。“十一五”期間，巾央累計(jì)投入農(nóng)村沼氣建設(shè)資金212億元，其中2008年、2009年和2010年分別投入60億元、50億元和52億元。截至2010年，我國(guó)戶用沼氣已達(dá)到4000萬(wàn)戶，占全國(guó)農(nóng)戶的33%，受益人口達(dá)1.55億人，建設(shè)各種類型的沼氣工程5.6萬(wàn)多處，沼氣年產(chǎn)量140億m3，相當(dāng)于我國(guó)全年天然氣產(chǎn)量的16%，預(yù)計(jì)到2020年沼氣年產(chǎn)量將達(dá)至1440億m3。
    作為一種歷史最悠久的生物質(zhì)能利用技術(shù)，戶式沼氣在應(yīng)用中存在一些問(wèn)題，如：?jiǎn)挝怀厝莓a(chǎn)氣量低下、燃燒裝置受成本限制性能不穩(wěn)定、沼氣池的熱工制度方面尚缺乏系統(tǒng)的研究等。出于建設(shè)成本的考慮，絕大部分的戶式沼氣池很少使用有效的保溫措施，導(dǎo)致我國(guó)北方寒冷地區(qū)大量沼氣池在冬季處于不產(chǎn)氣或凍結(jié)狀態(tài)，嚴(yán)重制約了農(nóng)村戶用沼氣技術(shù)的發(fā)展及推廣。
    針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)。在沼氣池內(nèi)設(shè)置換熱盤管和攪拌裝置。夏季，沼氣池與太陽(yáng)能分開工作；冬季，利用太陽(yáng)熱水器的低溫?zé)崴g接加熱沼氣池。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲取的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)用性進(jìn)行了分析。初步結(jié)果表明，沼氣池的保溫與太陽(yáng)輔助加熱可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與沼氣的互補(bǔ)，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，具有良好的實(shí)用性。
2 溫度對(duì)沼氣池產(chǎn)氣的影響
    沼氣是有機(jī)物質(zhì)在一定溫度、濕度、pH值和隔絕空氣條件下經(jīng)微生物發(fā)酵而產(chǎn)生的可燃性氣體。影響發(fā)酵過(guò)程的因素很多，其中發(fā)酵溫度尤為重要。在我國(guó)農(nóng)村，沼氣池發(fā)酵溫度隨氣溫的變化而變化，沼氣產(chǎn)氣率變化很大。試驗(yàn)表明：池溫低于10℃，發(fā)酵菌幾乎處在休眠狀態(tài)，沼氣池基本停止產(chǎn)氣；當(dāng)池溫在15℃以上時(shí)，沼氣發(fā)酵才能較好地進(jìn)行，產(chǎn)氣率為0.1m3/(m3·d)-0.2m3/(m3·d)；池溫在20℃以上時(shí)，產(chǎn)氣率可達(dá)0.4m3/(m3·d)-0.5m3/(m3·d)。圖1是沼氣發(fā)酵溫度對(duì)產(chǎn)氣率的影響曲線[3]。
 

   我國(guó)北方地區(qū)冬季寒冷漫長(zhǎng)，氣溫、地表溫度較低，沼氣池產(chǎn)氣率低，無(wú)法滿足農(nóng)戶需求，導(dǎo)致冬季農(nóng)村沼氣池存在大量閑置問(wèn)題。極端寒冷時(shí)期，甚至出現(xiàn)冬季凍裂沼氣池的現(xiàn)象，造成沼氣池停用。為解決這一問(wèn)題，在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，沼氣池必須采取必要的保溫和加熱措施。在農(nóng)村沼氣應(yīng)用中，傳統(tǒng)模式的保溫加熱方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性和不便。如隔熱材料保溫技術(shù)[4～6]，雖有一定效果但只能延緩料液降溫的速度，但在冬季極端寒冷時(shí)期不能保證發(fā)酵過(guò)程正常運(yùn)行，且秸稈稻草類保溫效果較差，經(jīng)濟(jì)性、防水性等方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)；塑料暖棚增溫技術(shù)，利用太陽(yáng)能為系統(tǒng)提高溫度，但系統(tǒng)需配建塑料大棚，占地較大，推廣受到當(dāng)?shù)貙?shí)際條件限制[7～8]；燃料燃燒加熱技術(shù)，通過(guò)燃煤或秸稈等生物質(zhì)直接加熱或通過(guò)熱水間接加熱沼氣池，傳統(tǒng)方法有燃池增溫技術(shù)、“豬-沼-炕”增溫技術(shù)、秸稈廢棄物的燃燒、熱水鍋爐加熱法等，該類方法需要消耗一定的化石或生物質(zhì)燃料，在燃燒過(guò)程中造成污染，且經(jīng)濟(jì)性不高。
    近年來(lái)，隨著太陽(yáng)能熱水器日益普及、成本下降，以及利用聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行保溫的玻璃鋼制沼氣池技術(shù)的發(fā)展，為沼氣池加熱技術(shù)提供了新思路?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了太陽(yáng)能輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)，并結(jié)合理論分析計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)跟蹤測(cè)試，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用及推廣價(jià)值進(jìn)行研究。
3 太陽(yáng)能輔助加熱沼氣池系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)介紹
    太陽(yáng)能輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)，主要是利用太陽(yáng)能熱水器吸收太陽(yáng)熱量提高水溫，通過(guò)水循環(huán)，加熱沼液，從而提高冬季沼氣池產(chǎn)氣溫度，利于產(chǎn)氣。系統(tǒng)如圖2所示，主要包括：水壓式保溫沼氣池(8m3)、家用太陽(yáng)能熱水器(200L)、控制柜和數(shù)據(jù)采集模塊、位于沼氣池內(nèi)的加熱盤管與攪拌裝置、電加熱帶、沼氣包、循環(huán)水泵、氣表、脫硫器以及水管路配件和溫度傳感器等。
3.2 系統(tǒng)控制功能
    整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)控制柜進(jìn)行控制運(yùn)行?？刂乒裨O(shè)有簡(jiǎn)單的“冬”、“夏”模式切換，夏季太陽(yáng)能與沼氣池獨(dú)立工作；冬季太陽(yáng)能熱水器集熱，通過(guò)沼氣池內(nèi)部加熱盤管進(jìn)行加熱，同時(shí)攪拌開啟增強(qiáng)換熱效果?？刂乒竦难h(huán)控制功能主要包括以下3種：
    (1) 溫差循環(huán)控制：利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能水箱內(nèi)的水溫T2和沼氣池內(nèi)的溫度T1。當(dāng)T2大于T115℃時(shí)(系統(tǒng)中控制溫度均可根據(jù)各地區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置)，循環(huán)水泵啟動(dòng)，同時(shí)攪拌電機(jī)啟動(dòng)，把太陽(yáng)能熱水的熱量換給沼液；T2與T1差值達(dá)到5℃時(shí)，循環(huán)水泵和攪拌電機(jī)延時(shí)1min后停止工作。當(dāng)沼氣池溫度高于25℃時(shí)，循環(huán)停止。因?yàn)槎咎?yáng)能熱水器的溫度一般不高，而沼氣池位于地下、散熱緩慢，通過(guò)溫差控制循環(huán)的方式可保證系統(tǒng)循環(huán)加熱的效率，同時(shí)避免傳熱過(guò)程的附加能耗過(guò)大。
    (2) 防凍循環(huán)控制：考慮到北方地區(qū)冬季氣溫低，與太陽(yáng)能熱水器連接的水管系統(tǒng)可能凍結(jié)。為防止此情況發(fā)生，在管路適當(dāng)位置設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)管路水溫低于4℃時(shí)，水泵啟動(dòng)循環(huán)，當(dāng)高于8℃時(shí)水泵停止。特殊極端天氣可人工排空集熱系統(tǒng)、以防集熱管凍結(jié)。
    (3) 自動(dòng)補(bǔ)水控制：系統(tǒng)為開式，當(dāng)太陽(yáng)能熱水器內(nèi)水量低于設(shè)定值時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水。顯示器顯示儲(chǔ)水箱中水位，可進(jìn)行人工水位控制。
3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過(guò)ADAM4018數(shù)據(jù)采集模塊、ADAM4015數(shù)據(jù)采集模塊、ADAM4080數(shù)據(jù)采集模塊、ADAM4520數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、10V-30V直流電源、電腦和HLabVIEW程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    ADAM4015采集模塊主要對(duì)沼氣池內(nèi)各溫度測(cè)點(diǎn)、換熱盤管進(jìn)出水溫度以及太陽(yáng)能水箱溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集。
    ADAM4018采集模塊主要對(duì)土壤溫度各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和采集，同時(shí)對(duì)循環(huán)水泵、攪拌機(jī)、電加熱帶的工作狀態(tài)及工作時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
    ADAM4080采集模塊主要對(duì)氣表脈沖信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)信號(hào)變化可以直接讀取產(chǎn)氣量。
    所有采集模塊采得的信號(hào)通過(guò)ADAM4520數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào)輸入電腦，通過(guò)LabVIEW程序進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和Excel存儲(chǔ)，便于后期跟蹤處理。
    系統(tǒng)所用的溫度傳感器為Pt100熱電阻(用于沼氣池內(nèi)沼液溫度及換熱盤管進(jìn)出水溫監(jiān)測(cè))和銅康銅熱電偶(用于土壤溫度監(jiān)測(cè))。各溫度測(cè)點(diǎn)分布及信號(hào)傳輸如圖3所示，沼氣池內(nèi)部3支Pt100熱電阻(分別距沼氣池頂部600mm、1200mm、1800mm)；土壤溫度測(cè)點(diǎn)4支銅康銅熱電偶(分別距地面600mm、1100mm、2000mm、2200mm)；換熱盤管進(jìn)、出口2支Pt100熱電阻。

4 系統(tǒng)運(yùn)行分析
4.1 安裝初期系統(tǒng)效果分析
    為驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性，在河北省石家莊市某地進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。
 

    系統(tǒng)于2010年2月12日安裝運(yùn)行，配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)于2月13日開始工作，數(shù)據(jù)采集由電腦自動(dòng)控制，采集頻率0.5Hz。
   系統(tǒng)安裝時(shí)石家莊正處于冬季，日均氣溫處于零度左右，水溫及接種物的溫度都較低，沼液溫度在10℃以下，因而系統(tǒng)初期需要輔以電加熱帶進(jìn)行輔助加熱。隨各地區(qū)氣候條件及系統(tǒng)安裝時(shí)季節(jié)不同，電加熱帶工作時(shí)間將視情況進(jìn)行控制，一般工作1天～3天后沼氣池內(nèi)溫度便可升至15℃左右，此后電加熱帶停開，太陽(yáng)能系統(tǒng)開啟運(yùn)行。當(dāng)天氣條件允許時(shí)，太陽(yáng)能水箱溫度升高，溫差達(dá)到循環(huán)條件后，系統(tǒng)便進(jìn)行熱水循環(huán)，通過(guò)熱水對(duì)沼液進(jìn)行加熱，維持并使沼氣池溫度繼續(xù)升高。從實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況來(lái)看，系統(tǒng)安裝完成后，需經(jīng)一段時(shí)期(一般為兩周時(shí)間)的調(diào)試運(yùn)行，才能進(jìn)入正常產(chǎn)氣工作狀態(tài)。
4.2 冬季3月份系統(tǒng)運(yùn)行效果分析
    對(duì)3月份所采得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)分析在冬季太陽(yáng)能水循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行效果、沼氣池溫度變化及產(chǎn)氣情況，來(lái)研究系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。
4.2.1 3月份太陽(yáng)能水箱日最高溫度與沼氣池溫度及日均氣溫變化如圖5所示
    由圖5可得：自2月13日系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，在太陽(yáng)能熱水循環(huán)作用下，3月初沼氣池內(nèi)溫度已經(jīng)升高并保持在17℃左右；3月份石家莊地區(qū)日均氣溫在10%左右，太陽(yáng)能水箱溫度基本維持在30%以上；沼氣池通過(guò)保溫層及太陽(yáng)能水循環(huán)作用下基本高于日均氣溫10℃左右；整個(gè)3月份沼氣池溫度升高并維持在20%左右，月底基本達(dá)到了25℃。
    太陽(yáng)能熱水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合一定的保溫措施對(duì)沼氣池溫升及保溫的作用效果明顯。
 
    如圖6是3月2日中午11：00至下午17：O0，系統(tǒng)進(jìn)行太陽(yáng)能溫差循環(huán)溫度變化圖。圖中中午11點(diǎn)左右，太陽(yáng)能水箱溫度達(dá)到29℃，溫差達(dá)到循環(huán)條件，系統(tǒng)溫差循環(huán)啟動(dòng)。從11：00到17：O0，系統(tǒng)一共進(jìn)行了3次溫差循環(huán)，整個(gè)循環(huán)共進(jìn)行了6h左右，沼氣池內(nèi)溫度由原先的16.5℃升高到17.5℃，可見效果明顯。
4.2.2 3月份沼氣池日產(chǎn)氣量如圖7所示
    由圖7可以看出：
    (1) 3月份隨著沼氣池內(nèi)溫度的不斷升高，沼氣池日產(chǎn)氣量0.5m3/d以上；
    (2) 隨著池內(nèi)沼液溫度的升高，日產(chǎn)氣量也隨之升高，最高達(dá)到了3.49m3，能夠滿足一天農(nóng)戶日常生活需求。
   其中26日到28日，這3天日產(chǎn)氣量相比于其他時(shí)間要增加1m3，28日達(dá)到了3.49m3。究其原因，主要是農(nóng)戶對(duì)沼氣池進(jìn)行加料，由于沼氣池為水壓式，因此，加料過(guò)程中由于人為作用導(dǎo)致池內(nèi)壓力發(fā)生變化，將池內(nèi)氣體壓入氣包，氣表讀數(shù)增大；同時(shí)，加料后接下來(lái)幾天的沼氣池溫度都明顯高于先前溫度，達(dá)到了23℃，利于沼液發(fā)酵產(chǎn)氣，產(chǎn)氣量增加。
4.2.3 3月份能耗分析
    利用3月份記錄的當(dāng)天設(shè)備運(yùn)行時(shí)間及產(chǎn)氣量的數(shù)據(jù)，對(duì)能耗和產(chǎn)氣量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。能耗主要以電能耗為主，包括水泵和攪拌機(jī)的電耗，水泵功率為1OOW，攪拌機(jī)功率為200W。所產(chǎn)沼氣按50%CH4和50%C02組分計(jì)算，熱值為18.89MJ/m3。整個(gè)3月份的循環(huán)耗電量及產(chǎn)氣量所對(duì)應(yīng)的能量值如表1所示：
表1 耗電量及產(chǎn)氣量能耗分析
 
體積量
(m3)
折算能量
(MJ)
折算能量
(kcal)
電耗占產(chǎn)氣比例(%)
產(chǎn)氣量
26.98
509.65
121723
7.26
 
電量
(kWh)
折算能量
(MJ)
折算能量
(kcal)
耗電量
10.28
37.O1
8 839
    從表1可以看出：
    (1) 整個(gè)3月份由系統(tǒng)運(yùn)行造成的電能消耗為10.28kWh，日耗電量為0.33kWh，總耗電量相當(dāng)于37.01MJ能量值；沼氣池3月份的總產(chǎn)氣量為26.98m3，日產(chǎn)氣量為0.87m3，總產(chǎn)氣量相當(dāng)于509.65MJ能量值；耗電量占產(chǎn)氣量比例為7.26%，電費(fèi)在可承受范圍內(nèi)；
(2) 每天只需消耗少量的電能就能產(chǎn)出日常生活所需沼氣量，解決了北方寒冷地區(qū)冬季沼氣池不產(chǎn)氣問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了北方冬季沼氣由無(wú)到有，證明系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性。
5 結(jié)論
    本文提出了一種以太陽(yáng)能輔助加熱戶用沼氣池的沼氣池加熱保溫方法，即將已有的太陽(yáng)能熱水器和沼氣池集成一種新的裝置，通過(guò)控制系統(tǒng)將兩者有機(jī)的結(jié)合在一起，對(duì)冬季沼氣池內(nèi)沼液進(jìn)行加熱，從而提高沼液溫度，提高產(chǎn)氣量，使冬季沼氣池產(chǎn)氣也能滿足一般農(nóng)戶的家庭日常生活需求，實(shí)現(xiàn)沼氣池全年供氣。
    相比于傳統(tǒng)應(yīng)用模式實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能與沼氣的互補(bǔ)，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)。河北省石家莊市某地的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)每月只需消耗少量的電能，日均產(chǎn)氣量便能維持在0.8m3左右，證明該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性。
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(本文作者：張楊竣 秦朝葵 陳志光 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 201804)