太陽能輔助加熱戶用沼氣池

摘 要

摘要：戶用沼氣是我國農(nóng)村能源的重要組成部分。本文針對北方寒冷地區(qū)冬季氣溫低、沼氣產(chǎn)氣少、利用率低等問題，設(shè)計了保溫沼氣池并結(jié)合家用太陽能熱水器，提出了太陽能輔助加熱戶
摘要：戶用沼氣是我國農(nóng)村能源的重要組成部分。本文針對北方寒冷地區(qū)冬季氣溫低、沼氣產(chǎn)氣少、利用率低等問題，設(shè)計了保溫沼氣池并結(jié)合家用太陽能熱水器，提出了太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)。利用現(xiàn)場收集的運行數(shù)據(jù)，分析了該系統(tǒng)的實用性。
關(guān)鍵詞：戶用沼氣池；太陽能熱水器；輔助加熱；運行測試
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
    我國沼氣事業(yè)開始于1930年前后，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，沼氣已成為我國農(nóng)村生活用能的重要來源之一。“十一五”期間，巾央累計投入農(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，我國戶用沼氣已達(dá)到4000萬戶，占全國農(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5.6萬多處，沼氣年產(chǎn)量140億m3，相當(dāng)于我國全年天然氣產(chǎn)量的16%，預(yù)計到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)用中存在一些問題，如：單位池容產(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。
    針對這一問題，本文設(shè)計了一種太陽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，沼氣池與太陽能分開工作；冬季，利用太陽熱水器的低溫?zé)崴g接加熱沼氣池。通過現(xiàn)場測試獲取的運行數(shù)據(jù)，對該系統(tǒng)的實用性進(jìn)行了分析。初步結(jié)果表明，沼氣池的保溫與太陽輔助加熱可實現(xiàn)太陽能與沼氣的互補，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢，具有良好的實用性。
2 溫度對沼氣池產(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)酵過程的因素很多，其中發(fā)酵溫度尤為重要。在我國農(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，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，產(chǎn)氣率可達(dá)0.4m3/(m3·d)-0.5m3/(m3·d)。圖1是沼氣發(fā)酵溫度對產(chǎn)氣率的影響曲線[3]。
 

   我國北方地區(qū)冬季寒冷漫長，氣溫、地表溫度較低，沼氣池產(chǎn)氣率低，無法滿足農(nóng)戶需求，導(dǎo)致冬季農(nóng)村沼氣池存在大量閑置問題。極端寒冷時期，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期不能保證發(fā)酵過程正常運行，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)貙嶋H條件限制[7～8]；燃料燃燒加熱技術(shù)，通過燃煤或秸稈等生物質(zhì)直接加熱或通過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，在燃燒過程中造成污染，且經(jīng)濟(jì)性不高。
    近年來，隨著太陽能熱水器日益普及、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)計了太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)，并結(jié)合理論分析計算和現(xiàn)場的連續(xù)跟蹤測試，對其實際應(yīng)用及推廣價值進(jìn)行研究。
3 太陽能輔助加熱沼氣池系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)介紹
    太陽能輔助加熱戶用沼氣池系統(tǒng)，主要是利用太陽能熱水器吸收太陽熱量提高水溫，通過水循環(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
    整個系統(tǒng)通過控制柜進(jìn)行控制運行?？刂乒裨O(shè)有簡單的“冬”、“夏”模式切換，夏季太陽能與沼氣池獨立工作；冬季太陽能熱水器集熱，通過沼氣池內(nèi)部加熱盤管進(jìn)行加熱，同時攪拌開啟增強換熱效果?？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)測太陽能水箱內(nèi)的水溫T2和沼氣池內(nèi)的溫度T1。當(dāng)T2大于T115℃時(系統(tǒng)中控制溫度均可根據(jù)各地區(qū)實際情況進(jìn)行單獨設(shè)置)，循環(huán)水泵啟動，同時攪拌電機(jī)啟動，把太陽能熱水的熱量換給沼液；T2與T1差值達(dá)到5℃時，循環(huán)水泵和攪拌電機(jī)延時1min后停止工作。當(dāng)沼氣池溫度高于25℃時，循環(huán)停止。因為冬季太陽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，同時避免傳熱過程的附加能耗過大。
    (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，水泵啟動循環(huán)，當(dāng)高于8℃時水泵停止。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) 自動補水控制：系統(tǒng)為開式，當(dāng)太陽能熱水器內(nèi)水量低于設(shè)定值時，實現(xiàn)自動補水。顯示器顯示儲水箱中水位，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程序來實現(xiàn)。
    ADAM4015采集模塊主要對沼氣池內(nèi)各溫度測點、換熱盤管進(jìn)出水溫度以及太陽能水箱溫度進(jìn)行監(jiān)測和采集。
    ADAM4018采集模塊主要對土壤溫度各測點進(jìn)行溫度監(jiān)測和采集，同時對循環(huán)水泵、攪拌機(jī)、電加熱帶的工作狀態(tài)及工作時長進(jìn)行監(jiān)測。
    ADAM4080采集模塊主要對氣表脈沖信號進(jìn)行監(jiān)測，通過信號變化可以直接讀取產(chǎn)氣量。
    所有采集模塊采得的信號通過ADAM4520數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將信號輸入電腦，通過LabVIEW程序進(jìn)行數(shù)據(jù)實時顯示和Excel存儲，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)和銅康銅熱電偶(用于土壤溫度監(jiān)測)。各溫度測點分布及信號傳輸如圖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)；土壤溫度測點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)運行分析
4.1 安裝初期系統(tǒng)效果分析
    為驗證該系統(tǒng)的實用性，在河北省石家莊市某地進(jìn)行了實地測試，現(xiàn)場如圖4所示。
 

    系統(tǒng)于2010年2月12日安裝運行，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)采集由電腦自動控制，采集頻率0.5Hz。
   系統(tǒng)安裝時石家莊正處于冬季，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)安裝時季節(jié)不同，電加熱帶工作時間將視情況進(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，太陽能系統(tǒng)開啟運行。當(dāng)天氣條件允許時，太陽能水箱溫度升高，溫差達(dá)到循環(huán)條件后，系統(tǒng)便進(jìn)行熱水循環(huán)，通過熱水對沼液進(jìn)行加熱，維持并使沼氣池溫度繼續(xù)升高。從實際系統(tǒng)運行情況來看，系統(tǒng)安裝完成后，需經(jīng)一段時期(一般為兩周時間)的調(diào)試運行，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)運行效果分析
    對3月份所采得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過分析在冬季太陽能水循環(huán)系統(tǒng)的運行效果、沼氣池溫度變化及產(chǎn)氣情況，來研究系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。
4.2.1 3月份太陽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，太陽能水箱溫度基本維持在30%以上；沼氣池通過保溫層及太陽能水循環(huán)作用下基本高于日均氣溫10℃左右；整個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℃。
    太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合一定的保溫措施對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)行太陽能溫差循環(huán)溫度變化圖。圖中中午11點左右，太陽能水箱溫度達(dá)到29℃，溫差達(dá)到循環(huán)條件，系統(tǒng)溫差循環(huán)啟動。從11：00到17：O0，系統(tǒng)一共進(jìn)行了3次溫差循環(huán)，整個循環(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)氣量相比于其他時間要增加1m3，28日達(dá)到了3.49m3。究其原因，主要是農(nóng)戶對沼氣池進(jìn)行加料，由于沼氣池為水壓式，因此，加料過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，加料后接下來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)備運行時間及產(chǎn)氣量的數(shù)據(jù)，對能耗和產(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組分計算，熱值為18.89MJ/m3。整個3月份的循環(huán)耗電量及產(chǎn)氣量所對應(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3月份由系統(tǒng)運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)氣問題，實現(xiàn)了北方冬季沼氣由無到有，證明系統(tǒng)具有良好的實用性。
5 結(jié)論
    本文提出了一種以太陽能輔助加熱戶用沼氣池的沼氣池加熱保溫方法，即將已有的太陽能熱水器和沼氣池集成一種新的裝置，通過控制系統(tǒng)將兩者有機(jī)的結(jié)合在一起，對冬季沼氣池內(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，實現(xiàn)沼氣池全年供氣。
    相比于傳統(tǒng)應(yīng)用模式實現(xiàn)了太陽能與沼氣的互補，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢。河北省石家莊市某地的實際應(yīng)用測試結(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)