張永亮，蔡嗣經(jīng)，吳迪

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083；2.青島理工大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，山東 青島，266520)

發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、減少碳排放量是2010年丹麥哥本哈根氣候大會(huì)上各國(guó)討論的焦點(diǎn)[1]，經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速的發(fā)展離不開(kāi)有利的能源保證[2]。因此，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，加大節(jié)能減排的力度，增加可再生能源占社會(huì)能源供給的比例，是科技人員應(yīng)該加大力度深入探討的重點(diǎn)問(wèn)題。能源的分類(lèi)方法有很多種，如果按再生性能分，可分為不可再生能源和可再生能源。用后不能重新產(chǎn)生稱(chēng)為不可再生能源，如石油、煤炭等；用后失而復(fù)得稱(chēng)為可再生能源，如太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿?。沼氣屬于生物質(zhì)能，是一種可再生能源。沼氣可用于做飯、照明、儲(chǔ)糧；沼液、沼渣可用于作物的葉面噴施、生產(chǎn)綠色食品，滿(mǎn)足人民生活需要。沼氣生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)利用，以投入消耗減量化、物質(zhì)再生循環(huán)化、資源利用最大化為原則，可實(shí)現(xiàn)生態(tài)、能源和社會(huì)效益的統(tǒng)一[3-4]。

1 沼氣池加溫?zé)嵩催x擇分析

1.1 溫度對(duì)產(chǎn)氣量的影響

沼氣池中的溫度是決定產(chǎn)氣量的重要因素，一般的沼氣池都是在常溫下發(fā)酵，產(chǎn)氣率低。溫度是沼氣發(fā)酵的重要外因條件，溫度適宜則細(xì)菌繁殖旺盛，活力強(qiáng)，厭氧分解和生成甲烷的速度就快，產(chǎn)氣就多。從這個(gè)意義上講，溫度是產(chǎn)氣量的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)：在10～60 ℃的范圍內(nèi)，沼氣均能正常發(fā)酵產(chǎn)氣。低于10 ℃或高于60 ℃都嚴(yán)重抑制微生物生存、繁殖，影響產(chǎn)氣。在這一溫度范圍內(nèi)，一般溫度愈高，微生物活動(dòng)愈旺盛，產(chǎn)氣量愈高。微生物對(duì)溫度變化十分敏感，溫度突升或突降，都會(huì)影響微生物的生命活動(dòng)，使產(chǎn)氣狀況惡化。對(duì)于沼氣池內(nèi)發(fā)酵溫度，常規(guī)情況下分為3個(gè)階段： 在46～60 ℃為高溫發(fā)酵，在28～38℃為中溫發(fā)酵，在10～26 ℃為常溫發(fā)酵。大多數(shù)沼氣池靠自然溫度發(fā)酵，屬于常溫發(fā)酵。發(fā)酵溫度雖然范圍較廣，但在10～60 ℃范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)氣越大。在冬季沼氣池產(chǎn)氣量很少，甚至不產(chǎn)氣，嚴(yán)重制約了沼氣的使用和推廣，其主要原因是環(huán)境溫度過(guò)低，降低了沼氣發(fā)酵微生物的活性。

1.2 沼氣池加溫?zé)嵩捶治?/h3>

1.2.1 常規(guī)熱源

溫度作為沼氣池產(chǎn)氣量的關(guān)鍵因素，國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域工作者做了大量研究和試驗(yàn)。目前常見(jiàn)的沼氣池加溫方式有電熱膜加溫、太陽(yáng)能加溫、化石能源熱水鍋爐加溫、沼氣鍋爐加溫、沼氣發(fā)電余熱加溫和燃池式加溫6種。電熱膜加溫是在沼氣池外表面涂一層電熱膜進(jìn)行加溫，這種方法需要消耗大量電能，節(jié)能性不理想[5]。太陽(yáng)能加溫系統(tǒng)靠集熱裝置集中太陽(yáng)熱能，提高溫度，對(duì)料液進(jìn)行加溫[6-7]，該系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，但易受天氣狀況影響?；茉礋崴仩t加溫是通過(guò)熱水鍋爐的換熱設(shè)備對(duì)沼氣池料液加溫，這種方法需要消耗煤炭等燃料，同時(shí)產(chǎn)生大量煙塵和有害氣體。沼氣鍋爐加溫，是燃燒系統(tǒng)自身產(chǎn)生的一部分沼氣，通過(guò)燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔猓揽扛邷責(zé)煔饨o發(fā)酵池加溫，但對(duì)設(shè)備和操作技術(shù)要求比較高[8]。沼氣發(fā)電余熱加溫是在沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程中，將燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排放的高溫氣體回收，利用氣體余熱加溫發(fā)酵料液，只能在大型沼氣池工程中才能應(yīng)用[9]。燃池加溫是依靠沼氣池地下的陰燃坑發(fā)生陰燃對(duì)料液加溫，這種方法具有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)對(duì)環(huán)境有一定污染。

以上6種常見(jiàn)加溫方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但這些方式大多是以消耗電能和燃燒為代價(jià)或者易受天氣狀況影響，節(jié)能性、社會(huì)性不理想。因此，為沼氣池提供成本低廉、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的穩(wěn)定熱源，成為沼氣生物質(zhì)能有效開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.2.2 礦山地?zé)崴訙責(zé)嵩?/p>

地?zé)崴仁撬Y源，又是一種清潔能源，與傳統(tǒng)的不可再生能源相比，地?zé)崴哂泻芨叩臒崮軆r(jià)值外，其作為水資源的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益也不可忽視，若不合理開(kāi)采利用，不僅浪費(fèi)資源，而且會(huì)破壞生態(tài)與地質(zhì)環(huán)境。在礦山開(kāi)采過(guò)程中，礦井地下熱巖體、滲透出的熱水導(dǎo)致出現(xiàn)高溫、高濕的井下作業(yè)環(huán)境，以致井下工人濕疹頻發(fā)，久治不愈，礦山不得不頻繁更換井下工人，嚴(yán)重降低了工作效率。同時(shí)，地下水流失也導(dǎo)致地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，地基承載力減弱，出現(xiàn)地面裂縫、沉降等現(xiàn)象。礦山開(kāi)采暴露出的地?zé)嵋环矫嫫茐牧说V山生產(chǎn)環(huán)境，另一方面又造成大量地?zé)豳Y源和水資源流失。礦山周邊的農(nóng)林環(huán)境為沼氣池提供了良好的使用條件，基于大量實(shí)踐，提出汲取礦山井下熱水作為沼氣池的加溫?zé)嵩础＿@種方法既可以消除井下濕熱造成的危害，又充分利用地?zé)豳Y源和地下水資源。礦山地?zé)崴渥惴€(wěn)定，彌補(bǔ)了常規(guī)熱源的缺點(diǎn)，以地?zé)崮艽龠M(jìn)生物質(zhì)能，實(shí)現(xiàn)能源循環(huán)促進(jìn)。

2 地?zé)峒訙卣託獬卦囼?yàn)

2.1 加溫試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在以前研究成果的基礎(chǔ)上[10-12]，改進(jìn)了螺旋管加溫沼氣池試驗(yàn)臺(tái)，利用自制沼氣池實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行礦山地?zé)崴畬?duì)沼氣池加溫試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行示意圖見(jiàn)圖1。

以山東省舊店金礦地?zé)崴疄槔瑢⒌V井汲取的熱水導(dǎo)入沼氣池內(nèi)螺旋管進(jìn)行循環(huán)加熱，平均水溫為65℃。熱水導(dǎo)入螺旋管內(nèi)循環(huán)加熱，通過(guò)螺旋管換熱對(duì)沼氣池內(nèi)料液進(jìn)行加溫，模型沼氣池外用擠塑聚苯乙烯進(jìn)行保溫，螺旋管材料采用普通無(wú)縫鋼管，鋼管外涂耐高溫防腐材料。沼氣池溫度測(cè)試點(diǎn)均勻布置于池內(nèi)，池內(nèi)按料液深度平均分成3層，每層布置1支熱電偶。

圖1 沼氣池加溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of digester heating system

2.2 螺旋管換熱過(guò)程分析

螺旋管加熱器的傳熱原理是由圓管內(nèi)側(cè)的對(duì)流換熱、圓管壁的導(dǎo)熱和圓管外側(cè)的對(duì)流換熱3個(gè)熱量傳遞構(gòu)成的傳熱過(guò)程。在此試驗(yàn)系統(tǒng)中，螺旋管傳熱是穩(wěn)態(tài)傳熱，可利用熱阻概念建立熱流量模型[13]。根據(jù)牛頓冷卻公式和圓管壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式，可以把螺旋管的熱流量分別表示為：

其中：Φ1，Φ2和Φ3分別表示螺旋管內(nèi)側(cè)換熱熱流量、管壁導(dǎo)熱熱流量和螺旋管外側(cè)換熱熱流量；d1和d2分別為螺旋管內(nèi)、外直徑；l為螺旋管長(zhǎng)度；λ為熱導(dǎo)率(常數(shù))；tf1為管內(nèi)地?zé)崴疁囟?；tf2為管外料液溫度；h1和h2分別為螺旋管內(nèi)、外兩側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；tw1和tw2分別為管內(nèi)、外兩側(cè)壁溫度。Rh1，Rλ和Rh2分別為螺旋管內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻、螺旋管外側(cè)對(duì)流換熱熱阻。

由式(4)可知，只需測(cè)得螺旋管內(nèi)地?zé)崴疁囟群驼託獬刂辛弦簻囟茸兓纯汕蟮寐菪艿膫鳠釤崃俊?/p>

2.3 產(chǎn)氣效果分析

為了加強(qiáng)加溫效果實(shí)驗(yàn)的可比性，該實(shí)驗(yàn)在加溫沼氣池和未加溫沼氣池2個(gè)池內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 d。其池內(nèi)料液溫度對(duì)比圖和產(chǎn)氣量對(duì)比圖分別見(jiàn)圖2和圖3。

由圖2和圖3可知：加溫后沼氣池內(nèi)料液溫度有了明顯上漲，沼氣產(chǎn)量也有大幅提升，說(shuō)明螺旋管加熱沼氣系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

圖2 料液溫度對(duì)比圖Fig.2 Comparison of liquid temperature

圖3 產(chǎn)氣量對(duì)比圖Fig.3 Comparison of gas production

3 加溫系統(tǒng)成本效益分析

3.1 沼氣池建設(shè)模式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)基地舊店金礦附近農(nóng)戶(hù)情況實(shí)地調(diào)查，大棚養(yǎng)殖戶(hù)可以建造“四位一體”模式(沼氣池—廁所—豬舍—溫室大棚)；大部分農(nóng)戶(hù)可以建造“三位一體”模式(沼氣池—豬舍—廁所)，沼氣池所需原料采用人畜糞便、秸稈等農(nóng)戶(hù)自產(chǎn)資源。在沼氣池上面新建廁所或畜禽舍，糞便直接進(jìn)行沼氣池。室內(nèi)安裝沼氣管道，廚房做飯基本不用大鍋燒柴，采用沼氣做飯、照明等節(jié)能方式。

3.2 沼氣池成本預(yù)算

采用礦區(qū)地?zé)崴訙胤绞剑梢詷O大提高沼氣產(chǎn)量，一戶(hù)五口之家建造10 m3沼氣池可以基本保證沼氣的充足使用，原料為1 t水泥、1 m3石子、1 m3粗砂及其他輔料，原料造價(jià)700元左右；采用高檔沼氣灶具及配件約300元；沼氣池建造用工費(fèi)500元左右；礦井地?zé)崴捎每傒斔艿垒斔?，輸送?dòng)力主要為井下水泵向地表排水的動(dòng)力，各戶(hù)沼氣池由總管道接出分支到沼氣池螺旋管內(nèi)，具體根據(jù)實(shí)際情況而定，費(fèi)用一般300元左右即可。因此，礦區(qū)附近農(nóng)戶(hù)建立10 m3地?zé)峒訙卣託獬乜偝杀炯s為1 800元左右。

3.3 地?zé)峒訙匦б娣治?/h3>

以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行耗能計(jì)算，循環(huán)熱水的密度取995.5 kg/m3，比熱容取4.186 kJ/(kg·K)，折算結(jié)果如下：1座10 m3的沼氣池，應(yīng)用礦區(qū)地?zé)崮苓M(jìn)行加溫，每年可節(jié)省柴薪2 000 kg，煤1 200 kg，電150 kW·h，化肥300 kg，按目前市場(chǎng)價(jià)格折算，每年可節(jié)省支出2 000多元。

4 結(jié)論

(1)沼氣池螺旋管換熱系數(shù)隨著管內(nèi)外換熱溫差逐步減小而減小，說(shuō)明螺旋管傳導(dǎo)出的熱量越多，其換熱性能越好，這一性能有利于螺旋管在沼氣池內(nèi)傳導(dǎo)熱量。

(2)沼氣池在螺旋管加溫系統(tǒng)作用下，料液溫度可保持在35 ℃左右，屬中溫發(fā)酵范圍，接近高溫發(fā)酵，產(chǎn)氣量較未加溫情況下有明顯提升，證實(shí)了螺旋管加溫的有效性。

(3)利用礦山地?zé)崴鳛檎託獬氐募訙責(zé)嵩?，利用地?zé)崮艽龠M(jìn)生物質(zhì)能，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益；通過(guò)將礦井熱水導(dǎo)入沼氣池，也消除了礦山井下熱害。

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