張彥　范振山

摘要：設(shè)計(jì)了沼液循環(huán)間接加熱沼氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用熱管型生物質(zhì)燃燒爐間接加熱循環(huán)沼液。運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)池容平均產(chǎn)氣率達(dá)到0.73 m3/（m3·d），發(fā)酵液SS去除率為87.99%，BOD去除率為81.82%，COD去除率為81.94%，沼氣熱值24.68 MJ/m3。該系統(tǒng)既促進(jìn)了農(nóng)村大量秸稈等廢棄物的資源化利用，又解決了北方地區(qū)冬春季沼氣池發(fā)酵溫度低、產(chǎn)氣率低等問(wèn)題，且成本低，效益高。

關(guān)鍵詞：沼液循環(huán)；間接加熱；沼氣；熱管型生物質(zhì)燃燒爐

中圖分類(lèi)號(hào)：S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）15-3754-02

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.045

Abstract： The biogas system of biogas slurry circulation indirect heating was designed. This system used heat-pipe boiler of biomass to heat circulation biogas slurry indirectly. The operating test results showed that the yearly average tank volume aerogenesis rate of the system was 0.73 m3/（m3·d），dislodging rate of SS was 87.99%，dislodging rate of BOD reached 81.82%，and dislodging rate of COD reached 81.94%，thermal value of biogas produced from it was 24.68 MJ/m3. The system not only promoted the utilization of rural straw and other waste， but also solved the low fermentation temperature and low aerogenesis rate of methane tank of northern region in the winter and spring， likewise with low cost and high benefit.

Key words： biogas slurry circulation； indirect heating； biogas； heat-pipe boiler of biomass

隨著中國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗逐漸增多，沼氣能源的開(kāi)發(fā)利用有利于解決農(nóng)村能源供應(yīng)緊張問(wèn)題，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，日益受到重視[1]。溫度對(duì)發(fā)酵很重要，一般8～60 ℃溫度范圍內(nèi)都能發(fā)酵產(chǎn)沼氣[2]，此范圍內(nèi)，溫度越高微生物活動(dòng)越旺盛，產(chǎn)氣量越大，溫度的突變會(huì)影響微生物生命活動(dòng)，使產(chǎn)氣量下降[3]。從發(fā)酵的周期來(lái)看，溫度越低原料的發(fā)酵周期越長(zhǎng)，溫度越高發(fā)酵周期越短[4]。中國(guó)北方地區(qū)在較為寒冷的冬春季，溫度過(guò)低會(huì)嚴(yán)重影響沼氣池的產(chǎn)氣率、產(chǎn)氣量[5-7]。采用輔助加熱可以為沼氣發(fā)酵提供熱量，有利于厭氧消化[2]。同時(shí)，中國(guó)北方農(nóng)村存在大量秸稈等生物質(zhì)資源閑置，無(wú)處利用等問(wèn)題[8]。為此，針對(duì)上述情況，研究設(shè)計(jì)了沼液循環(huán)間接加熱沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用熱管型生物質(zhì)燃燒爐間接加熱循環(huán)沼液，解決了北方地區(qū)冬春季沼氣池發(fā)酵溫度低、產(chǎn)氣率低等問(wèn)題，熱管型生物質(zhì)燃燒爐利用生物質(zhì)燃料，促進(jìn)了農(nóng)村大量秸稈等廢棄物的資源化利用。

1 沼液循環(huán)間接加熱沼氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

沼液循環(huán)間接加熱沼氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由預(yù)處理池、沼氣池組、生物質(zhì)燃燒爐、循環(huán)進(jìn)料管、循環(huán)出料管、放料管等組成。

1.1 沼氣池組

沼氣池組包括從前至后依次通過(guò)料管串聯(lián)連接在一起的沼氣池，沼氣池共設(shè)置數(shù)個(gè)，其中最前端的沼氣池與預(yù)處理池通過(guò)料液管連接，料液管上設(shè)有料液閥門(mén)，沼氣池包括池體和設(shè)置在池體頂口的池蓋。

1.2 熱管型生物質(zhì)燃燒爐

生物質(zhì)燃燒爐爐體從上至下依次連通設(shè)置有排煙口、集煙室和爐膛，即排煙口、集煙室和爐膛從上至下依次設(shè)置，并且排煙口、集煙室和爐膛為從上至下依次連通。爐體內(nèi)還設(shè)有加熱水套，加熱水套位于集煙室下側(cè)，加熱水套上部為環(huán)繞加熱室設(shè)置、下部延伸至爐膛底部外側(cè)，加熱水套內(nèi)設(shè)豎向延伸的料加熱管，料加熱管的頂端口和底端口均伸出爐體外，爐膛內(nèi)設(shè)爐排，加熱水套的底端延伸至爐膛下部、爐排的上側(cè)。

爐膛的側(cè)壁上設(shè)有熱管和插孔，熱管通過(guò)該插孔插接并密封固定在爐膛側(cè)壁上，熱管一端延伸至爐膛內(nèi)、另一端延伸至加熱水套內(nèi)。熱管為水平延伸并且從上至下依次設(shè)置多個(gè)，熱管可將爐膛內(nèi)的熱量傳遞到加熱水套內(nèi)使加熱水套內(nèi)的水加熱。熱管分為蒸發(fā)、絕熱、冷凝三個(gè)工作段[9]。熱管伸入爐膛內(nèi)的部分為蒸發(fā)段、伸入加熱水套內(nèi)的部分為冷凝段，熱管插接在爐膛側(cè)壁的部分為絕熱段。

1.3 熱管型生物質(zhì)燃燒爐與沼氣池的連接

每個(gè)沼氣池均分別通過(guò)一根分料管連接循環(huán)進(jìn)料管，分料管連接在相應(yīng)沼氣池的池體上并用于向相應(yīng)沼氣池的池體輸送從循環(huán)進(jìn)料管流入的料液，每根分料管上均設(shè)置回液閥，循環(huán)進(jìn)料管的一個(gè)端口連接料加熱管的頂端口，另一個(gè)端口封閉。

循環(huán)出料管一端連接料加熱管的底端口、另一端連接最后端的沼氣池的出料口，循環(huán)出料管上設(shè)有循環(huán)泵，放料管一端連接在循環(huán)泵與生物質(zhì)燃燒爐之間的循環(huán)出料管上，放料管上設(shè)有第一開(kāi)關(guān)閥，放料管與生物質(zhì)燃燒爐之間的循環(huán)出料管上設(shè)有第二開(kāi)關(guān)閥。

2 沼液循環(huán)間接加熱沼氣系統(tǒng)的工作過(guò)程

沼液循環(huán)間接加熱沼氣系統(tǒng)的沼氣池組、循環(huán)出料管、料加熱管、循環(huán)進(jìn)料管和分料管依次連接并構(gòu)成一個(gè)料液循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)進(jìn)料管可同時(shí)同步向各個(gè)沼氣池輸送料液，前個(gè)沼氣池的料液可以通過(guò)料管進(jìn)入相鄰的下個(gè)沼氣池內(nèi)，最終料液從最后端的沼氣池的出料口輸送至循環(huán)出料管，其中循環(huán)泵為整個(gè)料液循環(huán)系統(tǒng)提供動(dòng)力。生物質(zhì)燃燒爐的加熱水套通過(guò)對(duì)料加熱管進(jìn)行加熱，隨著料液的循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)沼氣池組內(nèi)料液的加熱。該系統(tǒng)將沼氣池和熱管型生物質(zhì)燃燒爐聯(lián)合使用，充分利用了秸稈等生物質(zhì)能源。

3 沼液循環(huán)間接加熱沼氣系統(tǒng)運(yùn)行性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法與儀器

沼液溫度：攪拌混合后沼液，取平均值，貝克曼溫度計(jì)；沼氣池產(chǎn)氣量：燃?xì)饬髁坑?jì)；pH值：電位計(jì)測(cè)定法；懸浮物（SS）：重量法[10]；BOD：BOD5[11]；COD：重鉻酸鉀滴定法[12]；沼氣成分：氣相色譜法[13]；沼氣熱值：理論計(jì)算法[14]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

沼液循環(huán)間接加熱沼氣系統(tǒng)運(yùn)行性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2和表3。從表中可以看出，系統(tǒng)池容平均產(chǎn)氣率達(dá)0.73 m3/（m3·d），比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值0.2～0.4 m3/（m3·d）高；所產(chǎn)沼氣熱值為24.68 MJ/m3，滿足沼氣燃具對(duì)氣體質(zhì)量要求；發(fā)酵液SS去除率為87.99%，BOD去除率為81.82%，COD去除率為81.94%。

4 小結(jié)

沼液循環(huán)間接加熱沼氣系統(tǒng)采用熱管型生物質(zhì)燃燒爐輔助加熱，解決了北方地區(qū)冬春季沼氣池發(fā)酵溫度低、產(chǎn)氣率低等問(wèn)題，熱管型生物質(zhì)燃燒爐利用生物質(zhì)燃料，促進(jìn)了農(nóng)村大量秸稈等廢棄物的資源化利用，成本低，效益高，易于改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，促進(jìn)農(nóng)民增收與農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉清志，鄧 鵬.中國(guó)農(nóng)村沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)策[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2011，27（2）：6-9.

[2] 邱 凌，梁 勇，鄧媛方，等.太陽(yáng)能雙級(jí)增溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的增溫效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（S1）：166-171.

[3] 吳滿昌，孫可偉.溫度波動(dòng)對(duì)城市有機(jī)生活垃圾高溫厭氧消化工藝影響[J].環(huán)境科學(xué)，2006，27（4）：805-809.

[4] 赫冬冰，郭秀清.氨氮對(duì)沼氣池產(chǎn)氣的影響[J].吉林農(nóng)業(yè)，2012（9）：142.

[5] 范振山.輔熱集箱式沼氣工程化技術(shù)研究[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[6] 張全國(guó)，范振山，楊群發(fā).輔熱集箱式畜禽糞便沼氣系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（9）：146-150.

[7] 楊群發(fā)，范振山，徐廣印，等.集箱式沼氣工程的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（3）：315-319.

[8] 洪毓安.小秸稈變身大能源——中國(guó)秸稈能源化利用的可行方案[J].綠葉，2009（11）：102-107.

[9] 范振山，張 彥，楊 波.生物質(zhì)成型燃料熱管鍋爐設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，53（11）：2650-2652.

[10] 賀延齡.廢水的厭氧生物處理[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1998.

[11] 國(guó)家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測(cè)方法[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[12] 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所《厭氧發(fā)酵常規(guī)分析》編寫(xiě)組.厭氧發(fā)酵常規(guī)分析[M].北京：科學(xué)出版社，1984.

[13] 尹 軍，譚學(xué)軍.污水污泥處理處置與資源化利用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[14] 張全國(guó).燃燒學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2013.