李金平， 胡瑩瑩， 韓敬一， 馮 榮

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 蘭州 730050； 3.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050)

帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能分析

李金平1, 2, 3， 胡瑩瑩1, 2, 3， 韓敬一1, 2, 3， 馮 榮1, 2, 3

(1.蘭州理工大學(xué) 西部能源與環(huán)境研究中心， 蘭州 730050； 2.西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 蘭州 730050； 3.甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730050)

為改變寒冷月份恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)能耗大以及系統(tǒng)排料中熱量得不到有效利用的現(xiàn)狀，文章設(shè)計(jì)了帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，將部分沼液回流以及設(shè)計(jì)沼液回?zé)崞鲗?duì)沼液熱量進(jìn)行回收，并為其增添了合理的保溫措施，同時(shí)結(jié)合蘭州地區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能性分析，結(jié)果表明: 帶有回?zé)峄刭|(zhì)的沼氣系統(tǒng)日溫降在0.5℃以下，每月可節(jié)約水資源85噸，30℃，37℃和52℃發(fā)酵時(shí)，節(jié)能率分別達(dá)到48.24%，49.43%，50.92%，有效降低了外部能源加熱的成本消耗，節(jié)能效果良好。

恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)； 寒冷月份； 沼液回?zé)崞鳎?熱損失； 節(jié)能性

沼氣系統(tǒng)恒溫發(fā)酵可獲得較好產(chǎn)氣效果[1]，而環(huán)境溫度會(huì)造成發(fā)酵溫度的波動(dòng)。眾多學(xué)者對(duì)環(huán)境溫度對(duì)沼氣系統(tǒng)產(chǎn)能的影響做了大量研究[2-4]。Alvarez[5]等人曾研究過高緯度寒冷地區(qū)的厭氧發(fā)酵效果，發(fā)現(xiàn)不同的發(fā)酵溫度下產(chǎn)氣量和環(huán)境溫度成正比； 溫度是厭氧發(fā)酵過程中最重要的影響因素，控制著厭氧發(fā)酵過程中頂級(jí)群落的形成； 30℃發(fā)酵可獲得最優(yōu)的產(chǎn)氫菌活性，所產(chǎn)沼氣中CH4含量相對(duì)較高，37℃發(fā)酵時(shí)可達(dá)到中溫發(fā)酵產(chǎn)氣峰值，52℃發(fā)酵則可達(dá)到高溫發(fā)酵的產(chǎn)氣高峰[6]。維持恒溫產(chǎn)氣可從保證熱量輸入和減少熱耗散這兩方面入手，大量的工程實(shí)踐也證明，要在寒冷地區(qū)獲得良好的厭氧發(fā)酵效果, 須對(duì)發(fā)酵裝置采取一定的保溫和增溫措施以保證沼氣發(fā)酵高效運(yùn)行[4]：1)對(duì)發(fā)酵罐外壁添加保溫層以減少罐體與外部環(huán)境溫差較大而引起的熱耗散； 2)利用外部熱源對(duì)沼氣工程加熱以補(bǔ)充發(fā)酵過程所需的熱量，其中，化石能源鍋爐及沼氣鍋爐的加熱方式，經(jīng)濟(jì)效益及能源利用率都較低[7-10]； 太陽能加熱的方式具有良好的能源、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益[11-13]，但易受天氣因素影響，熱能供應(yīng)的連續(xù)穩(wěn)定性方面有待提高； 余熱利用的方式目前多為沼氣發(fā)電余熱利用，但這種余熱利用方式多適用于大型沼氣發(fā)電工程[14-16]。

沼氣工程的排料攜帶大量熱能，通常處理方式為直接排放，不僅要消耗大面積場(chǎng)地容納排料，造成了熱浪費(fèi)和熱污染，沼液中未分解的有機(jī)物也無法再利用[17-18]。如果對(duì)排料中熱能加以回收利用，可有效降低沼氣工程的外部能源輸入，降低成本[17-18]。已有學(xué)者嘗試將沼液回流代替水稀釋發(fā)酵物料，但由于沼液自身粘度較高，回流過多會(huì)影響發(fā)酵物之間的傳熱傳質(zhì)過程，以及厭氧反應(yīng)的產(chǎn)氣性能，所以沼液回流量有限[19]，大部分的沼液熱量仍無法得到有效利用； 有學(xué)者嘗試設(shè)計(jì)沼液—水換熱器進(jìn)行換熱，但由于沼液自身物性，所設(shè)計(jì)換熱器存在體積大，換熱效率低，換熱時(shí)腔體易堵塞，實(shí)用性差等問題[17]。

故針對(duì)上述單一方式進(jìn)行沼液回流或沼液換熱所產(chǎn)生的缺陷，筆者將沼液回流與沼液-水換熱相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)排料中熱能的充分回收，并對(duì)寒冷月份(12月，1月，2月)3種發(fā)酵溫度下(30℃，37℃，52℃)系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行分析。

1 帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程

如圖1所示，在蘭州地區(qū)設(shè)計(jì)構(gòu)建一套帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，采用兩相厭氧發(fā)酵工藝，系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)池，酸化罐，厭氧發(fā)酵罐，外部熱源，儲(chǔ)熱水箱，沼液回?zé)崞鹘M成。牛糞等發(fā)酵原料經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)入調(diào)節(jié)池進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后進(jìn)入酸化池酸化并以水浴加熱的方式將物料加熱至發(fā)酵所需溫度，該部分熱水由外部熱源加熱，之后物料進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐發(fā)酵。

圖1 帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)

沼氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用30℃，37℃，52℃進(jìn)行恒溫發(fā)酵，發(fā)酵物TS取8%，連續(xù)進(jìn)出料，日排料9.5 m3。每日排料中，30%料液排出后直接進(jìn)入調(diào)節(jié)池稀釋并加熱發(fā)酵原料，剩余70%進(jìn)入沼液回?zé)崞髦信c水進(jìn)行換熱，換熱后的水進(jìn)入調(diào)節(jié)池用于調(diào)節(jié)物料TS并對(duì)其升溫。

酸化罐和厭氧發(fā)酵罐為發(fā)酵主體部分，其中，酸化罐總?cè)莘e為75 m3，內(nèi)池半徑2 m，高取6 m； 厭氧發(fā)酵罐總?cè)莘e為318 m3，內(nèi)池半徑4.5 m，高為5 m，兩種罐體采取的保溫材料和厚度相同，則各部分材料，厚度及導(dǎo)熱系數(shù)[20]如表1所示。

表1 發(fā)酵罐各部分材料、厚度及導(dǎo)熱系數(shù)

1.2 沼液回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程

設(shè)計(jì)沼液回?zé)崞魇菍?shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)，圖2為沼液回?zé)崞魇疽鈭D。內(nèi)水箱、篩網(wǎng)均固定在支架上，沼液貯存箱由升降裝置控制可上下活動(dòng)。沼液貯存箱直徑3 m，高 1.41 m，容積10 m3，內(nèi)水箱直徑2.06 m，高1 m，容積3.3 m3，裝置每日將6.65 m3的沼液與6.65 m3的水進(jìn)行換熱，水分兩次加入。沼液回?zé)崞魍獗诎?50 mm厚的保溫層，沼液貯存箱、頂蓋板和內(nèi)水箱選用304不銹鋼。沼液沼渣進(jìn)入沼液回?zé)崞鬟M(jìn)行換熱前，上升沼液貯存箱至支架頂端，沼液沼渣進(jìn)入后與內(nèi)水箱換熱，回?zé)峤Y(jié)束，下降沼液貯存箱，使篩網(wǎng)與液體界面分離，篩網(wǎng)中的沼液不斷滴入沼液箱，實(shí)現(xiàn)固液分離。

2 3種發(fā)酵溫度下系統(tǒng)相關(guān)熱損失和節(jié)能量計(jì)算

2.1 系統(tǒng)熱損失和溫降計(jì)算方法

甘肅蘭州位于中國西北地區(qū)，冬季寒冷氣溫偏低[21]。極端低溫的環(huán)境會(huì)影響沼氣系統(tǒng)產(chǎn)氣量，為保證產(chǎn)能，必須在原有程度上增大外部熱量的輸入； 而低溫環(huán)境會(huì)增強(qiáng)發(fā)酵罐內(nèi)部與環(huán)境間的傳熱，使熱耗散加大，需對(duì)系統(tǒng)的保溫措施進(jìn)行合理設(shè)計(jì)并計(jì)算[3, 22]。

圖2 沼液回?zé)崞魇疽鈭D

發(fā)酵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，通過攪拌、溫控系統(tǒng)的調(diào)控，罐體內(nèi)液體、氣體的溫度基本穩(wěn)定在所需的發(fā)酵溫度。若不對(duì)發(fā)酵罐加熱，其保溫措施應(yīng)使罐內(nèi)料液日均溫度變化控制在1℃以下[22]。以此為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)，并對(duì)每日熱損失和溫降進(jìn)行計(jì)算。發(fā)酵罐散熱損失為酸化罐散熱損失與厭氧發(fā)酵罐散熱損失之和，考慮到酸化罐內(nèi)物料由外部熱源加熱，罐內(nèi)溫度恒定，且酸化罐內(nèi)物料會(huì)進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐，故不計(jì)算酸化罐排料熱損失和日溫降[22]。

系統(tǒng)熱損失主要由發(fā)酵罐散熱損失和排料損失組成[23]，故系統(tǒng)每日熱損失QL可由下式計(jì)算：

QL=Qp+QT

(1)

式中：QP為沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)排料中熱量，MJ；QT為發(fā)酵罐散熱損失，MJ。

沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)排料中熱量QP的計(jì)算方法為[20]：

Qp=cpmpΔt

(2)

式中：cp為排料的比熱，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[24]可知，TS為8%時(shí)，排料比熱取4.164 kJ·kg-1K-1；mp為排料質(zhì)量，系統(tǒng)日排料量為9.5 m3，密度取995 kg·m-3，故排料質(zhì)量取9452.5 kg； △t為排料溫度與環(huán)境溫度的溫差，℃。

發(fā)酵罐熱損失[20]QT的計(jì)算方法為：

QT=Qs+Qw+Qg

(3)

式中：Qs為發(fā)酵罐罐體總散熱損失，MJ；Qw為罐內(nèi)水分蒸發(fā)熱損失，MJ；Qg為沼氣帶走的顯熱損失，MJ。實(shí)際中，酸化罐產(chǎn)氣量非常少，故沼氣排出帶走的顯熱損失可忽略不計(jì)。

發(fā)酵罐罐體總散熱損失Qs主要由罐壁散熱損失Qb，罐頂散熱損失Qt和罐底散熱Qd組成[20]，計(jì)算方法如下：

Qs=Qb+Qt+Qd

(4)

其中，罐壁熱損失Qb計(jì)算：

(5)

罐頂熱損失Qt計(jì)算：

(6)

罐底熱損失Qd計(jì)算：

(7)

公式(5)，(6)，(7)中：L為發(fā)酵罐高度，m； tw為罐體內(nèi)壁溫度，取發(fā)酵溫度，℃； t∞為環(huán)境溫度，℃； di為由內(nèi)到外發(fā)酵罐外壁材料直徑，m； h∞為空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)，寒冷地區(qū)冬季取8.5W·m-2K-1； δti為罐體頂部對(duì)應(yīng)各種材料的厚度，δdi為底部對(duì)應(yīng)各種材料的厚度，m； λwi，λti，λdi為發(fā)酵罐外壁、罐頂以及罐底各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1K-1； τ∞為換熱時(shí)間； At為罐頂面積，Ad為罐底面積，m2； td為地下1米深度處土壤溫度，取-10℃。

罐內(nèi)水分蒸發(fā)熱損失Qw是蒸汽顯熱和水的汽化潛熱的總和，可由下式計(jì)算[25-26]：

(8)

式中：Ww為沼氣流中水蒸氣的質(zhì)量流率，kg·d-1；Hw為水的汽化潛熱，取2415 kJ·kg-1；cw為水蒸氣的比熱，取1.882 kJ·kg-1K-1；t為發(fā)酵溫度，℃。

沼氣中水蒸氣質(zhì)量流率可由下式求得[25-26]：

(9)

式中：v為發(fā)酵罐有效容積，取252 m2； γ為甲烷的體積產(chǎn)率，按沼氣中甲烷含量平均值65%記，甲烷的體積產(chǎn)率為1.381 m3·m-3d-1；f為沼氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)，即65%；

Xw為沼氣中水的分子分?jǐn)?shù)，可由下式計(jì)算[25-26]：

(10)

綜上可求得發(fā)酵罐的水分蒸發(fā)熱損失Qw。

由于沼氣的主要成分為CH4和CO2，所以沼氣排出帶走的顯熱損失主要為CH4和CO2二者的顯熱之和，則沼氣帶走的顯熱損失Qg計(jì)算式如下[25-26]：

由發(fā)酵罐參數(shù)計(jì)算可知，發(fā)酵罐中料液每下降1℃損失的熱量Qf為1045.585 MJ，則發(fā)酵罐日下降溫度Td可由下式計(jì)算：

Td=QT/Qf

(12)

2.2 沼液回?zé)崞骰責(zé)崃坑?jì)算方法

沼氣系統(tǒng)每日排料中有70%，即6.65 m3排料進(jìn)入沼液回?zé)崞?，不考慮管路損失等因素，沼液與內(nèi)水箱外壁面、水與內(nèi)水箱內(nèi)壁面之間均為自然對(duì)流換熱[20]。由熱量計(jì)算公式，自然對(duì)流微分方程組、傅里葉導(dǎo)熱定律和牛頓冷卻定律得到公式(13)～(15)，式中C和n值根據(jù)Gr數(shù)確定[20]。對(duì)公式(15)分段積分計(jì)算出Ф2。再根據(jù)公式(13)計(jì)算出換熱后的水溫，進(jìn)一步求得沼液回?zé)崞骰厥諢崃浚?/p>

(14)

(15)

公式(13)～(15)中：Qh為沼液回?zé)崞髦姓右旱臒崃?，τ∞為換熱時(shí)間，24 h，Ф1為外壁與外環(huán)境間的熱流量，Ф2為沼液與水換熱的熱流量，t1為開始換熱時(shí)壁溫，t2為結(jié)束換熱時(shí)壁溫，t∞為外環(huán)境溫度，h1為外壁與環(huán)境對(duì)流換熱系數(shù)，A1為外壁表面積，Δt1為外壁與環(huán)境溫差，tf為發(fā)酵溫度，h2為沼液與內(nèi)水箱對(duì)流換熱系數(shù)，A2為內(nèi)水箱表面積，Δt2為沼液與內(nèi)水箱中水的溫差； 沼液初始溫度為30℃，37℃和52℃，初始水溫5℃。

計(jì)算時(shí)，沼液回?zé)崞鲀?nèi)特征長度取內(nèi)水箱高1 m，特征溫度選取內(nèi)水箱內(nèi)外溫度和的平均值； 沼液回?zé)崞髋c外界環(huán)境換熱特征值取沼液儲(chǔ)存箱高1.41 m，特征溫度取外壁與環(huán)境溫度和的平均值。式中C，n的選取可參照表2選取[20]。

2.3 系統(tǒng)節(jié)能效果計(jì)算方法

排料中的70%進(jìn)入沼液回?zé)崞髋c水完成換熱，剩余30%的沼液代替水進(jìn)入調(diào)節(jié)池與發(fā)酵原料混合，實(shí)現(xiàn)對(duì)料液中熱量的回收，則回?zé)峄刭|(zhì)后，系統(tǒng)的每日熱損失QLr應(yīng)為：

表2 常數(shù)C和n值選擇

QLr=QL-Qr

(16)

式中：Qr為沼液回?zé)崞骰厥諢崃颗c沼液液回流部分所含熱量之和，即總節(jié)能量。

系統(tǒng)節(jié)能量用于提升進(jìn)料溫度，則提升后溫度[20]可用公式(17)求得：

(17)

蘭州地區(qū)冬季寒冷，日照時(shí)間短，強(qiáng)度弱，取蘭州寒冷月份平均日輻照13.4 MJ·m-2計(jì)，由公式(18)求得以太陽能作為外部熱源的沼氣系統(tǒng)所節(jié)約太陽能集熱器面積[27]：

(18)

式中：As為節(jié)省的太陽能集熱面積，m2；Qra為寒冷月份平均日節(jié)能量，MJ；HT為單位集熱面積日平均太陽輻照量；ηs為太陽能集熱器集熱效率，取0.5；ηg為管路及熱水箱熱損失，取0.2。

若以燃料(沼氣，煤炭)作為沼氣系統(tǒng)外部熱源，則帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣系統(tǒng)寒冷月份節(jié)省燃料量可由下式計(jì)算[7]。

寒冷月份節(jié)省煤炭量計(jì)算公式：

Qrt=mqcηc

(19)

式中：Qrt為寒冷月份總節(jié)能量，MJ；m為沼液余熱回收年節(jié)省標(biāo)煤質(zhì)量，kg；qc為標(biāo)煤熱值，29.3 MJ·kg-1；ηc為燃煤加熱系統(tǒng)效率，取0.7。

寒冷月份節(jié)省沼氣計(jì)算公式：

Qrt=Vqmηm

(20)

式中：V為寒冷月份燃?xì)忮仩t消耗沼氣體積；qm為沼氣低位熱值，取22.1 MJ·m-3(按甲烷含量為65%計(jì)算)；ηm為沼氣鍋爐加熱系統(tǒng)效率，取0.75。

3 結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)相關(guān)熱量計(jì)算結(jié)果

蘭州地區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)[21]如圖3所示：

圖3 蘭州地區(qū)寒冷月份(12月，1月，2月)日環(huán)境溫度

由圖3可知，蘭州地區(qū)12月，1月，2月這3個(gè)月份氣候寒冷，日平均環(huán)境溫度在-11.8℃～3.8℃之間，以此為計(jì)算數(shù)據(jù)，可對(duì)本文構(gòu)建的帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)熱損失及節(jié)能量進(jìn)行計(jì)算, 并對(duì)節(jié)能性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

為評(píng)價(jià)回?zé)峄刭|(zhì)后系統(tǒng)的節(jié)能性，對(duì)未采取節(jié)能措施前，寒冷月份不同發(fā)酵溫度下沼氣系統(tǒng)熱損失進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示：

圖4 寒冷月份不同發(fā)酵溫度未節(jié)能時(shí)系統(tǒng)每日熱損失

由圖4可以看出，寒冷月份發(fā)酵溫度為30℃，37℃，52℃時(shí)，沼氣系統(tǒng)未采取相應(yīng)節(jié)能措施時(shí)，每日熱損失分別為1541.72～1622.93 MJ，1879.55～1960.78 MJ和2607.33～2688.61 MJ，52℃發(fā)酵時(shí)的系統(tǒng)熱損失相比于30℃發(fā)酵時(shí)增加了66.09%，相比于37℃發(fā)酵時(shí)增加了37.26%，熱損失的增大意味著外部熱源投入的加大，52℃發(fā)酵雖有利于提高沼氣產(chǎn)量，但為了維持高溫恒溫發(fā)酵所投入的外部能源成本也會(huì)增大許多。

發(fā)酵罐采取保溫措施后，對(duì)寒冷月份不同發(fā)酵溫度下發(fā)酵罐內(nèi)部日溫降進(jìn)行計(jì)算，以評(píng)價(jià)其保溫性能，結(jié)果如圖5所示：

圖5 寒冷月份不同發(fā)酵溫度系統(tǒng)發(fā)酵罐每日溫降

由圖5可知，在寒冷月份，30℃，37℃和52℃這3種發(fā)酵溫度下，環(huán)境溫度低至-11.8℃，發(fā)酵罐的保溫設(shè)計(jì)仍可以保證罐內(nèi)料液日溫降在0.5℃以下，即發(fā)酵罐日溫降不會(huì)影響罐內(nèi)發(fā)酵過程。

通過計(jì)算，寒冷月份不同發(fā)酵溫度下沼液回?zé)崞骰厥諢崃拷Y(jié)果如圖6所示：

圖6 寒冷月份不同發(fā)酵溫度沼液回?zé)崞魅栈厥諢崃?/p>

由圖6可知，寒冷月份30℃，37℃，52℃發(fā)酵時(shí)，沼液回?zé)崞魅栈責(zé)崃糠謩e為326.96～332.63 MJ，420.12 ～425.82 MJ和619.73～625.47 MJ，從發(fā)酵溫度來看，沼液回?zé)崞骰責(zé)崃颗c發(fā)酵溫度成正比，溫度越高，回收熱量越多； 從整體來看，沼液回?zé)崞骰責(zé)嵯鄬?duì)穩(wěn)定，日回?zé)崃坎▌?dòng)小，即回?zé)崃渴墉h(huán)境溫度影響小，裝置可靠。

將回?zé)峄刭|(zhì)后的沼氣系統(tǒng)的相關(guān)節(jié)能量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，如圖7所示：

圖7 寒冷月份不同發(fā)酵溫度下沼氣系統(tǒng)節(jié)能量

由圖7可以看出，寒冷月份30℃，37℃，52℃發(fā)酵時(shí)，帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣系統(tǒng)的整體節(jié)能情況。30℃，37℃，52℃發(fā)酵時(shí)，進(jìn)入沼液回?zé)崞鞯?0%的料液，其總熱能分別為74.40 GJ，91.76 GJ和128.96 GJ，沼液回?zé)崞骺煞謩e從中回收熱量29.66 GJ，37.49 GJ和56.01 GJ，回?zé)崧史謩e為39.87%，40.86%和43.43%； 將30%沼液回流，相當(dāng)于將其熱量直接回收，回收總熱量分別為31.88 GJ，39.32 GJ和55.27 GJ； 則寒冷月份以回?zé)峄刭|(zhì)的形式對(duì)沼氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能，總節(jié)能量分別為61.54 GJ，76.81 GJ和111.28 GJ，節(jié)能率分別為42.50%，43.84%，46.27%。

3.2 系統(tǒng)的節(jié)能性分析

3.2.1 沼液回?zé)峄刭|(zhì)節(jié)能效果分析

沼液自身粘性和其中部分難降解物質(zhì)會(huì)影響沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能，故在寒冷季節(jié)30℃，37℃和52℃發(fā)酵時(shí)，將每日沼液回流量控制在30% 左右，以保證沼氣系統(tǒng)產(chǎn)氣不受影響的同時(shí)每月可節(jié)約水資源85噸； 沼液回流熱量結(jié)合沼液回?zé)崞骰責(zé)崃?，在沼氣系統(tǒng)外部熱量輸入不變的情況下，可將料液初溫從5℃分別提升至22.37℃，26.68℃，30.41℃。

3.2.2 沼液回?zé)峄刭|(zhì)-太陽能加熱方式節(jié)能效果分析

由公式(18)計(jì)算得出，采用沼液回流、沼液回?zé)崞骰責(zé)峤Y(jié)合太陽能集熱器加熱的方式對(duì)沼氣系統(tǒng)加熱，在30℃，37℃和52℃這3種發(fā)酵溫度下，可節(jié)省的太陽能集熱器面積分別為127.58 m2，159.23 m2和230.68 m2。

3.2.3 沼液回?zé)峄刭|(zhì)-燃料加熱方式節(jié)能效果分析

由公式(19)，(20)計(jì)算出寒冷月份30℃，37℃和52℃發(fā)酵時(shí)，以煤炭作為外部能源加熱時(shí)，采用沼液回流和沼液回?zé)崞骰責(zé)岬暮銣卣託馍a(chǎn)系統(tǒng)可減少燃煤量3.00噸，3.75噸和5.43噸； 以沼氣作為外部能源加熱的條件下，可減少沼氣消耗3713.07 m3，4634.37 m3和6713.62 m3。

4 結(jié)論

(1)在寒冷月份(12月，1月，2月)30℃，37℃和52℃發(fā)酵時(shí)，沼氣系統(tǒng)采用沼液回?zé)崞骰責(zé)?，回?zé)崧史謩e為39.87%，40.86%和43.43%，結(jié)合沼液回流的方式，節(jié)能效果明顯，節(jié)能率分別達(dá)到42.50%，43.84%，46.27%。

(2)寒冷季節(jié)沼氣系統(tǒng)在原有能量攝入的基礎(chǔ)上需額外增加外部能源輸入，帶有回?zé)峄刭|(zhì)的恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，以30℃，37℃和52℃發(fā)酵時(shí)，采用太陽能加熱的方式，可節(jié)省太陽能集熱器面積127.58 m2，1459.23 m2和230.68 m2； 采用燃煤加熱的方式，可節(jié)省燃煤量3.00噸，3.75噸和5.43噸； 采用沼氣燃燒加熱的方式，可節(jié)省沼氣3713.07 m3，4634.37 m3和6713.62 m3。

(3)將排料中30%的沼液直接回流，在直接回收熱量的同時(shí)，避免了沼液回流量過大而影響沼氣系統(tǒng)發(fā)酵物質(zhì)間的傳熱傳質(zhì)； 用沼液回?zé)崞鲗?duì)剩余70%排料進(jìn)行回?zé)幔苊饬瞬捎脫Q熱器而造成腔體堵塞等問題的發(fā)生。沼氣系統(tǒng)采用回?zé)峄刭|(zhì)的方式，回?zé)嵝Ч己?，其回?zé)岱绞脚c沼氣系統(tǒng)的加熱方式無關(guān)，故具有很好的適用性。

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Energy Saving Analysis on Thermostatic Biogas Digester System with Heat and Mass Recycling /

LI Jin-ping1, 2, 3， HU Ying-ying1, 2, 3， HAN Jing-yi1, 2, 3， FENG Rong1, 2, 3/

(1.Western China Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China； 2. China Northwestern Collaborative Innovation Center of Key Technology for Northwest Lowcarbon Urbanization, Lanzhou 730050, China； 3. Gansu Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy, Lanzhou 730050, China)

In order to change the situation of high energy consumption during the operation of thermostatic biogas digesters and heat wasting during the discharging in cold months, a thermostatic biogas digester system with heat and mass recycling was designed, in which the heat from biogas slurry was recovered by reflowing part of slurry and a designed heat regenerator, and some additional heat insulation measures.Meanwhile, the systematic energy saving analysis was made adopting typical meteorological data in Lanzhou.. The results showed that the daily temperature drop for the heat and mass recycling system was less than 0.5℃, 85 tons of water could be saved every month. And under the fermentation temperature of 30℃, 37℃ and 52℃, the energy saving rate were 48.24%, 49.43% and 50.92% respectively, effectively reduced the cost of external heating energy consumption.

thermostat biogas digester system; cold months; biogas slurry heat generator; heat loss; energy saving

2015-11-02

2015-11-06

項(xiàng)目來源： 國家“863”計(jì)劃課題(2014AA052801)； 甘肅省杰出青年基金(2012GS05601)； 蘭州理工大學(xué)“紅柳杰出人才計(jì)劃”(Q201101)

李金平(1977-)，男，寧夏中寧人，教授，主要從事先進(jìn)可再生能源系統(tǒng)方面的研究工作，E-mail:lijinping77@163.com

S216.4; TK115

B

1000-1166(2016)06-0058-07