張蕾蕾　張重　袁存亮　丁偉

摘 要：為解決北方寒冷地區(qū)沼氣工程的越冬生產(chǎn)問題，本文以一個總反應體積300m3的沼氣示范工程建設為例，通過采取巖棉和聚氨酯發(fā)泡保溫，以及利用太陽能集熱器集熱并通過反應器底部蓄熱換熱水箱蓄能增溫的方式，來保證厭氧反應器在中溫條件下穩(wěn)定生產(chǎn)運行，同時通過熱平衡分析，計算了維持反應器中溫厭氧發(fā)酵所需要的太陽能集熱器面積以及反應器底部蓄熱換熱水箱的容積，為沼氣示范工程建設提供可靠的理論依據(jù)。

關鍵詞：沼氣;高濃度;反應器;增保溫

中圖分類號：S23 文獻標識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201015017

隨著沼氣綜合利用技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)外規(guī)?；笾行驼託夤こ倘找嬖龆啵绕涫歉邼舛任锪现袦貐捬醢l(fā)酵逐漸成為規(guī)?；託夤こ贪l(fā)展的趨勢，溫度是影響厭氧發(fā)酵的關鍵因素之一，由于北方地區(qū)冬季氣溫較低，要想保證沼氣中溫厭氧發(fā)酵工程常年穩(wěn)定運行生產(chǎn)沼氣，需采取必要的增溫和保溫措施，使反應器內(nèi)發(fā)酵料液的溫度不受外界環(huán)境氣溫的影響而保持相對穩(wěn)定。為減少沼氣生產(chǎn)過程中物料熱量散失，節(jié)約耗能，設計厭氧反應器外部整體聚氨酯發(fā)泡保溫，利用聚氨酯優(yōu)良的保溫隔熱效果對厭氧反應器進行保溫，反應器底部鋪設巖棉保溫，從而實現(xiàn)良好的保溫作用。同時，為了維持反應器內(nèi)發(fā)酵物料溫度穩(wěn)定，采取太陽能集熱增溫的方式，利用太陽能集熱器進行熱能的收集和傳送，由集熱器內(nèi)的熱水通過蓄熱換熱水箱對反應器內(nèi)發(fā)酵料液傳熱增溫。

本文通過設計實例，分析了冬季維持反應器中溫厭氧發(fā)酵穩(wěn)定運行所需要的熱量，并通過熱平衡分析，計算出所需的太陽能集熱器面積以及蓄熱換熱水箱的容積，這樣通過采取合理的增溫和保溫措施解決了反應器能量散失問題，促進沼氣工程的穩(wěn)定運行。

1 研究實例

畜禽糞便高濃度厭氧發(fā)酵反應器，立式圓柱罐體結構?？偡磻w積：300m3;日進料量：8.5m3·d-1;總固體物（TS）濃度：15%左右;發(fā)酵溫度：35±2℃;水力停留時間HRT：28d;罐體尺寸：φ10.2m×3.75m，錐頂高度：1.3m;建筑結構：鋼結構;保溫材料：罐體底部巖棉保溫，側(cè)壁及錐形頂面聚氨酯發(fā)泡保溫，做到處處密合，不留間隙。

2 熱平衡分析計算

對于沼氣厭氧發(fā)酵工程來說，根據(jù)能量守恒定律，反應器散失的熱量和加熱所需的熱量應相等，才能保證厭氧發(fā)酵溫度恒定。反應器每天的熱量損失主要包括厭氧反應器散失的熱量，以及每天新加入物料升溫所需的熱量。

2.1 厭氧反應器散失的熱量計算

通過反應器結構損失的熱量按多層熱傳導來計算，計算公式[1]：

式中，Q1為反應器單位時間散失的熱量，J·s-1;Q底為單位時間通過反應器罐體底部散失的熱量，J·s-1;Q側(cè)為單位時間通過反應器罐體側(cè)壁散失的熱量，J·s-1;Q頂為單位時間通過反應器罐體頂面散失的熱量，J·s-1;A1為底部傳熱面積，為81.67m2;A2為側(cè)壁傳熱面積，為120.1m2;A3為頂部傳熱面積，為84.28m2;T0為反應器內(nèi)發(fā)酵物料厭氧期內(nèi)平均溫度，取35℃;T1為環(huán)境最低氣溫，取-25℃;δ1為反應器底部、側(cè)壁鋼質(zhì)槽體厚度，為0.008m;δ2為聚氨酯保溫層厚度，為0.12m;δ3為沼氣層厚度，按0.65m計算;δ4為罐體底部巖棉層厚度，為0.05m;δ5為錐形頂?shù)匿撡|(zhì)槽體厚度，為0.006m;λ1為鋼板導熱系數(shù)，為45W·m·K-1;λ2為聚氨酯保溫材料導熱系數(shù)，為0.028W·m·K-1;λ3為沼氣層導熱系數(shù)，為0.05W·m·K-1;λ4為巖棉保溫材料導熱系數(shù)，為0.041W·m·K-1。其中，A1、A2、A3的值根據(jù)反應器的結構尺寸計算得到;T0、T1、δ1、δ2、δ3、δ4、δ5的值為設計值;λ1、λ2、λ3、λ4的值取自工程熱力學、傳熱學等資料[2，3]規(guī)定的鋼板材料、聚氨酯保溫材料、沼氣、巖棉保溫材料的導熱系數(shù)。

將各參數(shù)代入公式計算得出反應器單位時間散失的熱量為Q1=5638.12J·s-1，那么24h反應器散失的總熱量為487.13MJ。

2.2 反應器新加入物料升溫所需的熱量計算

反應器新加入物料升溫所需熱量計算公式[4]：

Q2=cm（t1-t2）（2）

式中，c為料液的比熱容（新加入料液干物質(zhì)濃度約為15%，略低于水的比熱）取3.5kJ·kg·℃-1;m為每天新加入反應器的料液量（濕牛糞密度按0.9×103kg·m-3計，則m為7.65×103kg）;t1為反應器內(nèi)部發(fā)酵料液溫度，取35℃;t2為新加入料液的溫度，取10℃。

計算得出：Q2=669375kJ=669.375MJ。則，厭氧反應器每天總的熱量損失為：

Q總=Q1+Q2=487.13+669.375=1156.505MJ

即反應器1d中維持恒溫發(fā)酵所需要的總熱量。

3 太陽能集熱器和蓄熱換熱水箱的工作原理及參數(shù)計算

蓄熱換熱水箱設置在反應器罐體的底部，利用太陽能集熱器吸收太陽能熱量，并將其儲存在蓄熱換熱水箱中，通過蓄熱換熱水箱將熱能傳遞給發(fā)酵物料，起到增溫作用。蓄熱換熱水箱由于設置在反應器內(nèi)底部，并設有巖棉保溫層，水箱釋放出的熱量在反應器內(nèi)部傳遞，熱能損失少。同時由于蓄熱換熱水箱中的熱能是逐步傳遞給物料的，對熱能具有儲存和緩沖傳熱的功能，有利于保障物料發(fā)酵溫度穩(wěn)定。

3.1 太陽能集熱器面積計算

由于真空管式太陽能集熱器具有結構簡單、實用和價廉等特點，能夠滿足系統(tǒng)熱性能需要，適合北方寒冷地區(qū)冬季使用等特點，故選用真空管式太陽能集熱器為系統(tǒng)加熱。上面通過厭氧反應器的熱平衡分析，得到太陽能集熱器每天需要提供的熱量Q為1156.505MJ。所需太陽能集熱器面積通過每天所需的熱量負荷計算，公式[5]：

Q=AIηj1-ηs（3）

式中，A為集熱器有效集熱總面積，m2;Q為維持反應器恒溫發(fā)酵每天需要的總熱量，MJ;I為集熱器采光面在當?shù)氐娜掌骄栞椛鋸姸龋?3.42MJ·m-2·d-1）;ηj為太陽能集熱器平均集熱效率，取0.58;ηs為管路及儲水箱熱損失率，取0.1。

計算求得所需太陽能集熱器集熱面積A為165.1m2。本設計所用真空管式太陽能集熱器的真空管尺寸為直徑58mm，長度1800mm，單根管安裝后有效集熱面積為O.1044m2，通過計算得出太陽能集熱器所需太陽能真空管1581.4根，取整后確定需太陽能真空管1600根。

3.2 蓄熱換熱水箱容積的計算

系統(tǒng)中太陽能集熱器收集來的熱量儲存在蓄熱換熱水箱中，蓄熱換熱水箱中的熱水起到為發(fā)酵物料持續(xù)增溫傳熱的作用，確保反應器內(nèi)保持相對穩(wěn)定的厭氧發(fā)酵溫度。設物料溫度維持恒定的35℃（t1），從太陽能集熱器出來的熱水的溫度為65℃，若管路熱量散失忽略不計，則進入蓄熱換熱水箱的熱水的溫度也是65℃，設從蓄熱換熱水箱出來的水的溫度為45℃。

那么，在計算蓄熱換熱水箱的熱流量時，必須采用整個傳熱面上的對數(shù)平均溫差，其計算公式：

Δtm=t3-t1-t2-t1lnt3-t1t2-t1（4）

式中，t3為太陽能集熱器出水溫度，即蓄熱換熱水箱進水溫度，t3=65℃;t2為太陽能集熱器進水溫度，即蓄熱換熱水箱出水溫度，t2=45℃。將參數(shù)帶入公式計算可得：Δtm=18.2℃。

蓄熱換熱水箱的容積計算公式：

v=QcρΔtm（5）

式中，v為蓄熱換熱水箱的容積，m3;Q為維持反應器恒溫發(fā)酵每天需要的總熱量，MJ;c為水的比熱，4.20×103J/（kg·℃）;ρ為水的密度，kg·m-3。

通過計算，求得蓄熱換熱水箱的容積為15.13m3，該容積下的蓄熱換熱水箱可滿足反應器的熱能需求。

4 沼氣鍋爐加熱系統(tǒng)輔助增溫

由于北方寒冷地區(qū)冬季氣候比較惡劣，因此可以為沼氣發(fā)酵系統(tǒng)增設沼氣鍋爐加熱系統(tǒng)，主要由沼氣鍋爐、循環(huán)泵、循環(huán)管路、蓄熱換熱水箱、膨脹水箱等構成，如遇連續(xù)陰雪天或極寒天氣太陽能供熱不足時，可以利用沼氣鍋爐燃燒部分沼氣為發(fā)酵物料增溫，對系統(tǒng)進行能量補償，保證厭氧發(fā)酵正常產(chǎn)氣。

5 結論

通過對總反應體積300m3沼氣示范工程建設實例進行熱平衡計算分析，確定了反應器在采取相應保溫措施的條件下，維持反應器恒溫厭氧發(fā)酵所需要的太陽能集熱器面積和反應器罐體底部蓄熱換熱水箱容積的大小，為實際工程建設提供了可靠的理論依據(jù)。另外，在沼氣工程增溫上采用太陽能加熱的方式具有安全、方便、經(jīng)濟效益高、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點，適合于太陽能資源比較豐富的地區(qū)使用，對于北方寒冷地區(qū)沼氣工程的推廣應用具有借鑒作用。

參考文獻

[1] 韓捷，向欣，李想.干法發(fā)酵沼氣工程無熱源中溫運行及效果[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009（09）：215-219.

[2]戴鍋生.傳熱學[M].第2版.北京：高等教育出版社，2003.

[3]嚴家祿.工程熱力學[M].第3版.北京：高等教育出版社，2002.

[4]姚玉英，黃鳳廉，陳常貴，等.化工原理（上冊）[M].天津：天津大學出版社，2000：201-220.

[5]蒲小東，鄧良偉，尹勇，等.大中型沼氣工程不同加熱方式的經(jīng)濟效益分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010（07）：281-284.

（責任編輯 李媛媛）

收稿日期：2020-09-03

基金項目：吉林省科技發(fā)展計劃項目（項目編號：20200403160SF）

作者簡介：張蕾蕾（1981-），男，副研究員。研究方向：農(nóng)業(yè)廢棄物無害化處理及資源化利用。