高温太阳能集热系统在沼气池内发酵增温的应用

窦金波

摘要：针对湖南地区冬季气候寒冷、沼气池不产气的问题，结合该地区太阳能资源丰富的特点，将太阳能中高温集热装置和沼气发酵装置进行了组合，设计了一套新型的太阳能加热的沼气生产增温系统。该系统可以满足业主全年对沼气以及生活热水的需要，从而改善农村人居环境和生态环境，缓解农村生活用能和工业用能之间的矛盾，实现节能减排，加快社会主义新农村建设步伐，建设和谐的社会主义新农村有重要示范推广价值和重大社会经济意义。

关键词：太阳能；增温系统；沼气

中图分类号： TK6

文献标识码： A 文章编号： 16749944（2015）06031103

1 引言

近年来随着人们生活水平的提高，对肉类食品的需求逐年上升，因此集中在乡村周围的大型养殖企业也越来越多，利用牲畜粪产生沼气发电或向周围农户供气已经成为解决污染和清洁能源供给的主要手段，但是在冬季的地区，沼气池由于温度低于10℃就无法发酵产气，传统解决办法用锅炉加热，但成本较高，导致设备闲置一个冬季，针对寒冷地区太阳能资源充足、冬季寒冷的气候特色，设计出一套适合本地区使用的新型的太阳能加热的沼气发酵装置非常可行，采用太阳能增温系统后，池内温度可提升10～15℃，低成本地解决了沼气池冬季不产气的问题。

2 沼气池增温工艺技术方案

2.1 太阳能加热恒温系统的组成

太阳能加热恒温系统的结构示意图如图1所示。本系统主要由太阳能热水器、热水缓冲器、螺旋式换热器、自动控制系统（温度传感器、交流触电器、温控仪和电磁阀等）、循环泵和其它辅助部件组成。其功能是为中温发酵的沼气反应罐进行加热。

图1 太阳能加热系统的结构组成示意

2.2 太阳能加热恒温系统的工作原理

当反应罐内的温度小于设定温度时，由温度传感器反馈到温控箱，从而开启循环泵，促使热水缓冲器中的热水流经反应罐中的螺旋管式换热器进行循环，对液料进行加热，提升反应罐内的温度；当反应罐内的温度达到设定温度时，再由温度传感器反馈到温控箱，从而关闭循环泵，循环终止。热水缓冲器的主要功能是为了控制进入螺旋换热器中水的温度，防止温度过高。因为温度过高时容易引起局部污泥温度过高以及螺旋罐外壁结壳，通过热水缓冲器将进入螺旋管中的温度控制在50℃±2℃。热水缓冲器的工作原理分为两个循环。

第1循环

热水缓冲器的温度高于52℃时，其循环路线为：

热水缓冲器—循环泵—阀3—螺旋换热器—阀4—电磁阀3—热水缓冲器

此时，电磁阀1与电磁阀2关闭，切断与太阳能热水箱的循环；电磁阀3打开，循环水直接通过热水缓冲器进行循环，促使热水缓冲器中的温度降低。

第2循环

热水缓冲器的温度低于48℃时，其循环路线为：

热水缓冲器—循环泵—阀3—螺旋换热器—阀4—电磁阀2—太阳能热水器—电磁阀1—热水缓冲器

此时，电磁阀1与电磁阀2打开，联通与太阳能热水箱的循环；电磁阀3关闭，从而促使热水缓冲器温度升高。太阳能加热系统中还设有循环泵的总控装置。当太阳能水箱中的温度低于40℃时，关闭循环泵，避免循环泵长时间连续工作，节省电能。

3 方案设计（以岳阳枫树湾公司为例）

3.1 设计参数

3.1.1 环境温度

设计计算基本参数：

极限环境温度：夏季+42.5℃，冬季-15.8℃。

年平均温度14.5℃。

配置：换热水箱4t，温度55℃。

3.1.2 辐照参数

以岳阳地区（纬度28°13′，经度113°06′）数值作为参考标准，太阳辐射及天气参数数据见表1。

3.2 太阳能加热系统热平衡计算

为了验证太阳能热管加热系统是否能满足工作要求，对该系统的热负荷进行了理论计算。

3.2.1 沼气发酵装置的热损失计算

（1）沼气发酵装置散热损失的热量。单体沼气发酵装置几何尺寸见图2，该系统按照容积为1500m3进行设计，沼气发酵装置的直径为8m，高度为12m，液面高度9.6m，上方留有1.4m的沼气空间，下沉1m放置土壤里，在冬季最冷月份（12月），沼气池里料液温度需控制在15℃以上，才能确保正常运行。

图2 气池几何尺寸分布示意

发酵装置的外表面覆盖保温层，以减少损失，由于筒壁所引起的热阻与保温层相比较小，可以忽略不计，因此该发酵装置筒体内、外壁温度可视为相同，根据设计要求，保温层内表面温度t1=15℃，外表面温度为t2=5℃，保温层内外半径分别是R0和R1，此时传热过程包括保温层的热传导和保温层外壁与环境空气的对流导热，因此热损失速度可表示：

保温材料：聚氯乙烯保温板，厚度：10cm，λ=0.04652w/（m·℃）。

其中x为对流传热系数 ，取10 w/（m·℃） ， 筒体高度L=6.6m，计算得V=8.35W/m2，所以筒体保温层的热损失：

Q1= V*S*T=8.35×281.5×86400=0.203×106kJ。

由于筒体上部有1.4m的空气层，空气的导热系数很小，并且锥形顶盖覆有同样厚度的保温层，因此此处的热损失忽略不计。

由于沼气发酵装置是下沉放置在土壤中，土壤系统的传热问题，目前尚无令人满意的计算公式，作为一种估算，可将筒体底面散热视为恒壁温半无限大导热问题，取土壤的λ=0.5w/（m.℃），ρ=1500kg/m3，CP=1.9kJ/kg，由于沼气发酵装置的底部壁厚远远小于其高度，可将其散热设为大平壁散热问题，利用恒壁温半无限大导热公式，

即Q2=2FλρCPπTt

F为传热面积 ，F=πr2=3.14×42=50.24m2，

传热时间T=86400S，冬天12月份假设土壤温度为8℃，则温差t=7℃，

所以整个筒体的热损失为：

（2）进出料损失的热量。进出料损失的热量计算公式为：Q3=Cpm（t1-t2）。

式中：Cp为料液的比容量（新鲜料液浓度比较低，约为8%，可近似取水的比热量，Cp=4.2kJ/（kg.℃）；m为每天进入沼气池的新鲜料液量，m=20000kg；t1为沼气池内料液的温度，t1=15℃；t2为新鲜料液的温度，t2=8℃，计算得Q3= 0.058×106kJ。

每天沼气池总的热量损失：

3.2.2 沼气池获得热量计算

厌氧发酵反应产生的生物热。沼气池厌氧消化过程的反应随处理的物料不同而异。转化牲畜粪便成为

甲烷所产生的反应热，可有发酵料液有效能量（16.95kJ/kg）的3%以热量的形式放出而求取，每天新增加的料液为20000kg，所以发酵时所产生的总热量为QK=0.01×106kJ，沼气池可以获得的热量Q0=QK=0.01×106kJ。

3.2.3 系统每天总热负荷

系统每天总热负荷Q总=Q-Q0=0.701×106kJ-0.01×106kJ=0.691×106kJ。

为保证沼气池温度，太阳能加热系统在晴天获得能量Q太要大于Q总，即Q太≥Q总。

3.2.4 太阳能集热面积设计

由表1查得岳阳地区12月份平均太阳辐射量（水平）约为6.811MJ/（m2·d）；（倾角等于当地纬度）的约为10.961MJ/（m2·d），我们这里经过设计安装修正取8.5MJ/（m2·d）；则太阳能热管加热系统日均总集热量按下式计算，即

式中：A为集热器采光面积；I为郑州地区12月份集热器日均辐射强度8.5MJ/（m2·d）；ηi为集热器全日集热效率，取0.55；ηj为管路及储水箱损失率，取0.25；Q太取Q总= 0.691×106KJ；计算A=320m2。

需要集热面积320m2，集热器（58×1800×50支）集热面积为10.7m2，应安装29.9组，计划安装30组。

4 结论

该项目属节能减排工程项目，利用太阳能产生的热量作为加热热源，加热过程没有任何污染及相关的尾气，达到环保要求。该项目完成后池内温度可提升10～15℃，变常温为中温发酵，常温发酵的温度是10～30℃，每1立方米池容，一般日产气量为0.1～0.25m3。中温发酵最适宜的温度是30～35℃，每1立方米池容，日产气0.4～0.9m3；产气量可将树湾畜牧有限公司可实现产气率抬高2倍以上，每年至少多产沼气6.5万m3，折标准煤50余t，可以多发电力15万kW·h，经济效益明显。通过该项目的实施，可实现生态效益、社会效益和经济效益的统一。

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