徐州市马庄村秸秆太阳能沼气集中供气工程冬季运行分析

赵 曼， 林 聪， 苗 晓， 苗瑞福， 钟明珠

(1.中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083；2.徐州市环能生态技术有限公司， 江苏 徐州 221009)



徐州市马庄村秸秆太阳能沼气集中供气工程冬季运行分析

赵 曼1， 林 聪1， 苗 晓2， 苗瑞福2， 钟明珠1

(1.中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083；2.徐州市环能生态技术有限公司， 江苏 徐州 221009)

温度是影响沼气工程正常稳定运行的关键因素，冬季气温较低，难以维持沼气工程的正常产气，需采用必要的增温保温措施。徐州马庄村秸秆沼气工程采取日光温室加温保温方式，解决了寒冷季节沼气生产的问题。在冬季22天监测时间段内日光温室内外温差最高可升26.2℃，日光温室内温度最高达到了38.4℃。在太阳辐射的影响，日光温室对厌氧消化器的加热保温效应十分明显，在无太阳能辐射时，温室主要起保温作用。经测试，冬季消化器内温度维持在15.3℃～23.7℃，每户平均月用气量达19.1 m3，有效池容产气率可达0.42～0.52 m3·m-3d-1。利用太阳能日光温室对厌氧消化系统进行加热和保温，在无其他商品性能源消耗的情况下，切实提高了发酵池温度，保证了沼气工程冬季正常生产。

秸秆沼气工程；太阳能；日光温室；集中供气

以秸秆为消化原料生产沼气的能源-生态-环保工程，已成为新农村美丽乡村建设中的清洁能源生产、解决作物秸秆露天焚烧现象，减少PM2.5排放，改善农民生活环境，提高生活质量的重要手段之一。中国是农业大国，秸秆资源丰富，但因缺乏有效的处理方式，每年约有20%的秸秆被废弃[1]，而以秸秆为主要原料生产的沼气集中供气工程，不仅净化了农村环境，还实现资源的循环利用，使秸秆变废为宝，做到源于农民还于农民[2]，是实现秸秆资源化利用的有效途径。

但沼气工程最大的问题是冬季运行成本，因沼气产气量受温度影响，导致冬季物能转化率低，其中部分沼气工程因未采取有效的增温保温措施，冬季寒冷季节会出现发酵原料结冰，管道冻结，料液沼气管道冻结，加热管道冻结，设备冻结等现象[3]，使得沼气反应体系不能正常稳定的产气，甚至停止运行，加之有些工程发酵原料收集困难、规模较小、自动化程度低、运行管理不完善、冬季运行停止等问题[4]，使沼气工程的经济效益难以彰显，严重影响沼气工程的可持续性。所以，如何使沼气工程常年稳定运行，保持稳定高效的产气量是规模化沼气工程发展中必须要解决的问题。徐州地区冬季常年最低气温可达-1℃～4℃，冬季维持厌氧消化温度的能耗是影响沼气工程正常运行的关键问题之一。徐州市马庄村秸秆太阳能沼气工程采用日光温室增温保温的措施，在无其它外部能源消耗的情况下较好的解决了冬季因气温低不能正常产气的问题，是沼气工程冬季的运行问题解决方法的新思路。

1 工程介绍

1.1 背景概况

马庄村隶属徐州市贾汪区，地处徐州市东北方向25公里处，有五个自然村组成，共计有2600口人，678户农户，全村种植土地4100亩，主要种植的农作物为小麦和玉米。全村年出栏生猪约2000头，肉牛300头，每年有大量的废弃秸秆，为消纳利用农作物秸秆，改善村貌杜绝秸秆随意燃烧，先后分两次在马庄村部和上湖村建设了以秸秆为主要原料的沼气工程，陆续为400户农民提供了管道沼气。该沼气工程的特点是利用太阳能温室的保温加热效应，在冬季无其他能源加热的条件下，维持了沼气全年生产的连续性，工程年消耗农作物秸秆300多吨，所产生的沼渣用来种植蘑菇，沼液用来浇灌100多亩葡萄、蔬菜，产生了良好的经济、能源、生态、环保和社会效益。具体工艺流程见图1。

图1 沼气发酵工艺流程图

1.2 工程概况

该沼气一期工程于2012年4月建成并开始向农户供气，采用推流式沼气工艺(PFR),工程建设厌氧发酵罐300 m3；日光温室200 m2；湿式储气柜60m3；秸秆库160m2；蘑菇房200 m2；管道集中供气100户，铺设输气管道约2500 m。二期沼气工程于2013年12月开始施工，2014年5月20日开始供气，建成厌氧发酵罐500 m3；日光温室300 m2；湿式储气柜500 m3；秸秆库150 m2，管道集中供气300户，铺设输气管道约5800 m。新增加了智能化监控设备1套。目前，该工程已连续供气近3年5个月，保证了冬季正常供气。该工程建设内容详见表1和表2。

表1 主要构筑物

表2 主要设备

2 日光温室增温保温效果分析

温度是影响沼气发酵的关键因素之一，沼气工程要维持常年稳定运行，需要对发酵料液的温度进行严格控制，有实验表明发酵温度高于15℃时，沼气发酵才能较好的运行，当温度低于10℃时，产气率几乎为零[5]，且昼夜温度变化超过3℃，产气就会发生明显的变化，沼气工程要维持正常运行，还要保证温度的稳定。徐州地区冬季最冷月的平均气温约为-1℃～4℃，经测试夜间室外最低温度可达-9℃，在冬季低温下已不能维持沼气工程的正常运行。该沼气工程采用日光温室增温保温技术，使发酵温度稳定在一定范围内，在不消耗其他商品能源的条件下保证了沼气池在冬季寒冷情况下能够正常产气运行。

日光温室增温保温技术利用太阳能建筑采暖温室效应，日光温室本身作为集热储热的综合体，阳光透过温室表面覆盖材料将热量传递到室内，实现白天的增温蓄热；当夜间温度降低时，贮存在地面、后墙的热量又被释放出来，使温室内温度维持在一定范围。将厌氧消化器及进出料系统置于日光温室内，形成一个厌氧消化器和日光温室结合的一体化新能源互补系统，有效的利用太阳能来提供沼气工程冬季运行的能耗。有实验表明，沼气工程升温保温中对能耗影响最大的因素之一为环境温度[6]，而利用日光温室对厌氧消化器进行增温保温恰恰是对其周围环境进行加温，使消化器内温度维持在适宜的范围，有效降低了加温所需要的能耗和运行成本。

通过对该沼气工程运行的温度监测和农户沼气使用记录分析，表明了这种厌氧消化器和日光温室结合的一体化系统完全可以维持冬季的正常运行。

2.1 晴天时温室内外逐时温度变化情况

2014年12月连续对马庄村部日光温室内外温度进行了测试，晴天时温室内外逐时温度变化如图2。从图2中可看出，日光温室在晴天时的增温效果较明显，随着光强的增加，上午8:00以后温室内升温迅速，在12:00左右时温室内温度达到最高，为35.5℃，较室外温度12℃高出23.5℃，此时测得消化器内温度为23.7℃，完全保证了沼气工程的正常运行。14:00以后，随着阳光强度的变弱，环境温度降低，温室内温度也随之降低，16:00时室内外温差最小，仅有2.0℃。夜间随着环境温度的降低，室内温度基本维持在10℃以上，在凌晨最低时维持在7℃左右，而此时测得消化器内温度为17.5℃，消化器内温度衰减的延迟性和周期性使得消化温度在24小时内保证了沼气的连续生产。

图2 晴天时温室内外逐时温度

2.2 阴天时温室内外逐时温度变化情况

图3为阴天时日光温室内外逐时温度变化情况。整体来看，阴雨天温室内外温度较稳定，与晴天相比，温室内外昼夜温差较小。当天的环境平均温度约为7.2℃，温室内温度平均达到13.0℃，较室外高出约5.8℃，消化器内平均温度为15.3℃，温室起到了一定的保温作用。由此可见，冬季利用日光温室可以有效的维持消化器周边的环境温度，无论在晴天还是阴天，都能够使消化器反应温度维持在有效范围内，如果在阴天时再辅以其他商品性能源加热作为应急，将会更好的提高产气率。

图3 阴天时温室内外逐时温度

2.3 温室内外不同时刻温度变化情况

图4～图5为2014年12月18日至2015年1月8日马庄村部日光温室内外温度的变化趋势。以上午7时和下午13时监测的平均值绘制温度曲线，分析日光温室内外温度变化规律和加热保温的效果。

图4 上午7：00温室内外温度变化曲线图

图5 中午13:00温室内外温度变化曲线图

图4和图5分别为7:00，13:00时日光温室内外平均温度变化曲线，从图中可以看出，在相同的时间段，日光温室内的温度变化趋势是一致的，与室外温度相比，室内温度都有较大的提高。上午7:00室外平均温度仅为-1.4℃，室内平均温度达到8.5℃，提高了9.9℃。而室外最低温度发生在2015年1月2日，仅为-5.6℃，对应测得的温室内温度为7.0℃，提高了12.6℃。下午13:00时室外平均温度为12.0℃，室内平均温度达到32.6℃，提高了20.6℃，升温效果明显。在2014年12月18日室外温度为12.3℃时，日光温室内温度达到了38.2℃，提高了25.9℃，由于下午受太阳辐射影响，该时段温室的加热保温效应十分明显。2015年1月5日连续遇到了小雨和多云天气，上午7:00与下午13:00时温室内温度较室外仅升高了5℃～6℃，室内温度始终较低，此刻日光温室仅起到了保温的作用。因此建议在冬季阴雨天气时可采取必要的辅助保温措施，以保证沼气的正常生产。

从连续22天日光温室内7:00与13:00温度变化趋势分析，在无太阳能辐射的时间段，温室主要起保温作用，反映出温室内的温度变化较平缓。而在有太阳能辐射的时间段，室外环境温度提高，温室内温度上升明显，在监测时间段内室内外温差最高可升26.2℃。从图5中可以看到，2015年1月5日阴雨天气时，室内温度始终较低，上午7:00和下午13:00室内温度分别为12.9℃和14.0℃，二者仅提高了1.1℃，因此，在无太阳能可利用的时间段还应考虑其他能源的补充。

3 工程运行情况

该沼气工程主要以秸秆为发酵原料，不定时接入少量牛粪。进料TS浓度8%左右，水力滞留期为45～50天，日均产沼气250～315 m3左右,平均池容产气率为0.42～0.52 m3·m-3d-1。冬季利用日光温室效应增加池温和保温，在无任何外加热源的情况下运行良好，能够保证冬季正常供气。

3.1 沼气质量分析

理论上沼气中CH4约占60%，CO2约占40%，此外还有少量H2，N2，CO，H2S，NH3等[7]。沼气中气体成分和甲烷的含量决定了该沼气工程所产能的热值，在对日光温度保温性能测试的同时，对所产沼气的气体成分进行了测试，测试数据稳定，适合农户炊事所用，结果如表3。

表3 气体成分分析 (%)

3.2 供气规模和用气分析

该工程采用IC卡售气用气管理模式，目前供气户已达400户。根据马庄村沼气工程售气数据统计，农户最大用气量达到每户每月37.7 m3，每户每月最小用气量仅为7 m3，每户每月均用气量小于10 m3占总用气户数的6%，每户每月均用气量在10～20 m3占总用气户数的45%，每户每月均用气量在20～30 m3占总用气户数的37%，每户每月均用气量大于30 m3占总用气户数的12%，经计算，平均每户每月用气为19.1 m3，按照沼气售价每m31.6元，每户月均花费30.56元。

从马庄村用户购气和沼气工程全年生产情况分析，该村春季、夏季、秋季和冬季每月每户用气量分别为19.98 m3，20.14 m3，20.0 m3和19.1 m3，如图6所示。从图中看出，采用太阳能温室对以秸秆为原料的沼气集中供气工程进行加热保温，可以维持冬季的正常生产和用气，实现了在无其他商品性能源消耗的情况下全年不间断供气。

图6 用户四季月均用气量比较

4 结论

目前，北方地区很多沼气工程因加温方式不合理或不采用任何加热措施，导致冬季停止运行。马庄村秸秆太阳能沼气工程利用日光温室增温保温技术，在无其他商品性能源消耗的情况下，使发酵池温度冬季也能维持在正常产气范围内，保证了该工程在冬季的正常供气。

(1)该沼气工程通过日光温室增温保温技术，使沼气池的温度平均较室外有很大程度的提高。冬季晴天时，室内温度可达35.5℃；阴天时，室内温度也可达到13℃左右。晴天时温室内的温度完全可以保证发酵的正常进行。连续阴雨天时，建议采取其他加热保温的应急措施。

(2)沼气中CH4含量高达60.2%，完全满足农户炊事要求。

(3)从用户购气和沼气工程全年生产数据分析，该村春季、夏季、秋季和冬季平均每户每月用气量基本稳定在20 m3左右，季节性用气差异仅为5%。

(4)厌氧消化器和日光温室结合的一体化新能源互补系统，有效的利用太阳能来提供沼气工程冬季运行的能耗，维持了沼气工程均衡稳定生产。

[1] 国家发展改革委,农业部,财政部.“ 十二五”农作物秸秆综合利用实施方案[Z].发改环资[2011]2615号.

[2] 陈 羚,赵立欣,董保成,等.我国秸秆沼气工程发展现状与趋势[J].可再生能源,2010(06):145-148.

[3] 何荣玉.北京大中型沼气工程冬季运行存在的问题及对策[J].可再生能源，2011(08):150-152.

[4] 崔文文,梁军锋,杜连柱,等.中国规模化秸秆沼气工程现状及存在问题[J].中国农学通报，2013,29(11):121-125.

[5] 魏新利,张富强.温度对沼气池的需热量和月份产气率的影响[J].湖北农机化,2011(1) :60.

[6] 熊昌国,谢祖琪,刘建辉,等. 沼气工程高效升温保温影响因素的试验研[J].西南大学学报, 2012(11):117-124.

[7] 周孟津,张榕林,蔺金印.沼气实用技术[M].北京：北京化学工业出版社，2003.

Case Study on Winter Operation of Centralized Biogas Supply Project in Ma Village of Xuzhou

ZHAO Man1， LIN Cong1， MIAO Xiao2， MIAO Rui-fu2， ZHONG Ming-zhu1

(1.College of Water Resources and Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China；2.Xuzhou Environmental Energy & Ecology Techology Co Ltd，Xuzhou 221009，China)

Temperature is a key factor in guaranteeing the operation of biogas project normally and stably. In winter, heating and insulation measures are necessary because the cold temperature can not meet the need of fermentation to produce biogas. By adopting a heliogreenhouse system, the biogas project in Ma village of Xuzhou solved the problem of biogas production in cold season. During the 22 days of monitoring in winter, the temperature differences between indoor and outdoor of heliogreenhouse could reach 26.2℃. The highest indoor temperature was 38.4℃.The heliogreenhouse was effective in heating the anaerobic digester in sunny days, while keeping it warm when it was cloudy. The temperature in the digester ranged from 15.3 to 23.7℃ during the test in winter. The average household monthly gas consumption was 19.1 m3, and the volumetric gas production rate of digester ranged in 0.42 ～ 0.52 m3·m-3d-1. In conclusion, the heliogreenhouse system could effectively guarantee the temperature in the digester without using any other commercial fuels, achieving the goal of normal gas production throughout the year .

straw biogas project; solar energy; greenhouse; centralized biogas supply

2015-09-16

项目来源： 博士点基金(20130008110038)；公益性行业(农业)科研专项经费(201403019)

赵 曼(1990-)，女，硕士，研究方向为农业生物环境与能源工程，E-mail：zhaoman@cau.edu.cn 通信作者： 林 聪，E-mail：lincong@cau.edu.cn

S216.4

B

1000-1166(2016)01-0072-05