黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院農(nóng)村能源中心 ■ 李劍 欒玥 羅光輝 盛力偉 李存斌

一 引言

沼氣工程作為一種有效利用生物質(zhì)能生產(chǎn)清潔燃?xì)獾姆绞?，近年來日益受到人們的關(guān)注。根據(jù)原料干物質(zhì)濃度(TS)，沼氣工程可分為兩大類：TS≤20%為濕法，TS≥2%為干法[1]?；谖覈赜虻奶厥庑院驮系淖陨硖匦?，污水較多的工程多采取濕法發(fā)酵，水源不太充足以及高寒地區(qū)適宜利用干法發(fā)酵。隨著歐美發(fā)達(dá)國家干法發(fā)酵技術(shù)的日益完善，利用車庫型干法沼氣工程處理有機(jī)廢棄物成為沼氣工程的一種發(fā)展趨勢。

生物質(zhì)能的原始能量來源于太陽，從廣義上講，生物質(zhì)能是太陽能的一種表現(xiàn)形式。中國人口眾多，資源相對不足，能源供應(yīng)不能充分滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和全面小康建設(shè)的推進(jìn)，必將對能源供應(yīng)提出新的要求[2]。

本文從車庫型干法沼氣工程需要進(jìn)行中溫發(fā)酵出發(fā)，結(jié)合工程與太陽能一體化的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出利用太陽能為沼氣工程增溫的太陽能沼氣系統(tǒng)，為生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定的參考依據(jù)。

二 車庫型干法沼氣技術(shù)

傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵均采用濕法技術(shù)，由于濕法技術(shù)發(fā)酵耗能高、處理干物質(zhì)的成本高等一系列缺點(diǎn)，限制了其適應(yīng)的范圍和地域。從上世紀(jì)90年代起，德國大量資助新型間歇式干法沼氣發(fā)酵技術(shù)的研發(fā)。90年代末，德國間歇式干法沼氣工藝和裝備通過了中試，2002年生產(chǎn)出工業(yè)級裝備并投入實(shí)際運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的濕法技術(shù)相比，新型間歇式干法沼氣發(fā)酵技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 自身耗能低，冬季僅耗用自身產(chǎn)生能量的10%～15%；而濕法的自身耗能約為30%，在北方寒冷地區(qū)冬季甚至?xí)_(dá)到45%，大大限制了沼氣技術(shù)在北方寒冷地區(qū)的推廣。(2) 可以直接處理農(nóng)作物秸稈和城市垃圾等固體可發(fā)酵有機(jī)物，大大節(jié)省了預(yù)處理成本。(3) 由于沒有攪拌器和管道，發(fā)酵不受干擾物質(zhì)如塑料、木塊、沙石等影響，因而無需花費(fèi)人力和設(shè)備將其在發(fā)酵前檢出。(4) 在發(fā)酵倉中沒有攪拌器等運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)的可靠性很高。(5) 沼氣質(zhì)量高(含硫量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濕法沼氣，只有50～300ppm，可以不經(jīng)洗氣直接供沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用)，發(fā)酵物出氣率高。(6) 發(fā)酵倉為地面車庫型不透氣混凝土結(jié)構(gòu)，底部管道暖氣供熱，土建費(fèi)用低。(7) 發(fā)酵倉為模塊化結(jié)構(gòu)，易擴(kuò)展。(8) 進(jìn)料、出料可使用通用的裝載機(jī)等工程機(jī)械，設(shè)備效率高，通用性強(qiáng)。(9) 因?yàn)榘l(fā)酵剩余物無濕法發(fā)酵的沼液，所以不用脫水處理，發(fā)酵剩余物經(jīng)簡單的過篩和短時(shí)間的堆肥即可用作園林肥料或農(nóng)作物肥料，存儲(chǔ)和后處理費(fèi)用低、價(jià)值高。(10) 耗水量比濕法少得多，幾乎沒有污水排放，大大節(jié)省了水費(fèi)和污水處理費(fèi)[3]。

間歇式干法沼氣發(fā)酵技術(shù)與濕法沼氣技術(shù)相比，有兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決：(1) 發(fā)酵初期與發(fā)酵結(jié)束時(shí)發(fā)酵室沼氣濃度與空氣濃度達(dá)到臨界點(diǎn)15:85時(shí)的防爆安全，需要高度安全可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)。(2) 發(fā)酵菌在發(fā)酵物中的繁殖速度保障，需要高效的發(fā)酵菌液噴淋回流系統(tǒng)。

三 太陽能沼氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期的參數(shù)分析

本文結(jié)合德國BEKON車庫型干法沼氣工程，以北方高寒地區(qū)哈爾濱為設(shè)計(jì)參考點(diǎn)。哈爾濱位于東經(jīng) 125?42'～130?10'、北緯 44?04'～46?40'之間，全年平均降水量569.1mm，降水主要集中在6～9月，夏季占全年降水量的60%，年平均溫度3.6℃，最冷的1月份，平均氣溫為-13.2～-24.8℃，最熱的7月份，平均氣溫為18.1～22.8℃，采暖期176d，采暖期室外平均設(shè)計(jì)溫度-10℃，地區(qū)太陽輻射情況見表1[4,5]。

表1 哈爾濱地區(qū)全年太陽總輻射表

從表1可以看出，哈爾濱地區(qū)太陽總輻射最高月份為6月，月總輻射值達(dá)到704.7MJ/m2，日照時(shí)間達(dá)到285h；太陽總輻射最低月份為12月，月總輻射值為146.6MJ/m2，日照時(shí)間為162.3h；全年月均輻射值為412.7MJ/m2，月均日照時(shí)間為217.8h。

德國BEKON車庫型干法沼氣工程主要生產(chǎn)區(qū)見圖1。

圖1為一種典型的BEKON車庫型干法沼氣工程。工程占地面積16000m2，主生產(chǎn)區(qū)占地2000m2，工程主要處理原料包括家庭固體廢棄物、場區(qū)周邊食品廠及皮革廠垃圾，固體廢棄物年處理總量為20000t，原料沼氣產(chǎn)量為130～170m3/t，工程沼氣利用方式為沼氣發(fā)電，發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量1052kW[6]。

車庫型干法沼氣工程主要工藝流程見圖2。

從圖2可以看出，發(fā)酵倉采用間歇式發(fā)酵方式，倉內(nèi)具有噴淋及回流系統(tǒng)，倉底部及墻體具有管道式換熱器，系統(tǒng)可監(jiān)測倉內(nèi)溫度、壓力及氣體成分，發(fā)酵倉頂部同時(shí)具有排氣及換氣系統(tǒng)，熱源采用沼氣熱電聯(lián)供機(jī)組，以保證系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

干法沼氣工程通常采用35℃左右的中溫發(fā)酵方式，這種發(fā)酵方式經(jīng)濟(jì)性較好，對于采暖期達(dá)到176d的哈爾濱來說，滿足系統(tǒng)的熱量需求相比我國其他地區(qū)更耗費(fèi)能源，而僅僅需要達(dá)到35℃的溫度對于太陽能熱利用工程而言無疑是非常容易實(shí)現(xiàn)的[7～9]，所以本文對該車庫型干法沼氣工程結(jié)合太陽能熱利用工程做出了一個(gè)詳細(xì)的論述。

發(fā)酵倉尺寸為30m×4.5m×4.5m，工程共計(jì)9座發(fā)酵倉，有效利用面積為1215m2。為了保證工程整體的美觀性及實(shí)用性，本文利用車庫型干法沼氣工程主要生產(chǎn)區(qū)的頂部水平安裝真空管平板型太陽能集熱器，系統(tǒng)圖見圖3。

工程發(fā)酵裝置共計(jì)5000m3，室外設(shè)計(jì)溫度-10℃，倉內(nèi)物料溫度為35℃，倉內(nèi)廢棄物比熱取0.92kJ/(kg·℃)，發(fā)酵倉單倉啟動(dòng)需要熱量11178MJ，啟動(dòng)時(shí)間控制在24h。哈爾濱地區(qū)太陽能輻射月均值為412.7MJ/m2，真空管太陽能集熱器效率90%[10]，管道損失根據(jù)《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》取80%，工程需安裝太陽能集熱器共計(jì)1128m2?？紤]到太陽能的不穩(wěn)定性，工程還需要安裝鍋爐或電加熱等作為補(bǔ)充熱源。若為電加熱，已知發(fā)酵倉單倉啟動(dòng)的需熱量為11178MJ，設(shè)計(jì)在1d內(nèi)加熱到設(shè)定溫度35℃，則通過計(jì)算可知電加熱功率為120kW。

太陽能系統(tǒng)主要包括分體式真空管平板型集熱系統(tǒng)、5m3中央儲(chǔ)熱利用箱、智能控制系統(tǒng)、多路管路及循環(huán)系統(tǒng)的輔助加熱系統(tǒng)等。由于沼氣工程的建設(shè)必須安裝相對應(yīng)的增溫裝置，所以各發(fā)酵倉采暖系統(tǒng)及保溫水箱都是工程已有系統(tǒng)，安裝太陽能不僅可以為系統(tǒng)提供足夠的熱量，同時(shí)還可以解決北方高寒地區(qū)系統(tǒng)啟動(dòng)困難的問題。

3 系統(tǒng)分析

工程共計(jì)安裝太陽能集熱器1128m2，可年提供熱能4022141.2MJ，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤159.6t。

使用太陽能系統(tǒng)制備熱利用的設(shè)備回收期一般在1.5～3年，而太陽能熱利用系統(tǒng)主體的設(shè)計(jì)壽命至少為15年，所以間歇式干法沼氣工程結(jié)合太陽能熱利用工程是既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的節(jié)能方式。盡管太陽能熱利用系統(tǒng)的初始投資相對其他熱利用系統(tǒng)要高，但是其運(yùn)行成本卻相對較低，最重要的是太陽能熱利用所帶來的環(huán)境效益和社會(huì)效益是無法估量的，同時(shí)利用真空管平板型太陽能集熱器與車庫型干法沼氣工程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了太陽能與發(fā)酵倉的一體化，達(dá)到了美觀實(shí)用的效果。

四 結(jié)語

本文通過對車庫型干法沼氣工程的分析，充分利用車庫型發(fā)酵倉頂部的有效空間，結(jié)合真空管平板型太陽能集熱器，使太陽能和車庫型干法沼氣工程得到完美結(jié)合，通過設(shè)計(jì)分析得到以下結(jié)論：

(1) 干法沼氣工程的經(jīng)濟(jì)發(fā)酵溫度為35℃，利用太陽能熱水工程達(dá)到此溫度較為容易實(shí)現(xiàn)。

(2) 利用太陽能與干法沼氣工程結(jié)合不但可以為系統(tǒng)提供熱量，同時(shí)還可以解決北方高寒地區(qū)系統(tǒng)啟動(dòng)困難的問題。

(3) 車庫型干法沼氣工程與其他工程的顯著區(qū)別就是有平坦的頂部空間，利用平板型太陽能集熱器與發(fā)酵倉實(shí)現(xiàn)一體化，可達(dá)到美觀實(shí)用的效果。

(4) 對于發(fā)酵裝置為5000m3的干法沼氣工程，僅需1128m2集熱器即可在哈爾濱地區(qū)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵倉在24h內(nèi)增至35℃，從技術(shù)上分析是完全可行的。

(5) 工程安裝太陽能集熱系統(tǒng)后，可年提供熱能4022141.2MJ，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)煤159.6t。

本文主要討論的是在哈爾濱地區(qū)利用太陽能和車庫型干法沼氣工程的完美結(jié)合，其原因在于哈爾濱地處我國北方高寒地區(qū)，如果工程實(shí)施位置在其他省份，尤其是南方一些太陽能輻射較高的區(qū)域，系統(tǒng)的熱效率會(huì)更高，通過更快更高地提高沼氣發(fā)酵的溫度，能夠縮短沼氣工程的發(fā)酵周期，同時(shí)生產(chǎn)更多的清潔燃?xì)?，所以太陽能與車庫型干法沼氣工程的結(jié)合將會(huì)是沼氣工程引入我國

后的一個(gè)很好的發(fā)展方向。

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