陶三奇++謝虎++王鵬軍

摘要：車(chē)庫(kù)式干發(fā)酵沼氣系統(tǒng)在冬季運(yùn)行過(guò)程中，由于溫度低而影響厭氧菌的活力，造成系統(tǒng)產(chǎn)氣量大幅下降。為保障其冬季穩(wěn)定產(chǎn)氣，試驗(yàn)以長(zhǎng)江中下游地區(qū)為例設(shè)計(jì)出一套發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合增溫系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)增溫?zé)嶝?fù)荷、發(fā)電機(jī)組余熱回收率、太陽(yáng)能熱效率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算得出，系統(tǒng)的中溫發(fā)酵最大負(fù)荷為1月，負(fù)荷量為23 630.4 MJ；5—10月只需要太陽(yáng)能供熱就可基本實(shí)現(xiàn)中溫發(fā)酵環(huán)境；11—12月、1—4月系統(tǒng)需要發(fā)電余熱補(bǔ)充增溫。經(jīng)工程試驗(yàn)表明，100 t物料在冬季由13.3 ℃增溫到35.0 ℃，至少須提供熱量17 680.6 MJ，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)10 d可實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)物料中溫發(fā)酵，并能夠維持中溫發(fā)酵水平。

關(guān)鍵詞：發(fā)電余熱；太陽(yáng)能；設(shè)計(jì)；耦合；增溫系統(tǒng)；熱效率

中圖分類(lèi)號(hào)： S210.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0380-03

近年來(lái)，隨著農(nóng)村能源開(kāi)發(fā)利用政策的不斷深入，沼氣的開(kāi)發(fā)利用也越來(lái)越受到重視。但是，冬季環(huán)境溫度低，使得冬季沼氣的產(chǎn)量減少，嚴(yán)重影響沼氣的生產(chǎn)。因此，沼氣生產(chǎn)必須在厭氧發(fā)酵過(guò)程中采取增溫措施進(jìn)行熱量補(bǔ)充[1]。目前，主要增溫方式有生物質(zhì)鍋爐增溫、太陽(yáng)能增溫、電加熱鍋爐增溫、地源熱泵增溫等[2-3]，單一增溫方式的存在受天氣影響大、成本較高、自動(dòng)化程度低、受地理位置限制等缺點(diǎn)[4]，而采用組合加熱方式可解決這一缺點(diǎn)[5]。沼氣發(fā)電余熱加熱實(shí)現(xiàn)了廢棄資源的再利用，節(jié)能環(huán)保，且費(fèi)用僅分別為燃?xì)忮仩t加熱、太陽(yáng)能加熱方式的60%和12%[6]。太陽(yáng)能為綠色能源，在長(zhǎng)江中下游地區(qū)資源豐富，利用太陽(yáng)能可減少污染的排放和能源消耗，是未來(lái)發(fā)展的重要方向[7]。本系統(tǒng)采用沼氣發(fā)電余熱和太陽(yáng)能，設(shè)計(jì)出一套發(fā)電余熱與太陽(yáng)能為熱源、采用電加熱為輔助的沼氣車(chē)庫(kù)耦合增溫系統(tǒng)，利用定溫控制，通過(guò)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)完成熱能的采集和傳輸，熱水通過(guò)換熱管對(duì)料液進(jìn)行增溫。為預(yù)防太陽(yáng)能增溫的不穩(wěn)定性和發(fā)電機(jī)偶然性故障，系統(tǒng)在蓄熱水箱內(nèi)設(shè)計(jì)電加熱系統(tǒng)作為增溫系統(tǒng)的外輔助增溫，以提高增溫系統(tǒng)整體穩(wěn)定性[8]。

1耦合增溫系統(tǒng)組成及工作原理

增溫系統(tǒng)由發(fā)電余熱-太陽(yáng)能耦合供熱環(huán)路組成（圖1），其中，發(fā)電余熱熱源與太陽(yáng)能增溫相互補(bǔ)充，最大利用太陽(yáng)能熱源，實(shí)現(xiàn)增溫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。發(fā)電余熱-太陽(yáng)能耦合系統(tǒng)作為增溫系統(tǒng)中主要熱量來(lái)源，通過(guò)發(fā)電余熱與太陽(yáng)能集熱器耦合的方法為發(fā)酵庫(kù)提供穩(wěn)定的熱量；發(fā)電機(jī)組內(nèi)循環(huán)冷卻水通過(guò)缸套水熱交換器預(yù)熱，外循環(huán)冷卻水通過(guò)廢氣熱交換器預(yù)熱后進(jìn)入蓄熱水箱，實(shí)現(xiàn)熱量交換[9]。陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)能集熱器收集熱量，通過(guò)換熱器與蓄熱水箱進(jìn)行熱量互換，通過(guò)換熱管實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵物料的增溫；太陽(yáng)能不充分時(shí)，系統(tǒng)主要利用發(fā)電余熱增溫。系統(tǒng)根據(jù)溫度傳感器所測(cè)值，通過(guò)控制閥門(mén)和循環(huán)泵來(lái)控制集熱水箱、蓄熱水箱和發(fā)酵庫(kù)內(nèi)熱量交換，發(fā)酵庫(kù)內(nèi)換熱方式采用盤(pán)管輻射散熱。增溫系統(tǒng)蓄熱水箱內(nèi)設(shè)有電加熱系統(tǒng)，作為增溫系統(tǒng)穩(wěn)定性的補(bǔ)充，當(dāng)發(fā)酵庫(kù)內(nèi)物料產(chǎn)氣率不高、發(fā)電余熱增溫不能滿足需求、太陽(yáng)能集熱器水溫在40 ℃以下時(shí)，電加熱系統(tǒng)啟動(dòng)。電加熱設(shè)為手/自動(dòng)聯(lián)合控制方式，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電加熱系統(tǒng)關(guān)閉；發(fā)電機(jī)停止運(yùn)行，開(kāi)啟電加熱手動(dòng)開(kāi)關(guān)；當(dāng)發(fā)酵庫(kù)需要增溫，太陽(yáng)能集熱器溫度又低于40 ℃時(shí)，電加熱開(kāi)關(guān)自動(dòng)閉合，電加熱系統(tǒng)運(yùn)行增溫?？刂葡到y(tǒng)采用S7-200 可編程邏輯控制器（PLC）與力控組態(tài)軟件結(jié)合，及時(shí)監(jiān)控和采集發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)增溫負(fù)荷量的計(jì)算

2.1發(fā)酵池增溫負(fù)荷

發(fā)酵池增溫負(fù)荷是指在某一室外溫度下，為達(dá)到要求的發(fā)酵池內(nèi)溫度，加熱系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)須向發(fā)酵池供給的熱量。干式發(fā)酵在發(fā)酵前3 d進(jìn)行有氧堆肥，自身內(nèi)部將產(chǎn)生微生物熱，因此，干式發(fā)酵庫(kù)加溫負(fù)荷主要有進(jìn)料吸收熱量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱、沼液加熱量和內(nèi)部微生物熱組成[10]，計(jì)算公式為：Q=Q1+Q2+Q3-Q4。式中：Q為發(fā)酵庫(kù)需要補(bǔ)充的能量，Q1為進(jìn)料吸收熱量，Q2為圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失，Q3為每日沼液噴淋后，沼液需加熱的熱量，Q4為內(nèi)部微生物自產(chǎn)熱，單位均為MJ（下同）。由于內(nèi)部微生物自產(chǎn)熱影響較小，所以不作考慮，從而計(jì)算公式為：Q=Q1+Q2+Q3。

2.1.1進(jìn)料吸熱量進(jìn)料吸熱量是指一定時(shí)間內(nèi)使物料溫度由進(jìn)料溫度升到適宜發(fā)酵溫度所要補(bǔ)充的熱量，計(jì)算公式為：Q1=M1CP（T-T1） 。式中：M1為進(jìn)料質(zhì)量，kg/月；CP為進(jìn)料熱容量，kJ/（kg·K）；T為設(shè)計(jì)溫度，℃；T1為進(jìn)料溫度，℃[5]。表1為根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)料溫度數(shù)據(jù)計(jì)算出的進(jìn)料吸熱量Q1的數(shù)據(jù)

2.1.2維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱及沼液增溫?zé)崃勘景l(fā)酵車(chē)庫(kù)頂部?jī)?chǔ)氣采用帶有彈性的紅泥塑料，溫室大棚雙層保溫，四壁采用100 mm聚氨酯保溫板，發(fā)酵庫(kù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱的計(jì)算公式為：Q2=KFΔT 。式中：Q2為維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量；K為傳熱系數(shù)，W（m2·K）；F為換熱面積，m2；ΔT為室內(nèi)外溫差，℃[11]。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每天需要噴淋1次沼液，每次噴淋2 t，所以沼液達(dá)到中溫所需要的熱量Q3見(jiàn)表2。

2.2太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)熱負(fù)荷

太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)通過(guò)集熱管實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱量的采集和傳輸，由溫度傳感器定溫控制，使集熱器內(nèi)熱水通過(guò)溫差循環(huán)泵與蓄熱水箱進(jìn)行換熱。增溫系統(tǒng)中太陽(yáng)能增溫系統(tǒng)可以提供的熱量計(jì)算公式為：Q太=AC×[JT×η×（1-ηL）]/f。式中：AC為太陽(yáng)能集熱板面積，本系統(tǒng)采用真空管集熱器，試驗(yàn)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱器面積為50 m2；JT為傾斜輻射量，MJ；η為集熱器日平均集熱效率，集熱器設(shè)置方向?yàn)檎?，傾角取45°[12]，日平均集熱效率取55%；ηL為管路及熱水箱損失效率，系統(tǒng)取0.2[13]；f為太陽(yáng)能保證率[14]。由表3可知，系統(tǒng)在1—4月、11—12月需要發(fā)電機(jī)補(bǔ)充的熱量，每月日均補(bǔ)充熱量分別是474.3、422.6、233.6、130.4、153.0、408.6 MJ，其他月份可利用太陽(yáng)能加熱實(shí)現(xiàn)沼氣工程中溫厭氧發(fā)酵。

2.3沼氣發(fā)電余熱回收系統(tǒng)熱負(fù)荷

機(jī)組廢氣、煙氣的熱量可通過(guò)熱交換系統(tǒng)進(jìn)行熱量回收，對(duì)發(fā)電余熱的回收利用既可以實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)電應(yīng)用，又可以減少能源的浪費(fèi)。發(fā)酵庫(kù)總?cè)莘e為160 m3，原料體積占發(fā)酵池體積的70%，其中原料中固體占30%，液體占70%。設(shè)計(jì)發(fā)酵溫度取35 ℃，干物質(zhì)產(chǎn)氣率為0.3 m3/kg[15]，設(shè)計(jì)日理論產(chǎn)氣量最少為100 m3，全部用于沼氣發(fā)電，沼氣中甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為60%，其余為二氧化碳和水等物質(zhì)，按60%CH4含量計(jì)算，1 m3沼氣燃燒放熱23.85 MJ，沼氣燃燒可產(chǎn)生熱量Q熱=2 385 MJ；沼氣發(fā)電與煙氣回收產(chǎn)生的余熱利用率約為45%，則每天發(fā)電余熱回收為Q余=0.45×Q熱= 1 073.3 MJ。除去水箱和管道等散熱損失，發(fā)電機(jī)組余熱每日提供熱量Q剩=596.2 MJ[16-17]，這可以滿足1—4月、11—12月份發(fā)電機(jī)每日需要補(bǔ)充的熱量。

2.4庫(kù)內(nèi)加熱水管計(jì)算及系統(tǒng)選型

發(fā)酵庫(kù)采用循環(huán)增溫系統(tǒng)，可經(jīng)過(guò)多次循環(huán)實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)中溫發(fā)酵。沼氣發(fā)酵增溫系統(tǒng)通常采用不銹鋼管和PERT鋁塑管。不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)λ=15 W/（m2·K），PERT管導(dǎo)熱系λ=0.48 W/（m2·K）[18]；交換同量熱量的條件下，PERT管換熱長(zhǎng)是不銹鋼管長(zhǎng)的10倍，不銹鋼管價(jià)格卻是PERT管的4～5倍。因此，小型沼氣工程可采用價(jià)格較高的不銹鋼管，但在大中型沼氣工程中，因供熱面積大且需要均勻增溫，同時(shí)盡可能減少初期投入，宜采用PERT管，根據(jù)庫(kù)內(nèi)容積4×4×10 m3、以底部為基準(zhǔn)每根管路間距300 mm、發(fā)酵庫(kù)壁鋪設(shè)9根計(jì)算，共需要PERT管長(zhǎng)度為250 m。

3增溫系統(tǒng)控制器

3.1控制器程序設(shè)計(jì)

沼氣工程系統(tǒng)運(yùn)行中，庫(kù)內(nèi)溫度傳感器將庫(kù)內(nèi)物料溫度值傳入PLC，當(dāng)溫度≥35 ℃時(shí)，發(fā)電機(jī)冷卻水內(nèi)循環(huán)，增溫系統(tǒng)不工作，當(dāng)溫度<35 ℃時(shí)，增溫系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行；蓄熱水箱內(nèi)溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，電磁閥開(kāi)、循環(huán)泵運(yùn)行，蓄熱水箱水溫低于35 ℃時(shí)，停止循環(huán)；系統(tǒng)中當(dāng)太陽(yáng)能集熱器內(nèi)水溫與蓄熱水箱內(nèi)水溫溫差值達(dá)到5 ℃時(shí)，電磁閥開(kāi)、循環(huán)泵開(kāi)啟，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器水溫低于蓄熱水箱溫度時(shí)，電磁閥關(guān)閉，循環(huán)泵停止，通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)溫度交換；沼氣發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，水箱水開(kāi)始循環(huán)，為發(fā)電機(jī)降溫的同時(shí)給蓄熱水箱增溫，最終發(fā)酵庫(kù)內(nèi)溫度達(dá)到中溫發(fā)酵增溫（圖2）。發(fā)酵庫(kù)需要增溫時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)增溫系統(tǒng)不運(yùn)行、太陽(yáng)能集熱器水溫在40 ℃以下，可以手/自動(dòng)啟動(dòng)電加熱系統(tǒng)，從而保持庫(kù)內(nèi)發(fā)酵溫度的穩(wěn)定性。

3.2溫度信號(hào)采集

系統(tǒng)中溫度信號(hào)采集系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)（PC）與西門(mén)子 S7-200 PLC通過(guò)PC/PPI編程電纜連接起來(lái)，根據(jù)需要的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，選用CPU 224CN 14輸入/10輸出和溫度擴(kuò)展模塊EM 235 4模擬量輸入/1模擬量輸出，將模擬量擴(kuò)展模塊EM235與PLC連接起來(lái)，構(gòu)成一套溫度模擬量采集系統(tǒng)（圖3）。

將PT 100溫度傳感器采集到的溫度值，通過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)換為模擬電流4～20 mA（對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍為6 400～32 000），從CH1（A+和A-）輸入，通過(guò)PLC數(shù)據(jù)處理，在PC上力控軟件界面中以數(shù)字和溫度曲線形式顯示。系統(tǒng)設(shè)定采集溫度范圍為-10～100 ℃，溫度采集標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)（STL）程序?yàn)椋?/p>

4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)于2014年11月初啟動(dòng)，利用發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合增溫，并對(duì)系統(tǒng)的增溫效果進(jìn)行測(cè)定，每日產(chǎn)沼氣全用于發(fā)電，天氣良好，發(fā)酵物料溫度為13.3 ℃。結(jié)果表明，為實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)中溫發(fā)酵，至少需供熱量Q供=17 680.6 MJ。工程試驗(yàn)時(shí)采用2個(gè)庫(kù)作增溫對(duì)比，東庫(kù)不加熱，西庫(kù)增溫加熱，運(yùn)行 10 d 時(shí)，西庫(kù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵庫(kù)中溫發(fā)酵，庫(kù)內(nèi)產(chǎn)氣達(dá)到最佳，而東庫(kù)溫度幾乎變化不大；沼氣干發(fā)酵物料開(kāi)始發(fā)酵時(shí)為好氧發(fā)酵過(guò)程，生物內(nèi)產(chǎn)熱，溫度升高很快，東西庫(kù)溫度均上升；西庫(kù)采用增溫系統(tǒng)，溫度出現(xiàn)持續(xù)上升，但由于產(chǎn)氣，升溫速率放緩，后期由于發(fā)電余熱提供熱量，庫(kù)內(nèi)溫度又有所提升并趨于穩(wěn)定；東庫(kù)無(wú)外來(lái)熱量補(bǔ)充，又因維護(hù)結(jié)構(gòu)散熱，因此溫度逐漸下降并趨于穩(wěn)定（圖4）。

5結(jié)論

以發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合，同時(shí)采用電加熱為輔助增溫系統(tǒng)對(duì)干式厭氧發(fā)酵庫(kù)物料增溫，系統(tǒng)在5—10月可完全由太陽(yáng)能提供熱量，實(shí)現(xiàn)中溫發(fā)酵，1—4月、11—12月可利用耦合發(fā)電余熱進(jìn)行發(fā)酵庫(kù)內(nèi)物料增溫。對(duì)發(fā)酵庫(kù)利用增溫系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，10 d實(shí)現(xiàn)發(fā)酵庫(kù)中溫發(fā)酵，并能維持庫(kù)內(nèi)35 ℃。該增溫系統(tǒng)率先運(yùn)用于國(guó)內(nèi)干式沼氣工程發(fā)酵系統(tǒng)中，取得良好的試驗(yàn)效果，并投入到工程運(yùn)用。

發(fā)電余熱與太陽(yáng)能耦合增溫系統(tǒng)一方面針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富的特點(diǎn)，在利用太陽(yáng)能資源的同時(shí)，將發(fā)電余熱的廢棄資源回收再利用，減少了能源投入，提高了經(jīng)濟(jì)

性；另一方面，耦合增溫系統(tǒng)克服了單一增溫系統(tǒng)的缺點(diǎn)，再加上電加熱輔助增溫的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了增溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了發(fā)酵庫(kù)內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)酵溫度。

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