劉昂 呂奇 陳靜雯 姜宇鑫 劉桿辰 王新詞

摘要：發(fā)展沼氣作為解決我國(guó)農(nóng)村能源短缺問題的重要政策，需要在適宜地區(qū)積極推廣廢棄物綜合利用技術(shù)和可再生能源開發(fā)利用技術(shù)，目前我國(guó)常用的戶用沼氣池大多靠自然溫度發(fā)酵，發(fā)醇溫度隨環(huán)境而變化，故其發(fā)酵效率、產(chǎn)氣量不穩(wěn)定，且在冬季由于發(fā)酵溫度低而不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣量很小，這已成為制約沼氣技術(shù)推廣的瓶頸。鑒于此，文章分析了一種太陽能秸稈沼氣循環(huán)利用系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行論述，并且就太陽能秸稈沼氣系統(tǒng)的熱性能進(jìn)行了深入探討，以供業(yè)內(nèi)人士參考和借鑒。

關(guān)鍵字：太陽能;秸稈;沼氣系統(tǒng);熱性能

0 引言

目前我國(guó)的沼氣生產(chǎn)主要集中在農(nóng)村，采用地下建造沼氣池的方式生產(chǎn)沼氣，發(fā)酵溫度大都采用常濕發(fā)酵。隨著一年四季氣溫的變化，池溫變化較大，產(chǎn)氣率的變化也大，這將嚴(yán)重影響人們穩(wěn)定利用沼氣的需要，尤其在冬季由于氣溫、地溫比較低，原料分解率低，沼氣的生產(chǎn)存在產(chǎn)氣率低、使用率低和沼氣使用綜合效益差等問題，甚至在冬季會(huì)出現(xiàn)凍裂沼氣池的現(xiàn)象，這種情況下若不加保溫和加熱措施，料液是無法正常發(fā)醇產(chǎn)生沼氣的，同時(shí)我國(guó)農(nóng)村地區(qū)秸稈等生物質(zhì)能源雖然充足，但目前大部分都是直接用于燃燒處理，燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量PM2.5和其他有害物質(zhì)，這對(duì)環(huán)境造成了比較大的影響，對(duì)農(nóng)村的生活環(huán)境不利。

1 太陽能秸稈沼氣循環(huán)利用現(xiàn)狀

當(dāng)前在許多農(nóng)村地區(qū)普遍使用的秸稈處理技術(shù)主要有以下幾種，即利用秸稈作為固體成型燃料;對(duì)秸稈進(jìn)行汽化爐處理;秸稈沼氣消化技術(shù)，這三種處理技術(shù)中最具有可行性的處理技術(shù)為厭氧消化制沼氣反應(yīng)，采用這種處理技術(shù)能夠降低能源損耗和環(huán)境污染，擴(kuò)大生態(tài)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。但是運(yùn)用太陽能沼氣循環(huán)利用技術(shù)，具有較強(qiáng)的專業(yè)性，在加料一生產(chǎn)一使用過程中必須嚴(yán)格遵循專業(yè)技能知識(shí)的要求。近幾年以來，我國(guó)的城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)程不斷加快，眾多青壯年勞動(dòng)力紛紛進(jìn)入城市務(wù)工，留下了許多老人孩子在農(nóng)村生活，這些老人孩子缺少專業(yè)技術(shù)知識(shí)，操作能力較差，無法合理進(jìn)行沼氣的加料和生產(chǎn)流程，所以經(jīng)常導(dǎo)致沼氣池漏氣以及產(chǎn)氣不穩(wěn)定等一系列問題。在冬季時(shí)期，無法正常運(yùn)用沼氣技術(shù)來進(jìn)行產(chǎn)氣，所以導(dǎo)致許多農(nóng)民不愿意繼續(xù)使用沼氣，在農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用秸稈太陽能沼氣循環(huán)利用技術(shù)具有較大的局限性和阻礙。

2 太陽能秸稈沼氣循環(huán)利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)思路分析

為了有效增加沼氣產(chǎn)量，必須研發(fā)制作太陽能輔助地源熱泵，利用地源熱泵為沼氣發(fā)酵池提供能量，并且需要為地源熱泵搭配相應(yīng)的輸配管路;必須針對(duì)冬季或雨天這些太陽能供熱不足的時(shí)期，不斷實(shí)驗(yàn)研究地源熱泵輔助供熱運(yùn)行的方式，這樣才能使能源得到充分利用。對(duì)于太陽能輔助地源熱泵的反應(yīng)溫度，可以運(yùn)用PLC技術(shù)來進(jìn)行合理控制，如果發(fā)酵池中的溫度降低到一定水平時(shí)，需要及時(shí)開啟熱泵輔助加熱設(shè)備，從而為發(fā)酵池提供熱量;必須及時(shí)對(duì)沼氣池的溫度進(jìn)行測(cè)量并記錄，對(duì)于每次投入的原料量需要做好準(zhǔn)確記錄，然后運(yùn)用濕式氣體流量計(jì)來對(duì)沼氣池產(chǎn)生的沼氣量進(jìn)行測(cè)量和記錄，并且把沼氣中的成份準(zhǔn)確分析出來，只有通過一系列的計(jì)算和分析，才能把沼氣裝置的性能充分了解清楚，使其滿足不同工況的運(yùn)行需求;當(dāng)發(fā)酵池中的秸稈進(jìn)行厭氧發(fā)酵完成之后，需要及時(shí)把沼氣輸送到各個(gè)農(nóng)戶家中，或者用于沼氣發(fā)電;在沼氣產(chǎn)生之后，多余的沼液也可以用來種植農(nóng)產(chǎn)品，殘留的沼渣也可以用來種植雙孢菇，提高雙孢菇產(chǎn)量，使沼氣資源得到循環(huán)再利用。

2.2 沼氣循環(huán)利用技術(shù)的工藝流程

農(nóng)村秸稈太陽能沼氣循環(huán)利用技術(shù)對(duì)于改善農(nóng)村生活環(huán)境，提升人們的生活質(zhì)量起到重要作用，能夠有效節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)廢物再利用。具體的工藝流程主要包含了以下幾個(gè)步驟，即對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行粉碎;把粉碎之后的農(nóng)作物秸稈投入到太陽能沼氣池進(jìn)行發(fā)酵;太陽能沼氣池產(chǎn)生沼氣、沼渣和沼液;沼氣用于居民的生活燃料和發(fā)電，多余的熱量也可以用來粉碎秸稈或繼續(xù)提供給沼氣池;沼渣用來培育雙孢菇，雙孢菇產(chǎn)品出口，獲取大量的經(jīng)濟(jì)效益，雙孢菇殘?jiān)嘤袡C(jī)農(nóng)產(chǎn)品;渣液用來培育有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品;當(dāng)有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)成熟之后，秸稈可以重新用于生產(chǎn)太陽能沼氣，這一系列過程就是秸稈太陽能沼氣循環(huán)利用技術(shù)的工藝流程。

3 太陽能秸稈沼氣系統(tǒng)的熱性能分析

本次研究通過分析太陽能秸稈沼氣系統(tǒng)在某地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用情況，分析該系統(tǒng)的熱利用情況，詳細(xì)如下：太陽能秸稈沼氣系統(tǒng)中，太陽能包括光熱、光伏兩部分，所收集的太陽能以水作為載熱介質(zhì)，逐級(jí)進(jìn)入相變蓄熱水箱、產(chǎn)氣罐、中溫水箱，并循環(huán)利用，同時(shí)光伏發(fā)電裝置所生產(chǎn)的電能還可為相變蓄熱水箱中的石蠟層補(bǔ)熱。系統(tǒng)的輸入能量包括太陽集熱器所吸收的太陽輻射能以及所耗的電能，其中太陽集熱器所吸收的太陽輻射能以集熱水箱內(nèi)部熱水的內(nèi)能增量表現(xiàn)出來，所耗的電能一部分用于加熱集熱水箱，使集熱水溫繼續(xù)升至58℃，另一部分用于補(bǔ)充石蠟的潛熱及水泵等裝置運(yùn)行所耗電能，該地區(qū)冬季平均每日輸入熱量如下：

上述公式中，表示集熱水箱內(nèi)部熱水內(nèi)能增量（僅依靠光熱）;表示耗電電能。集熱水箱內(nèi)部熱水的內(nèi)能增量以典型工況日集熱數(shù)據(jù)為依據(jù)，同時(shí)已知供熱周期內(nèi)系統(tǒng)平均每日耗電3.37kWh，代入相關(guān)數(shù)值得到冬季平均每日輸入熱量為453620.通常調(diào)查顯示，該地區(qū)冬季平均每日的產(chǎn)氣罐熱負(fù)荷為19196kJ，可得出冬季太陽能秸稈沼氣系統(tǒng)熱利用效率為42.3%，進(jìn)一步提高熱利用效率的主要途徑有集熱子系統(tǒng)所集熱量與產(chǎn)氣罐熱負(fù)荷尚需進(jìn)一步優(yōu)化匹配;加熱盤管的傳熱系數(shù)仍有進(jìn)一步提高的空間;減小傳熱介質(zhì)在管道中熱損。

結(jié)束語

綜上所述，在農(nóng)村地區(qū)采用秸稈太陽能沼氣循環(huán)利用技術(shù)，能夠有效改善農(nóng)村生活環(huán)境，生產(chǎn)大量的有機(jī)綠色蔬菜，促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展，創(chuàng)造大量的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪楚喬.農(nóng)村廢棄生物質(zhì)太陽能輔熱中溫兩相蜒氧產(chǎn)沼技術(shù)研究[D].東南大學(xué)，2017.