太阳能辅助加热户用沼气池

太阳能辅助加热户用沼气池　口同济大学机械工程学院（２０１　８０４）张杨竣秦朝葵陈志光　摘　要：　户用沼气是我国农村能源的重要组成部分。本文针对北方寒冷地区冬季气温低、沼气产气少、利　用率低等问题，设计了保温沼气池并结合家用太阳能热水器，提出了太阳能辅助加热户用沼气池　系统。利用现场收集的运行数据，分析了该系统的实用性。　关键词：　户用沼气池太阳能热水器辅助加热运行测试　Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　Ｂｉｏｇａｓ　Ｄｉｇｅｓｔｅｒ　Ｈｅａｔｅｄ　Ｂｙ　Ｓｏｌａｒ－Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈａｎｇ　Ｙａｎｇｊｕｎ，Ｑｉｎ　Ｃｈａｏｋｕｉ，Ｃｈｅｎ　Ｚｈｉｇｕａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　ｂｉｏｇａｓ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｒｕｒａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．Ｉｎ　ｎｏｒｔｈｅｒｎ　ｐａｒｔ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，ｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｂｉｏｇａｓ　ｄｉｇｅｓｔｅｒ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｍｕｃｈ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｌｏｗ　ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ａ　ｂｉｏｇａｓ　ｄｉｇｅｓｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｏｌａｒ－ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　ｉｎ—ｓｉｔｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　ｂｉｏｇａｓ　ｄｉｇｅｓｔｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｌｎｅｎ［　１　引言　我国沼气事业开始于１９３０年前后，经过几十年　的发展，沼气已成为我国农村生活用能的重要来源之　一施，导致我国北方寒冷地区大量沼气池在冬季处于不　产气或冻结状态，严重制约了农村户用沼气技术的发　展及推广。　针对这一问题，本文设计了一种太阳能辅助』ＪⅡ热　户用沼气池系统。在沼气池内设置换热盘管和搅拌装　置。夏季，沼气池与太阳能分开工作；冬季，利用太　阳能热水器的低温热水问接加热沼气池。通过现场测　试获取的运行数据，对该系统的实用性进行了分析。　初步结果表明，沼气池的保温与太阳能辅助加热可实　现太阳能与沼气的互补，充分发挥二者优势，具有良　好的实用性。　。“十一五”期间，中央累计投入农村沼气建设　资金２１２亿元，其中２００８年、２００９年和２０１０年分别投　入６０亿元、５０亿元和５２亿元。截至２０１０年，我国户用　沼气已达到４　０００万户，占全国农户的３３％，受益人　口达１．５５亿人，建设各种类型的沼气工程５．６万多处，　沼气年产量１４０亿ｍ　，相当于我国全年天然气产量的　１６％，预计到２０２０年沼气年产量将达到４４０亿ｍ，。　作为一种历史最悠久的生物质能利用技术，户　式沼气在应用中存在一些问题，如：单位池容产气量　低下、燃烧装置受成本限制性能不稳定、沼气池的热　２　温度对沼气池产气的影响　沼气是有机物质在一定温度、湿度、ｐＨ值和隔　工制度方面尚缺乏系统的研究等。出于建设成本的考　虑，绝大部分的户式沼气池很少使用有效的保温措　绝空气条件下经微生物发酵而产生的可燃性气体。影　１８　ｆ城市燃气．月刊　张杨竣等・太阳能辅助加热户用沼气池　响发酵过程的因素很多，其中发酵温度尤为重要。在　我国农村，沼气池发酵温度随气温的变化而变化，沼　气产气率变化很大。试验表明：池温低于１０℃，发酵　菌几乎处在休眠状态，沼气池基本停止产气；当池温　在１５℃以上时，沼气发酵才能较好地进行，产气率为　性不高。　近年来，随着太阳能热水器日益普及、成本下　降，以及利用聚氨酯发泡材料进行保温的玻璃钢制沼　气池技术的发展，为沼气池加热技术提供了新思路。　基于此，本文设计了太阳能辅助加热户用沼气池系　０．１ｍ　／（ｍ　・ｄ）一０．２ｍ　／（ｍ　・ｄ）；池温在２Ｏ℃以上　时，产气率可达０．４　Ｉ１３３／（ｍ　・ｄ）一０．５ｍ３／（ｍ　・ｄ）。　图１是沼气发酵温度对产气率的影响曲线Ｉ３｝。　每　天　产　气　量　（Ｌ）　温度（℃）　图１温度对产气率的影响　我国北方地区冬季寒冷漫长，气温、地表温度较　低，沼气池产气率低，无法满足农户需求，导致冬季　农村沼气池存在大量闲置问题。极端寒冷时期，甚至　出现冬季冻裂沼气池的现象，造成沼气池停用。为解　决这一问题，在严寒和寒冷地区，沼气池必须采取必　要的保温和加热措施。在农村沼气应用中，传统模式　的保温加热方法在实际应用中存在一定的局限性和不　便。如隔热材料保温技术ｌ４＿　，虽有一定效果但只能　延缓料液降温的速度，但在冬季极端寒冷时期不能保　证发酵过程正常运行，且秸秆稻草类保温效果较差，　经济性、防水性等方面还有待进一步改进；塑料暖棚　增温技术，利用太阳能为系统提高温度，但系统需配　建塑料大棚，占地较大，推广受到当地实际条件限制　１７－８１；燃料燃烧加热技术，通过燃煤或秸秆等生物质　直接加热或通过热水间接加热沼气池，传统方法有燃　池增温技术、　“猪一沼一炕”增温技术、秸秆废弃物的　燃烧、热水锅炉加热法等，该类方法需要消耗一定的　化石或生物质燃料，在燃烧过程中造成污染，且经济　统，并结合理论分析计算和现场的连续跟踪测试，对　其实际应用及推广价值进行研究。　３　太阳能辅助加热沼气池系统　３．１系统介绍　太阳能辅助加热户用沼气池系统，主要是利用　太阳能热水器吸收太阳热量提高水温，通过水循环，　加热沼液，从而提高冬季沼气池产气温度，利于产　气。系统如图２所示，主要包括：水压式保温沼气池　（８ｍ　）、家用太阳能热水器（２００Ｌ）、控制柜和数　据采集模块、位于沼气池内的加热盘管与搅拌装置、　电加热带、沼气包、循环水泵、气表、脱硫器以及水　管路配件和温度传感器等。　３．２系统控制功能　整个系统通过控制柜进行控制运行。控制柜设有　简单的“冬”、　“夏”模式切换，夏季太阳能与沼气　池独立工作；冬季太阳能热水器集热，通过沼气池内　部加热盘管进行加热，同时搅拌开启增强换热效果。　控制柜的循环控制功能主要包括以下３种：　（１）温差循环控制：利用温度传感器监测太　阳能水箱内的水温Ｔ：和沼气池内的温度Ｔ　。当Ｔ　大于　Ｔ　１５℃时（系统中控制温度均可根据各地区实际情况　进行单独设置），循环水泵启动，同时搅拌电机启　动，把太阳能热水的热量换给沼液；Ｔ：与Ｔ　差值达到　５℃时，循环水泵和搅拌电机延时ｌｍｉｎ后停止工作。　当沼气池温度高于２５℃时，循环停止。因为冬季太阳　能热水器的温度一般不高，而沼气池位于地下、散热　缓慢，通过温差控制循环的方式可保证系统循环加热　的效率，同时避免传热过程的附加能耗过大。　（２）防冻循环控制：考虑到北方地区冬季气温　低，与太阳能热水器连接的水管系统可能冻结。为防　止此情况发生，在管路适当位置设置温度传感器，当　管路水温低于４￣Ｃ时，水泵启动循环，当高于８℃时水　泵停止。特殊极端天气可人工排空集热系统、以防集　２０１１／０８总第４３８期ｌ　１９　用　白　１一水压式保温沼气池；２－换热盘管；３－搅拌器；４－太阳能热水器；５－水泵；６－控制柜和数据采集模块；７－脱硫器；８－气表；９－沼气包　图２太阳能加热户用沼气池系统构成示意图　热管冻结。　（３）自动补水控制：系统为开式，当太阳能热　水器内水量低于设定值时，实现自动补水。显示器显　示储水箱中水位，可进行人工水位控制。　３．３数据采集系统　热电阻（分别距沼气池顶部６００ｍｍ、１　２００ｒａｍ、　１　８００ｍｍ）；土壤温度测点４支铜康铜热电偶（分别　距地面６００ｍｍ、ｌ　１００ｍｍ、２　０００ｍｍ、２　２００ｍｍ）；换　热盘管进、出口２３￣Ｐｔ１００热电阻。　数据采集系统主要通过ＡＤＡＭ４０１８数据采集模　块、ＡＤＡＭ４０１５数据采集模块、ＡＤＡＭ４０８０数据采集　模块、ＡＤＡＭ４５２０数据转换器、１０Ｖ一３０Ｖ直流电源、　电脑和ＬａｂＶＩＥＷ程序来实现。　ＡＤＡＭ４０１５采集模块主要对沼气池内各温度测　点、换热盘管进出水温度以及太阳能水箱温度进行监　测和采集。　ＡＤＡＭ４０１　８采集模块主要对土壤温度各测点进行　温度监测和采集，同时对循环水泵、搅拌机、电加热　带的工作状态及工作时长进行监测。　ＡＤＡＭ４０８０采集模块主要对气表脉冲信号进行监　测，通过信号变化可以直接读取产气量。　所有采集模块采得的信号通过ＡＤＡＭ４５２０数据转　换模块将信号输入电脑，通过ＬａｂＶＩＥＷ程序进行数据　实时显示和Ｅｘｃｅｌ存储，便于后期跟踪处理。　系统所用的温度传感器为Ｐｔ１００热电阻（用于　沼气池内沼液温度及换热盘管进出水温监测）和铜　康铜热电偶（用于土壤温度监测）。各温度测点　分布及信号传输如图３所示，沼气池内部３支Ｐｔｌ００　ｌ一土壤温度测点；２－沼气池内温度测点；３－换热盘管　水温度测　点；４－换热盘管进水温度测点；５－太阳能水箱温度测点；６一数据　采集电脑；７－水泵信号测点；８－控制柜和数据采集模块；９－搅拌　器和电加热带信号测点；１０一气表信号测点　图３各温度测点分布及信号传输图　２０　Ｉ城市燃气．月刊　张杨竣等・太阳能辅助加热户用沼气池　４　系统运行分析　１０％以下，因而系统初期需要辅以电加热带进行辅助　加热。随各地区气候条件及系统安装时季节不同，电　４．１安装初期系统效果分析　加热带工作时间将视情况进行控制，一般工作１天～３　为验证该系统的实用性，在河北省石家庄市某地　天后沼气池内温度便可升至１５％左右，此后电加热带　进行了实地测试，现场如图４所示。　停开，太阳能系统开启运行。当天气条件允许时，太　阳能水箱温度升高，温差达到循环条件后，系统便进　行热水循环，通过热水对沼液进行加热，维持并使沼　气池温度继续升高。从实际系统运行情况来看，系统　安装完成后，需经一段时期（一般为两周时间）的调　试运行，才能进入正常产气工作状态。　４．２冬季３月份系统运行效果分析　对３月份所采得数据进行分析，通过分析在冬季　太阳能水循环系统的运行效果、沼气池温度变化及产　气情况，来研究系统的实际应用效果。　４．２．１　３月份太阳能水箱日最高温度与沼气池温度及Ｅｔ　均气温变化如图５所示　由图５可得：自２月１３日系统安装调试完毕后，在　太阳能热水循环作用下，３月初沼气池内温度已经升　图４石家庄现场安装效果图　高并保持在１７℃左右；３月份石家庄地区Ｅｌ均气温在　１０％左右，太阳能水箱温度基本维持在３０￣Ｃ以上；沼　系统于２０１０年２月１２日安装运行，配套的数据采　气池通过保温层及太阳能水循环作用下基本高于日均　集系统于２月１３日开始工作，数据采集由电脑自动控　气温１０￣Ｃ左右；整个３月份沼气池温度升高并维持在　制，采集频率０．５Ｈｚ。　２０℃左右，月底基本达到了２５℃。　系统安装时石家庄正处于冬季，日均气温处于　太阳能热水循环系统结合一定的保温措施对沼气　零度左右，水温及接种物的温度都较低，沼液温度在　池温升及保温的作用效果明显。　图５　３月份太阳能水箱日最高温度与沼气池温度及日均气温变化　２０１１／０８总第４３８￣Ｊ　Ｉ　２１　图６太阳能温差循环系统各测点温度变化图　图７沼气池日产气量　如图６是３月２日，中午１　１：００至下午１７：００，系统进　行太阳能温差循环温度变化图。图中中午１ｌ点左右，　太阳能水箱温度达到２９℃，温差达到循环条件，系统　温差循环启动。从１１：ＯＯｆ０１７：００，系统一共进行＿ｒ３次　２２　ｌ城市燃气．月刊