太阳能辅助加热户用沼气池系统设计

第２９卷，总第１６７期　２０１１年５月，第３期　《节能技术》　ＥＮＥＲＧＹ　ＣＯＮＳＥＲＶＡＴ１０Ｎ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．２９，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１６７　Ｍａｙ．２０１１，Ｎｏ．３　太阳能辅助加热户用沼气池系统设计　陈志浦。蒙国睿　（燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛０６６００４）　摘　要：沼气开发利用是发展可再生能源的重要选择，户用沼气是我国农村能源的重要组成部　分。文中介绍了沼气的产生原理及发展现状，针对北方寒冷地区冬季气温低，沼气产气少利用率低　问题，在调研常规保温增温方法的基础上提出了家用太阳能热水器辅助加热户用沼气池系统，并对　系统经济性进行了分析。　关键词：太阳能；沼气；户用沼气池；辅助加热；经济性分析　中图分类号：ＴＫ５１４：ＴＫ６文献标识码：Ａ文章编号：１００２～６３３９（２０１１）０３—０２４１—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　Ｂｉｏｇａｓ　Ｄｉｇｅｓｔｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｓｏｌａｒ　Ａｓｓｉｓｔｅｄ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＣＨＥＮ　Ｚｈｉ—ｐｕ，ＭＥＮＧ　Ｇｕｏ—ｒｕｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　０６６００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｏｇａｓ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｉｎ　ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｆｉｅｌｄ．Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　ｂｉｏｇａｓ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍ—　ｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｒｕｒａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏ—　ｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｆｏｒｍｅｒ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ，ａ　ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　ｂｉｏｇａｓ　ｄｉｇｅｓｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｓｏｌａｒ　ａｓｓｉｓｔｅｄ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｏ　ｒａｉｓｅ　ｂｉｏｇａｓ　ｄｉｇｅｓｔｅｒ’Ｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｂｉｏｇａｓ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｗｉｎｔｅｒ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎａｌｙ—　ｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｍａｄｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ；ｂｉｏｇａｓ；ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ　ｄｉｇｅｓｔｅｒ；ａｓｓｉｓｔｅｄ　ｈｅａｔｉｎｇ；ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　０　引言　为了缓解能源问题，世界各国都在积极研究开　发新能源，特别是可再生能源太阳能、生物质能、核　能、氢能、地热能、风能、潮汐能等…。沼气是一种　季寒冷地区产气量低的问题，严重制约了农村户用　沼气技术的发展及推广。本文对沼气产气原理及应　用现状进行了介绍，并对沼气应用中存在的问题进　行分析，在大量文献调研的基础上提出了利用太阳　能辅助加热户用沼气池的设想，并对系统原理、经济　性进行了分析。　高热值、高品位的能源，它是合理利用、多次利用和　综合利用生物质能的最有效形式　。我国做为一　个发展中的农业大国，一直非常重视沼气的应用，经　过几十年的发展，沼气已成为我国农村能源的重要　组成部分，但沼气在应用中存在一定问题，尤其是冬　ｌ　沼气的产气原理及应用　沼气是有机物质在一定温度、湿度、ｐＨ值和隔　绝空气条件下经微生物发酵而产生的可燃性气体。　沼气原料来源广泛，成本低廉，生产工艺比较简单，　不仅能用于燃烧和照明，还可以作为燃料用于发电，　无论在发达国家还是在发展中国家均得到高度重视。　．收稿日期２０１０—１１—１０　修订稿日期２０１０—１２一ｌ６　作者简介：陈志浦（１９８８一）男，学士，研究方向：测控技术与仪器。　２４１・　表１农村户ｌｌｌ，ｉｌ气发展现状　询　｜｝Ｌ　增　温度，℃　图１　温度对产气率的影响　沼气发酵影响因素众多，综合来讲主要有以下　几个方面，严格的厌氧环境，合适的温度，中性至微　碱性ｐＨ值，适量的接种物，充足的发酵原料及适时　的搅拌。发酵温度是影响沼气产气的重要因素，根　据发酵温度不同可以分为高温发酵、中温发酵、低温　发酵和常温发酵。在我国农村，沼气池发酵温度随　一年四季气温的变化而变化，属于常温发酵，沼气产　气率变化很大，试验表明，当池温在１５％以上时，沼　气发酵才能较好地进行，产气率为０．１～０．２　ｍ　／　（ｍ　・ｄ），温度在２０℃以上时，产气率可达０．４～０．５　ｍ　／（ｍ　・ｄ）。图１是沼气发酵温度对产气率的影响　曲线，产气量是以每立方米池容中温厌氧消化在　３５ｑＣ时等于１００　Ｌ换算　。　在我国北方地区冬季寒冷漫长，气温、地温较　低，沼气的产气率低，无法满足农户需求，农户不得　不烧柴灶或使用其他燃料炉灶，从而导致冬季农村　沼气池的应用存在大量闲置问题，极端寒冷时期，甚　至在冬季会出现冻裂沼气池的现象，造成沼气池停　用，直接影响了沼气在农村中的推广。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。　２沼气增温的主要措施　寒冷地区沼气池的增温是沼气研究领域一个热　点，国内外学者均进行过相关研究，目前已有的沼气　保温增温措施主要有以下几种。　２．１沼气池保温技术　Ｊ　隔热材料保温法，在地底、池四周加保温、隔热　材料，中断沼气池与大地的热传导通道。保温材料　．２４２．　有秸秆、草类、池面堆肥或者加厚土层、绝缘酯发泡　材料等，该技术只能延缓料液降温的速度，在冬季极　端寒冷时期不能保证沼气工程运行，且秸秆稻草类　保温效果较差，绝缘酯发泡材料等在经济性防水性　等方面还有待进一步改进。　塑料薄膜覆盖法，将塑料薄膜覆盖在沼气装置　的上面，再结合周围覆盖柴草的办法来进行保温，在　北方偏远地区应用较多，但效果不明显。　玻璃钢沼气池，采用玻璃钢作为材料结合绝缘　酯发泡等材料进行保温，建造的沼气池在强度、密封　性、现场施工及保温方面性能均有所改进，但沼气池　建造成本较高，在农村户用沼气推广上具有一定　局限。　２．２沼气池增温技术　塑料暖棚增温技术，结合了蔬菜大棚的保温特　点，利用太阳能为系统提高温度。在晋南地区具有　良好的应用实例，但是在北纬４０。以北地区，要想实　现全年高效产气就需要刘‘。该模式作进一步完善。崔　景峰等，建立了太阳能温室加热系统，但该系统需配　建塑料大棚，系统整体占地较大，推广受到当地实际　条件限制　”　。　燃料燃烧加热，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、秸杆废弃物的　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　性不高。　哈尔滨工业大学赵金辉＿　等，建立了太阳能沼　气锅炉联合加热沼气池系统，系统污染小，以ｆｉ４耗一　部分沼气为代价对沼气池发酵温度进行维持，系统　适于大中型沼气工程。　哈尔滨工业大学严静　引等，提出了太阳能加热　制取沼气的思路，即利，｝＿Ｈ太阳能集热系统生产的热　水通过沼气池底部的换热器来加热料液，提高池温。　论文建立了试验台，对系统可靠性及可行性进行初　步验证，系统盘管位于沼气池底部，随着沼气池使　用，下部沉渣堆积势必会在盘管外壁造成结垢，将严　重影响系统换热效果。　兰州理工大学武磊　，设计了采用太阳能加热　厌氧发酵装置，进行了冬季气候条件下的太阳能沼　气发酵装置产气性能试验。结果显示，该装置可以　在冬季气候条件下使发酵罐内料液温度维持在　２５℃左右。装置有太阳能集热板、储热水箱、沼气　池及相关管路组成，系统设备较为复杂，储热水箱设　置对农村户用系统不现实。　西北农林科技大学王晓超¨　等，设计了太阳能　系统达到最高效率、最大化采集太阳能量。家用太　阳能热水器水箱水温　大于沼气池水温　达到　１５￣Ｃ时，循环水泵启动，同时搅拌电机启动，把集热　热管加热沼气系统。　综上所述，传统的沼气池增温方法仍以秸秆、化　石燃料燃烧为主，结合稻草等保温材料达到增温目　的，热能转化率低，污染大，已不适应沼气的发展要　求。利用太阳能热水器来收集太阳能，为沼气池供　热增温是较好的选择。目前已有的太阳能加热系统　较多的偏注于大中型沼气工程，系统较为复杂、成本　较高，立足于农村户用沼气系统的加热措施研究　器的热量换给沼气池的水，　与　差值达到５￣Ｃ　时，循环水泵和搅拌电机延时１　ｍｉｎ后停止工作。　当沼气池温度高于２５ｃｃ时，循环强制停止。　（２）防冻循环　考虑到北方地区冬季气温低，太阳能水管系统　存在冻结危险，为防止冬季热水循环管道在停止运　较少。　为此本文提出了一种带搅拌的、基于家用太阳　能热水器的沼气加热系统，即利用家用太阳能热水　器生产热水，通过设置在沼气池内的换热器来加热　沼液，同时对沼气池进行保温，减少散热。系统在冬　季提高户用沼气的产气率，在夏季供应农民生活热　水，实现两种可再生能源相结合，具有良好的经济和　环境效益。　太阳能辅助加热沼气系统　３．１　系统组成　系统由保温沼气池、家用太阳能热水器、控制　柜、位于沼气池内的加热盘管与搅拌装置、循环水　泵，以及必要的水管路配件和温度传感器等组成。　系统构成示意图如图２。在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，在夏季太阳能热水器仅提供用户　正常洗浴用水。　图２太阳能加热户用沼气池系统构成不意图　３．２系统运行原理　冬夏季控制转换，通过设定开关进行人工控制，　夏季家用太阳能热水器与沼气池分开独立运行，冬　季联合运行。冬季工况系统运行主要控制如下。系　统中控制温度均可根据各地区实际情况进行单独　设置。　（１）温差循环　太阳能热水器通过温差跟踪循环控制方式保证　行期间被冻，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。特殊极端天气可以采取集热系统排空方式　防冻。　（３）自动补水　因系统为开式系统，根据设定当太阳能集热器　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经济性　传统的应用模式中家用太阳能供应洗浴热水，　冬天太阳能集热水温较低，不能满足正常洗浴要求，　在极端寒冷或长时间不用情况下为防止管路冻结将　太阳能放空闲置，同时冬季沼气池温度较低，不产气　或产气不足，也处于闲置状态。系统是将已有的太　阳能热水器和沼气池集成的一种新装置，通过控制　模块将两者有机的结合在一起。相比于传统的应用　模式系统实现了太阳能与沼气的互补，充分发挥二　者优势。增加的设备包括：控制柜（内含控制模　块）、沼气池内的加热盘管和搅拌装置、沼气池内的　温度计、循环水泵和水管路等。批量生产的控制系　统，成本在１００元以内。加热盘管和搅拌装置，成本　随地区和使用材质的不同而不同，不锈钢盘管和小　电机、叶轮搅拌的生产成本约１　０００元。循环水泵　及搅拌器功率以］５０　Ｗ计，每天工作２　ｈ，冬天加热　期９０天，共耗电２７　ｋＷｈ。经调研农村普通用户冬　季炊事燃料费用以２５０　ｋｇ普煤计，燃料费用约２００　元。粗略计算系统增加成本的回收期为６年左右，　具有较好经济性。若考虑系统的低碳及环保效应系　统更具有推广意义。　４　结论　沼气作为一种良好的可再生能源，是我国农村　能源的重要组成部分。为解决北方地区农村沼气池　冬季温度低导致的产气率低、使用率低等问题，提出　了一种带搅拌装置的、利用家用太阳能热水器进行　加热的户用沼气池系统，实现夏季太阳能热水器正　．２４３・　常供应户用洗浴，冬季运用太阳能热水加热沼气池，　使之维持较高的温度，实现全年供气。系统具有较　好的经济性，充分发挥太阳能和户用沼气两者优势，　具有很好的环保效应。　参考文献　［１］赵庆波，单葆国．世界能源需求现状及展望［Ｊ］．中　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