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項陽陽，高正陽，李仕平，歐煒，黃哲平，薛圓圓
（華北電力大學，能源與動力工程學院，河北保定071000）
摘要：沼氣是一種清潔、綠色能源，溫度是保證高效生產沼氣的關鍵條件之一。該文對比分析了幾種沼氣生產增溫技術，建立了一個8m3的沼氣池模型，對模型的熱平衡及幾種加熱技術的經濟性進行了分析和計算，結果表明：太陽能熱水器水循環沼氣池加熱系統更為經濟有效。
我國是農業大國，農村人口約占全國人口的70%，其消費的能源中絕大多數屬于生活用能，每人每年的能源消耗量雖然比較少，但消耗的能源量相當于369.5kg標準煤[1]。長期以來，農村以薪柴和木炭為主要能源，許多地區出現木柴消耗速度超過林木生長速度，森林植被受到大面積破壞，加速了土地生產能力下降，甚至導致土地沙漠化。再者，燃燒薪柴木炭能源利用率極低，燃燒煙氣會給大氣造成嚴重污染，破壞農村生活環境。
沼氣是一種清潔便捷的綠色能源，其主要成分是CH4，燃用1個單位的CH4氣體，可減排21個單位的CO2[2]。沼氣在提供清潔能源的同時，能夠緩解我國能源與環境壓力，實現節能減排，建設節約型社會。我國北方地區是農作物秸稈及畜牧業禽畜糞污等生物質能源主要產地，具有開發沼氣的巨大潛力。
溫度是保持高效產氣的關鍵[2]，因此，采用升溫保溫技術控制沼氣池溫度非常重要。目前已開發出太陽能熱水器水循環加熱、鍋爐水循環升溫及電加熱膜增溫等技術，且得到廣泛應用。但是對于沼氣池溫度低的主要原因及加熱技術的經濟性尚缺理論分析。本文在對1個8m3沼氣池模型進行熱平衡分析的基礎上，探討了造成沼氣池低溫的主要原因，分析了幾種加熱技術的經濟性。
1溫度對沼氣發酵的影響分析
適宜的溫度是沼氣發酵的重要外部條件。根據反應所處的溫度不同，沼氣發酵可分為常溫發酵、中溫發酵和高溫發酵，如表1。
研究表明，在15～40℃范圍內，隨著溫度的升高產氣率相應地增高，溫度每上升10℃，反應速率約增加2～3倍[3]。也就是說，同一種發酵原料在35℃的條件下發酵一個月相當于15℃條件下發酵6～9個月的產氣量。不同發酵溫度的產氣率（m3/（m3·d））與溫度（℃）的關系如圖1所示：
當沼氣發酵溫度低于10℃時，微生物進入休眠，產氣量少，沼氣則根本無法正常使用。另外，溫度的波動也對產氣率影響很大。例如在恒溫發酵過程中，1h的溫度上下波動不能超過2～3℃，短時間內溫度升降5℃，產氣量將明顯下降，波動過大時甚至會停止產氣[4]。因此，保持適宜穩定的沼氣發酵溫度，才能維持較高的產氣率。
2常用的沼氣發酵溫度控制技術
為解決我國北方農村冬季低溫嚴重影響沼氣生產的問題，近年來，人們對如何提高及控制沼氣池反應溫度，因地制宜進行了研發和實踐，推出了不少增溫控溫技術。筆者就目前應用較為廣泛的幾種沼氣發酵增溫控溫技術介紹如下：
2.1電加熱膜 增溫保溫系統電加熱膜增溫保溫系統是運用電流通過金屬導體發熱的原理，將電能轉化為熱能為沼氣池加熱。沼氣池電加熱系統由于金屬導體的材料、結構不同而形式多樣，這里介紹一種電加熱膜為沼氣池加熱升溫的系統。
該系統即在沼氣池的外壁上包覆一層電加熱膜，在電加熱膜的外層敷設具有一定厚度的苯板或聚氨酯泡沫，對整個沼氣池加熱系統進行保溫。該技術的顯著優點是升溫均勻、處理時間短、能量轉換率高且不易受外界環境（地域和天氣等）影響，一定程度上解決了沼氣池在冬季的加熱和保溫問題。然而由于電加熱系統需消耗不少高品位的電能，其節能性及社會經濟性并不佳。
2.2鍋爐水循環沼氣池 增溫系統鍋爐水循環加熱沼氣池技術原理為由燃料在鍋爐中燃燒釋放大量熱能來加熱循環水，熱水通過循環管路送到與沼氣池結合為一體的換熱器中，換熱器則將熱水中熱能傳遞到沼氣發酵的液料中，實現沼氣池反應溫度的提升。鍋爐水循環系統主要由小型熱水鍋爐、貯熱水箱、熱交換器、循環管路及系統補水裝置等構成。常見戶用鍋爐多以AⅡ煤或天然氣作為燃料，熱水鍋爐的局部結構因燃料不同而略有差異，但整體鍋爐水循環加熱沼氣池的原理及基本結構是一致的，其結構如圖2所示：
2.3太陽能熱水器水循環沼氣池 增溫系統太陽能熱水器水循環加熱系統主要有太陽能熱水器、換熱器、單片機控制系統、循環水泵以及其它輔助部件組成。該加熱系統采用太陽能熱水器作為主要的加熱部件，并通過循環管路將熱水輸送到沼氣池的換熱器，換熱器向沼氣池中沼液放熱，提高和保持沼氣池的溫度，從而提高沼氣的產氣量。系統工作原理如圖3所示：
采用太陽能熱水器水循環沼氣池升溫系統后沼氣池在冬天的產氣量能提高5～6倍，由溫度傳感器和單片機實現完全自動化控制，方便高效，且太陽能作為加熱熱源，具有較為理想的社會性和節能性。由于太陽能利用受天氣影響較大，使其推廣有一定的局限性。為彌補這一缺限，目前已經開發出太陽能－沼氣鍋爐及太陽能－生物質爐等聯合沼氣池升溫系統，提高了系統性能和穩定性，成效顯著，頗具推廣應用價值。
3沼氣池的熱量平衡建模
3.1研究對象及參數本文研究的對象是我國北方農村戶用沼氣池，一般一個8m3的沼氣池所產沼氣能夠滿足一個5口之家農戶的生活用氣。筆者以一個8m3的圓筒形沼氣池作為計算對象，沼氣池直徑2.4m，高1.77m，池底距地面2m。假定該模型處于河北省保定市某一農村，根據中國氣象科學共享氣象數據，保定市地面溫度和地深1m深處溫度全年變化情況如圖4：
式中G為生產沼氣的價值（元/m3）；qzq為沼氣的熱值，取23901.1kJ/kg；V為加熱裝置運行時間內的沼氣產量，即1152m3；q為天然氣的熱值，取35982.5kJ/m3；D為天然氣價格，取2010年北京天然氣價格，即2.3元/m3。經計算，加熱裝置運行期間產生的沼氣價值為1759.97元。
根據熱平衡計算結果，在加熱裝置供熱期間總的熱負荷為4050773.97kJ。電加熱法大約需要耗電4050773.97÷3600=1125.215kW·h，按市場價格折算為1125.215ⅹ0.48=540.103元；鍋爐水循環加熱法需要燃燒AⅡ類煤（優質炭）4050773.97÷15664.7=258.592kg，按市場價格折算為258.5920.85=219.804元；需要消耗天然氣4050773.97÷35982.5=112.577m3，按市場價格折算為112.5772.3=258.925元。
上述分析中設定幾種沼氣池升溫系統運行時間均為每年6個月，又設定系統使用壽命為20a，針對不同的加熱方案，就其成本、運行費用、產出效益等指標逐一進行分析比較，具體結果整理如表4：
分析表4中數據，太陽能熱水器水循環升溫系統、燃氣鍋爐水循環升溫系統、燃煤鍋爐水循環升溫系統及電加熱膜增溫保溫系統的產出效益比為1.375∶1.176：1.211∶1，顯然采用太陽能熱水器水循環升溫系統的經濟性最高。
5結論
（1）建立1個8m3的沼氣池模型，設定參數并對模型進行熱平衡分析。
（2）散熱損失是造成沼氣池溫度低的關鍵原因，因此對沼氣池采取有效的保溫措施十分必要。
（3）1～3月、10～12月的熱損失率為62%，在這6個月中需要對沼氣池加熱升溫以保證正常產氣，在4～9月則可不需要加熱。
?。?）太陽能熱水器水循環、燃氣鍋爐水循環、燃煤鍋爐水循環及電加熱膜增溫系統的產出效益比為1.375∶1.176∶1.211∶1，因此采用太陽能熱水器水循環升溫系統的經濟性最高。
參考文獻
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