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        SMC新型高密度復(fù)合材料沼氣池的研發(fā)

        2015-10-18 02:16:22武志峰張艷麗盧秋紅
        天津科技 2015年1期
        關(guān)鍵詞:玻璃鋼沼氣池高密度

        武志峰,楊 春,張艷麗,鄭 超,盧秋紅

        (1. 河北工程大學 河北邯鄲 056038;2. 河北盛偉基業(yè)玻璃鋼制品有限公司 河北衡水 053100)

        能源是人類社會存續(xù)和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),是支撐社會經(jīng)濟發(fā)展的必要條件。隨著我國經(jīng)濟水平的快速發(fā)展,能源消費所導(dǎo)致的環(huán)境污染也帶來了高昂的經(jīng)濟成本和人類健康成本。因此,加快清潔能源技術(shù)的發(fā)展,特別是再生能源的開發(fā)與利用,是我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的首選。

        沼氣作為一種可再生的清潔能源,是一種利用廢棄物資源進行厭氧發(fā)酵而產(chǎn)生的可燃性氣體,以“種植-養(yǎng)殖-沼氣”為農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式,不僅可利用清潔能源,且對改善農(nóng)民的生活條件和農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生起著重要的作用。

        1 國內(nèi)外沼氣利用技術(shù)的發(fā)展狀況

        眾所周知,美國傳統(tǒng)能源利用在世界上占據(jù)主導(dǎo)地位,但其對沼氣的利用曾經(jīng)一度發(fā)展比較緩慢。截止 20世紀 90年代,美國約建有 150個沼氣工程,而這些沼氣工程建設(shè)的設(shè)備比較簡陋,設(shè)計不甚合理,安裝也不夠規(guī)范,在管理上也異?;靵y,致使大多數(shù)沼氣池的發(fā)酵設(shè)備無法正常使用而不得已做報廢處理。隨著美國與諸多石油大國之間關(guān)系的不斷惡化,美國不得不再次重新認識生物能源技術(shù),從而使國內(nèi)相關(guān)的沼氣研究和沼氣工程建設(shè)相繼展開并得到重新建設(shè)。 德國是世界上沼氣工程建設(shè)和沼氣技術(shù)水平較高的國家之一。截止到2010年,德國已經(jīng)成功建成沼氣工程6,000余座,其中約有98%的沼氣用于發(fā)電,總裝機容量達到2,700,MW,其中裝機容量 2,MW 以上的沼氣發(fā)電廠有 40余家,沼氣年發(fā)電量可達200億度以上。[1]同樣日本、印度等國家的沼氣建設(shè)發(fā)展也非常迅猛,在亞洲,除我國外,印度是沼氣利用較廣的國家之一,[2]截止2005年底,印度已建成380萬戶用沼氣池。[3]

        中國是最早發(fā)現(xiàn)和利用沼氣技術(shù)的國家之一。隨著經(jīng)濟和科學技術(shù)的不斷發(fā)展,沼氣已越來越多地融入我國農(nóng)村的日常生產(chǎn)生活,也使得我國成為沼氣使用規(guī)模最大的國家之一。近年來,我國對沼氣建設(shè)的投資力度逐步加大,到2006年底,我國沼氣用戶已經(jīng)達到 2,200余萬戶,約有 5,300萬處養(yǎng)殖場大中型沼氣工程和 13萬處生活污水凈化沼氣池,沼氣年產(chǎn)量約為90億m3。

        但隨著我國農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移、農(nóng)民生活方式的改變,我國沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也面臨著不少問題。①隨著農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?;男纬珊图s化發(fā)展,使得沼氣池發(fā)酵原料愈發(fā)緊缺;②農(nóng)村主要勞動力的城市化轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致農(nóng)村勞動力不足,部分沼氣池日常維護管理困難;③目前我國農(nóng)村的沼氣池技術(shù)相對滯后,使沼氣池的利用率大大降低,嚴重影響了農(nóng)民使用沼氣的積極性。隨著我國化工技術(shù)的發(fā)展,新型復(fù)合材料在沼氣池研制中的應(yīng)用,使沼氣池的日常維護越發(fā)簡易,沼氣利用率也將得到進一步提高。

        2 新型復(fù)合材料在沼氣池研制中的應(yīng)用

        復(fù)合材料是一種能夠適應(yīng)現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展并具有強大生命力的新型材料,這種材料在提高產(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)減重等方面起著重要作用。目前,在新能源、航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,對節(jié)能減排和快速發(fā)展清潔能源等低碳經(jīng)濟具有積極意義。

        由于農(nóng)村條件所限,沼氣池主要以手工砌建的混凝土沼氣池為主,這種建設(shè)方式不僅費工、耗時,嚴重浪費材料,且存在著密閉性差等安全隱患,建設(shè)質(zhì)量難以保證,更不容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和商品化生產(chǎn)?;炷翆?dǎo)熱系數(shù)為5.44,kJ/(m·h·℃),玻璃鋼/復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 1.42,kJ/(m·h·℃)。[4]玻璃鋼/復(fù)合材料保溫沼氣池的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.59,kJ/(m·h·℃),通過比較可知,玻璃鋼/復(fù)合材料保溫沼氣池的導(dǎo)熱系數(shù)為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的1/9,主要原因是玻璃鋼/復(fù)合材料保溫沼氣池池壁采用蜂窩保溫層結(jié)構(gòu),大大降低了導(dǎo)熱性。通過實驗得知,在環(huán)境溫度降至-30,℃時,玻璃鋼保溫沼氣池依然能夠正常產(chǎn)氣和使用。如1個8,m3的玻璃鋼保溫沼氣池,沼氣年生產(chǎn)量為800~900,m3,平均節(jié)煤在 2,000,t左右。沼氣池設(shè)計壽命在 30年以上。預(yù)計 2015年全國的沼氣池總量將達到 5,000萬戶以上,沼氣池新增用戶約 3,000萬戶,約有 1/5的農(nóng)戶用上沼氣,適宜地區(qū)普及率將達到 35%以上。沼氣池廣泛的普及和應(yīng)用將會大大提高農(nóng)村能源的利用水平,從而使清潔能源燃料比重達到 80%以上。商品化沼氣池的市場需求也會相當可觀。由此可見,普及發(fā)展玻璃鋼/復(fù)合材料沼氣池,在改善農(nóng)村環(huán)境,促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收和農(nóng)村經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展的同時還能優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),對農(nóng)村走向生態(tài)之路、發(fā)展低碳經(jīng)濟有重要的現(xiàn)實意義。[8]

        3 SMC復(fù)合材料沼氣池研究

        SMC是一種新型高密度復(fù)合材料,具有強度高、質(zhì)量輕、氣密性好、耐腐蝕、使用壽命長等優(yōu)點。

        2005年6月,河北省棗強玻璃鋼集團有限公司(以下簡稱“棗強玻璃鋼”)利用模壓工藝,開始研發(fā)和建設(shè) 10片拼裝成型玻璃鋼沼氣池,也稱之為第一代模壓工藝 10片拼裝成型玻璃鋼沼氣池,由于存在設(shè)計缺陷,致使其在進料和出料時均有困難,從而使用成本大大提高,因此未能得到有效推廣和廣泛應(yīng)用。2007年,棗強玻璃鋼在第一代玻璃鋼沼氣池的基礎(chǔ)上開始研發(fā)第二代產(chǎn)品,第二代玻璃鋼沼氣池改進了第一代產(chǎn)品的進料和出料設(shè)計系統(tǒng)。試用發(fā)現(xiàn),第二代沼氣池的密閉性差,容易漏氣,后期維護成本較高,未能得到有效推廣,主要原因是該產(chǎn)品采用10片拼裝結(jié)構(gòu),接縫太多所致。

        經(jīng)過不斷的技術(shù)革新,棗強玻璃鋼開始研發(fā)第三代玻璃鋼沼氣池,第三代產(chǎn)品利用 SMC高密度復(fù)合材料進行生產(chǎn),該產(chǎn)品采用上、下雙半球結(jié)構(gòu)(見圖1),該設(shè)計不僅解決了一、二代產(chǎn)品進、出料困難和焊縫多、后期維護復(fù)雜等方面的缺點,同時縮短了生產(chǎn)周期,降低了生產(chǎn)成本。

        圖1 第三代SMC高密度復(fù)合材料沼氣池Fig.1 A 3rd generation SMC high density composite methane pool

        棗強玻璃鋼的第三代 SMC高密度復(fù)合材料沼氣池充分利用了SMC新型高密度復(fù)合材料的物理、化學特性,采用上、下雙半球拼裝連接和凹凸槽密封式、背負式進、出料口,水壓間一體化和雙重出料結(jié)構(gòu),充分提高了沼氣池的承壓能力和密封性能,操作方便,維護簡單。該產(chǎn)品的研制成功填補了國內(nèi)在新型復(fù)合材料沼氣池研發(fā)方面的空白,總體技術(shù)水平處于國際領(lǐng)先地位。

        4 結(jié) 語

        基于新型復(fù)合材料的商品化沼氣池的出現(xiàn),有效解決了我國農(nóng)村推廣應(yīng)用沼氣的問題,在保護環(huán)境的同時有效促進了農(nóng)村低碳經(jīng)濟的發(fā)展。由于采用工廠化方式生產(chǎn),容易實現(xiàn)標準化和規(guī)?;募庸どa(chǎn),保證了產(chǎn)品質(zhì)量,同時也大大提高了建池速度,降低了建池成本,為農(nóng)村沼氣池的建設(shè)和廣泛利用提供了必要保證?!?/p>

        [1] 張俐敏. 德國沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對我國的啟示[J].中國農(nóng)墾,2011(12):40-42.

        [2] 楊輔仁. 世界沼氣概述[J]. 世界科學,1985(09):47-48.

        [3] 胡啟春,夏邦壽. 亞洲農(nóng)村戶用沼氣推廣技術(shù)研究[J]. 中國沼氣,2006,24(4):32-35.

        [4] 李達生. 玻璃鋼沼氣池生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀淺析[J]. 遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報,2008,10(1):36-38.

        [5] 薛忠民,孫超明,柴紅梅. 淺析復(fù)合材料在發(fā)展低碳經(jīng)濟中的重要作用[J]. 新材料產(chǎn)業(yè),2010(3):30-34.

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