武志峰，楊 春，張艷麗，鄭 超，盧秋紅

(1. 河北工程大學(xué) 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?fàn)顩r

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(jì) 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(rèn)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(xué)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(yán)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(xué)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(yán)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(dāng)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(xué)特性，采用上、下雙半球拼裝連接和凹凸槽密封式、背負(fù)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(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化的加工生產(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(xué)，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(xué)院學(xué)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.