陶三奇++謝虎++王鵬軍

摘要：車庫式干發(fā)酵沼氣系統(tǒng)在冬季運行過程中，由于溫度低而影響厭氧菌的活力，造成系統(tǒng)產氣量大幅下降。為保障其冬季穩(wěn)定產氣，試驗以長江中下游地區(qū)為例設計出一套發(fā)電余熱與太陽能耦合增溫系統(tǒng)，對該系統(tǒng)增溫熱負荷、發(fā)電機組余熱回收率、太陽能熱效率等關鍵參數進行理論計算得出，系統(tǒng)的中溫發(fā)酵最大負荷為1月，負荷量為23 630.4 MJ；5—10月只需要太陽能供熱就可基本實現中溫發(fā)酵環(huán)境；11—12月、1—4月系統(tǒng)需要發(fā)電余熱補充增溫。經工程試驗表明，100 t物料在冬季由13.3 ℃增溫到35.0 ℃，至少須提供熱量17 680.6 MJ，系統(tǒng)經過10 d可實現庫內物料中溫發(fā)酵，并能夠維持中溫發(fā)酵水平。

關鍵詞：發(fā)電余熱；太陽能；設計；耦合；增溫系統(tǒng)；熱效率

中圖分類號： S210.7文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0380-03

近年來，隨著農村能源開發(fā)利用政策的不斷深入，沼氣的開發(fā)利用也越來越受到重視。但是，冬季環(huán)境溫度低，使得冬季沼氣的產量減少，嚴重影響沼氣的生產。因此，沼氣生產必須在厭氧發(fā)酵過程中采取增溫措施進行熱量補充[1]。目前，主要增溫方式有生物質鍋爐增溫、太陽能增溫、電加熱鍋爐增溫、地源熱泵增溫等[2-3]，單一增溫方式的存在受天氣影響大、成本較高、自動化程度低、受地理位置限制等缺點[4]，而采用組合加熱方式可解決這一缺點[5]。沼氣發(fā)電余熱加熱實現了廢棄資源的再利用，節(jié)能環(huán)保，且費用僅分別為燃氣鍋爐加熱、太陽能加熱方式的60%和12%[6]。太陽能為綠色能源，在長江中下游地區(qū)資源豐富，利用太陽能可減少污染的排放和能源消耗，是未來發(fā)展的重要方向[7]。本系統(tǒng)采用沼氣發(fā)電余熱和太陽能，設計出一套發(fā)電余熱與太陽能為熱源、采用電加熱為輔助的沼氣車庫耦合增溫系統(tǒng)，利用定溫控制，通過太陽能集熱系統(tǒng)完成熱能的采集和傳輸，熱水通過換熱管對料液進行增溫。為預防太陽能增溫的不穩(wěn)定性和發(fā)電機偶然性故障，系統(tǒng)在蓄熱水箱內設計電加熱系統(tǒng)作為增溫系統(tǒng)的外輔助增溫，以提高增溫系統(tǒng)整體穩(wěn)定性[8]。

1耦合增溫系統(tǒng)組成及工作原理

增溫系統(tǒng)由發(fā)電余熱-太陽能耦合供熱環(huán)路組成（圖1），其中，發(fā)電余熱熱源與太陽能增溫相互補充，最大利用太陽能熱源，實現增溫系統(tǒng)運行穩(wěn)定。發(fā)電余熱-太陽能耦合系統(tǒng)作為增溫系統(tǒng)中主要熱量來源，通過發(fā)電余熱與太陽能集熱器耦合的方法為發(fā)酵庫提供穩(wěn)定的熱量；發(fā)電機組內循環(huán)冷卻水通過缸套水熱交換器預熱，外循環(huán)冷卻水通過廢氣熱交換器預熱后進入蓄熱水箱，實現熱量交換[9]。陽光充足時，太陽能集熱器收集熱量，通過換熱器與蓄熱水箱進行熱量互換，通過換熱管實現對發(fā)酵物料的增溫；太陽能不充分時，系統(tǒng)主要利用發(fā)電余熱增溫。系統(tǒng)根據溫度傳感器所測值，通過控制閥門和循環(huán)泵來控制集熱水箱、蓄熱水箱和發(fā)酵庫內熱量交換，發(fā)酵庫內換熱方式采用盤管輻射散熱。增溫系統(tǒng)蓄熱水箱內設有電加熱系統(tǒng)，作為增溫系統(tǒng)穩(wěn)定性的補充，當發(fā)酵庫內物料產氣率不高、發(fā)電余熱增溫不能滿足需求、太陽能集熱器水溫在40 ℃以下時，電加熱系統(tǒng)啟動。電加熱設為手/自動聯(lián)合控制方式，當發(fā)電機運行時，電加熱系統(tǒng)關閉；發(fā)電機停止運行，開啟電加熱手動開關；當發(fā)酵庫需要增溫，太陽能集熱器溫度又低于40 ℃時，電加熱開關自動閉合，電加熱系統(tǒng)運行增溫?？刂葡到y(tǒng)采用S7-200 可編程邏輯控制器（PLC）與力控組態(tài)軟件結合，及時監(jiān)控和采集發(fā)酵系統(tǒng)內數據。

2系統(tǒng)增溫負荷量的計算

2.1發(fā)酵池增溫負荷

發(fā)酵池增溫負荷是指在某一室外溫度下，為達到要求的發(fā)酵池內溫度，加熱系統(tǒng)在一定時間內須向發(fā)酵池供給的熱量。干式發(fā)酵在發(fā)酵前3 d進行有氧堆肥，自身內部將產生微生物熱，因此，干式發(fā)酵庫加溫負荷主要有進料吸收熱量、圍護結構散熱、沼液加熱量和內部微生物熱組成[10]，計算公式為：Q=Q1+Q2+Q3-Q4。式中：Q為發(fā)酵庫需要補充的能量，Q1為進料吸收熱量，Q2為圍護結構熱損失，Q3為每日沼液噴淋后，沼液需加熱的熱量，Q4為內部微生物自產熱，單位均為MJ（下同）。由于內部微生物自產熱影響較小，所以不作考慮，從而計算公式為：Q=Q1+Q2+Q3。

2.1.1進料吸熱量進料吸熱量是指一定時間內使物料溫度由進料溫度升到適宜發(fā)酵溫度所要補充的熱量，計算公式為：Q1=M1CP（T-T1） 。式中：M1為進料質量，kg/月；CP為進料熱容量，kJ/（kg·K）；T為設計溫度，℃；T1為進料溫度，℃[5]。表1為根據試驗進料溫度數據計算出的進料吸熱量Q1的數據

2.1.2維護結構散熱及沼液增溫熱量本發(fā)酵車庫頂部儲氣采用帶有彈性的紅泥塑料，溫室大棚雙層保溫，四壁采用100 mm聚氨酯保溫板，發(fā)酵庫圍護結構散熱的計算公式為：Q2=KFΔT 。式中：Q2為維護結構散熱量；K為傳熱系數，W（m2·K）；F為換熱面積，m2；ΔT為室內外溫差，℃[11]。系統(tǒng)運行時每天需要噴淋1次沼液，每次噴淋2 t，所以沼液達到中溫所需要的熱量Q3見表2。

2.2太陽能集熱系統(tǒng)熱負荷

太陽能加熱系統(tǒng)通過集熱管實現太陽能熱量的采集和傳輸，由溫度傳感器定溫控制，使集熱器內熱水通過溫差循環(huán)泵與蓄熱水箱進行換熱。增溫系統(tǒng)中太陽能增溫系統(tǒng)可以提供的熱量計算公式為：Q太=AC×[JT×η×（1-ηL）]/f。式中：AC為太陽能集熱板面積，本系統(tǒng)采用真空管集熱器，試驗設計太陽能集熱器面積為50 m2；JT為傾斜輻射量，MJ；η為集熱器日平均集熱效率，集熱器設置方向為正南，傾角取45°[12]，日平均集熱效率取55%；ηL為管路及熱水箱損失效率，系統(tǒng)取0.2[13]；f為太陽能保證率[14]。由表3可知，系統(tǒng)在1—4月、11—12月需要發(fā)電機補充的熱量，每月日均補充熱量分別是474.3、422.6、233.6、130.4、153.0、408.6 MJ，其他月份可利用太陽能加熱實現沼氣工程中溫厭氧發(fā)酵。

2.3沼氣發(fā)電余熱回收系統(tǒng)熱負荷

機組廢氣、煙氣的熱量可通過熱交換系統(tǒng)進行熱量回收，對發(fā)電余熱的回收利用既可以實現沼氣發(fā)電應用，又可以減少能源的浪費。發(fā)酵庫總容積為160 m3，原料體積占發(fā)酵池體積的70%，其中原料中固體占30%，液體占70%。設計發(fā)酵溫度取35 ℃，干物質產氣率為0.3 m3/kg[15]，設計日理論產氣量最少為100 m3，全部用于沼氣發(fā)電，沼氣中甲烷的質量分數約為60%，其余為二氧化碳和水等物質，按60%CH4含量計算，1 m3沼氣燃燒放熱23.85 MJ，沼氣燃燒可產生熱量Q熱=2 385 MJ；沼氣發(fā)電與煙氣回收產生的余熱利用率約為45%，則每天發(fā)電余熱回收為Q余=0.45×Q熱= 1 073.3 MJ。除去水箱和管道等散熱損失，發(fā)電機組余熱每日提供熱量Q剩=596.2 MJ[16-17]，這可以滿足1—4月、11—12月份發(fā)電機每日需要補充的熱量。

2.4庫內加熱水管計算及系統(tǒng)選型

發(fā)酵庫采用循環(huán)增溫系統(tǒng)，可經過多次循環(huán)實現庫內中溫發(fā)酵。沼氣發(fā)酵增溫系統(tǒng)通常采用不銹鋼管和PERT鋁塑管。不銹鋼管導熱系數λ=15 W/（m2·K），PERT管導熱系λ=0.48 W/（m2·K）[18]；交換同量熱量的條件下，PERT管換熱長是不銹鋼管長的10倍，不銹鋼管價格卻是PERT管的4～5倍。因此，小型沼氣工程可采用價格較高的不銹鋼管，但在大中型沼氣工程中，因供熱面積大且需要均勻增溫，同時盡可能減少初期投入，宜采用PERT管，根據庫內容積4×4×10 m3、以底部為基準每根管路間距300 mm、發(fā)酵庫壁鋪設9根計算，共需要PERT管長度為250 m。

3增溫系統(tǒng)控制器

3.1控制器程序設計

沼氣工程系統(tǒng)運行中，庫內溫度傳感器將庫內物料溫度值傳入PLC，當溫度≥35 ℃時，發(fā)電機冷卻水內循環(huán)，增溫系統(tǒng)不工作，當溫度<35 ℃時，增溫系統(tǒng)開始運行；蓄熱水箱內溫度達到40 ℃時，電磁閥開、循環(huán)泵運行，蓄熱水箱水溫低于35 ℃時，停止循環(huán)；系統(tǒng)中當太陽能集熱器內水溫與蓄熱水箱內水溫溫差值達到5 ℃時，電磁閥開、循環(huán)泵開啟，當太陽能集熱器水溫低于蓄熱水箱溫度時，電磁閥關閉，循環(huán)泵停止，通過換熱器實現溫度交換；沼氣發(fā)電系統(tǒng)啟動時，水箱水開始循環(huán)，為發(fā)電機降溫的同時給蓄熱水箱增溫，最終發(fā)酵庫內溫度達到中溫發(fā)酵增溫（圖2）。發(fā)酵庫需要增溫時，當發(fā)電機增溫系統(tǒng)不運行、太陽能集熱器水溫在40 ℃以下，可以手/自動啟動電加熱系統(tǒng)，從而保持庫內發(fā)酵溫度的穩(wěn)定性。

3.2溫度信號采集

系統(tǒng)中溫度信號采集系統(tǒng)是將計算機（PC）與西門子 S7-200 PLC通過PC/PPI編程電纜連接起來，根據需要的輸入、輸出點數，選用CPU 224CN 14輸入/10輸出和溫度擴展模塊EM 235 4模擬量輸入/1模擬量輸出，將模擬量擴展模塊EM235與PLC連接起來，構成一套溫度模擬量采集系統(tǒng)（圖3）。

將PT 100溫度傳感器采集到的溫度值，通過溫度變送器轉換為模擬電流4～20 mA（對應的數據范圍為6 400～32 000），從CH1（A+和A-）輸入，通過PLC數據處理，在PC上力控軟件界面中以數字和溫度曲線形式顯示。系統(tǒng)設定采集溫度范圍為-10～100 ℃，溫度采集標準模板庫（STL）程序為：

4系統(tǒng)測試結果

系統(tǒng)于2014年11月初啟動，利用發(fā)電余熱與太陽能耦合增溫，并對系統(tǒng)的增溫效果進行測定，每日產沼氣全用于發(fā)電，天氣良好，發(fā)酵物料溫度為13.3 ℃。結果表明，為實現庫內中溫發(fā)酵，至少需供熱量Q供=17 680.6 MJ。工程試驗時采用2個庫作增溫對比，東庫不加熱，西庫增溫加熱，運行 10 d 時，西庫實現了發(fā)酵庫中溫發(fā)酵，庫內產氣達到最佳，而東庫溫度幾乎變化不大；沼氣干發(fā)酵物料開始發(fā)酵時為好氧發(fā)酵過程，生物內產熱，溫度升高很快，東西庫溫度均上升；西庫采用增溫系統(tǒng)，溫度出現持續(xù)上升，但由于產氣，升溫速率放緩，后期由于發(fā)電余熱提供熱量，庫內溫度又有所提升并趨于穩(wěn)定；東庫無外來熱量補充，又因維護結構散熱，因此溫度逐漸下降并趨于穩(wěn)定（圖4）。

5結論

以發(fā)電余熱與太陽能耦合，同時采用電加熱為輔助增溫系統(tǒng)對干式厭氧發(fā)酵庫物料增溫，系統(tǒng)在5—10月可完全由太陽能提供熱量，實現中溫發(fā)酵，1—4月、11—12月可利用耦合發(fā)電余熱進行發(fā)酵庫內物料增溫。對發(fā)酵庫利用增溫系統(tǒng)進行調試，10 d實現發(fā)酵庫中溫發(fā)酵，并能維持庫內35 ℃。該增溫系統(tǒng)率先運用于國內干式沼氣工程發(fā)酵系統(tǒng)中，取得良好的試驗效果，并投入到工程運用。

發(fā)電余熱與太陽能耦合增溫系統(tǒng)一方面針對長江中下游地區(qū)太陽能資源豐富的特點，在利用太陽能資源的同時，將發(fā)電余熱的廢棄資源回收再利用，減少了能源投入，提高了經濟

性；另一方面，耦合增溫系統(tǒng)克服了單一增溫系統(tǒng)的缺點，再加上電加熱輔助增溫的應用，進一步提高了增溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了發(fā)酵庫內相對穩(wěn)定的發(fā)酵溫度。

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