矯云學(xué)++趙國明++張蕾蕾++袁存亮

摘 要：針對(duì)寒冷地區(qū)如何保證沼氣越冬生產(chǎn)，且耗能低的問題，研制出一種寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的增保溫和產(chǎn)氣性能。并以牛糞和秸稈為原料在環(huán)境溫度不低于-19.7 ℃情況下進(jìn)行了產(chǎn)氣運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)氣周期物料溫度始終維持在51～55℃之間，同一料層每小時(shí)溫度變化不大于1.4℃，池容平均產(chǎn)氣率達(dá)到0.83m3/（m3·d），產(chǎn)氣甲烷體積分?jǐn)?shù)除前2d外都達(dá)到55%以上，表明反應(yīng)器具有良好的增保溫性能，較高的池容產(chǎn)氣率和較好的產(chǎn)氣質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；干法沼氣；車庫式；厭氧發(fā)酵

中圖分類號(hào)：S-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170229021

引言

利用沼氣技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖場的糞便，可以消除糞便對(duì)地表水、地下水、大氣環(huán)境污染以及微生物污染等，同時(shí)其產(chǎn)物為清潔能源沼氣和優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用，越來越受到人們的關(guān)注。東北地區(qū)現(xiàn)有的大中型沼氣工程多數(shù)采用CSTR濕法沼氣發(fā)酵工藝，該工藝技術(shù)成熟，在南方應(yīng)用較好，在北方應(yīng)用冬季需要將大量的水加熱，耗能較大。近年來，國內(nèi)建設(shè)了一些大中型干法沼氣工程，與濕法沼氣工程相比，產(chǎn)氣耗能有所降低，但仍存在諸多問題。如黑龍江省賓縣車庫型干發(fā)酵垃圾處理沼氣工程，該工程引進(jìn)德國干發(fā)酵沼氣技術(shù)，多個(gè)反應(yīng)器布置在一個(gè)大的生產(chǎn)車間內(nèi)，在保溫上取得了良好的效果，但在增溫上仍需消耗大量的常規(guī)能源才能維持運(yùn)營，且工程造價(jià)昂貴。再如北京龐各莊干法沼氣工程，該工程反應(yīng)器建設(shè)在高大的陽光棚車間內(nèi)，反應(yīng)器頂面和一側(cè)面采用柔性膜覆蓋，可以吸收太陽能增溫，但其保溫性能相對(duì)較差，在寒區(qū)冬季也很難運(yùn)行，同時(shí)工程造價(jià)也很高。如何降低寒區(qū)沼氣工程建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)冬季沼氣低能耗、高效穩(wěn)定運(yùn)行，一直困擾著廣大科研工作者。

本課題開發(fā)設(shè)計(jì)了寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，能夠充分利用太陽能為物料增溫，且通過反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，大大降低工程建造成本，提高反應(yīng)器保溫效果，降低產(chǎn)氣耗能，使物料在沼氣發(fā)酵過程中始終保持在較好的發(fā)酵溫度，并具有較高的產(chǎn)氣率和較好的產(chǎn)氣效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)和試驗(yàn)裝備

試驗(yàn)于 2015年 11 月 5 日—12 月 3日，在白城市佳祥生物質(zhì)能源有限公司院內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)裝備為寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，以內(nèi)置水箱“棚-膜-封閉車庫槽”組合干發(fā)酵厭氧反應(yīng)器為核心，總反應(yīng)體積400m?，單槽反應(yīng)體積200m?，內(nèi)置水箱“棚-膜-封閉車庫槽”組合干發(fā)酵厭氧反應(yīng)器如圖1。

寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)組成示意如圖2，主要由沼氣火炬、用戶管、儲(chǔ)氣柜、渦街流量計(jì)、脫硫罐、脫水罐、溫度控制儀Ⅱ、溫度控制儀Ⅰ、吸氣管、螺旋噴頭、厭氧反應(yīng)器、換熱管、蓄熱換熱水箱、曝氣管、溫度控制儀Ⅳ、溫度控制儀Ⅲ、沼液泵、沼液池、羅茨風(fēng)機(jī)、循環(huán)泵 、電控柜、沼氣鍋爐、太陽能集熱系統(tǒng)以及配套設(shè)施等組成?！芭?膜-封閉車庫槽”組合厭氧反應(yīng)器槽體內(nèi)表面設(shè)有氣密層，外表面設(shè)有10cm厚聚氨酯發(fā)泡保溫層，可以減少槽內(nèi)物料熱量散失。反應(yīng)器頂部采用陽光板棚能夠保證太陽光盡可能多的透入溫室內(nèi)，照射在棚頂柔性膜上，實(shí)現(xiàn)良好的增保溫效果。反應(yīng)器槽底內(nèi)置蓄熱換熱水箱可在白天積蓄太陽能集熱系統(tǒng)的熱能，于夜晚環(huán)境溫度較低時(shí)將積蓄的熱能傳遞給物料，既可以用來保證發(fā)酵槽內(nèi)的物料溫度，又可以為穿過其中的水箱內(nèi)曝氣管加熱。由太陽能集熱系統(tǒng)、沼氣鍋爐、循環(huán)泵、蓄熱換熱水箱以及換熱管等構(gòu)成增溫系統(tǒng)，太陽能集熱系統(tǒng)所用真空集熱管尺寸為直徑Φ58mm，長度1800mm，數(shù)量為750根，蓄熱換熱水箱容積7m?。由沼液泵、輸液管路、螺旋噴頭、沼液池等構(gòu)成沼液噴淋系統(tǒng)。由羅茨風(fēng)機(jī)、吸氣管、曝氣管等構(gòu)成曝氣系統(tǒng)，可以很好地利用反應(yīng)器自身產(chǎn)生的沼氣來疏通料堆，提高傳熱率。由羅茨風(fēng)機(jī)、脫水罐、脫硫罐、儲(chǔ)氣柜、火炬等構(gòu)成沼氣凈化儲(chǔ)存系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)原料

發(fā)酵原料為鮮牛糞（TS含量為18%）和經(jīng)揉搓機(jī)揉碎長度小于1.5cm的干玉米秸稈（TS含量為80%）。

1.3 試驗(yàn)儀器儀表

L93-2L溫度記錄儀（成都華衡儀器有限公司，測量精度：±0.5～0.8℃，分辨率：0.1℃）、BR-LUGB-50型渦街流量計(jì)（江蘇金湖博銳儀表有限公司，精度等級(jí)：±1.5%R）、LFGB-002型沼氣氣體成分速測儀（英國）。

1.4 試驗(yàn)運(yùn)行

將太陽能集熱系統(tǒng)和蓄熱換熱水箱加滿水。將牛糞與揉碎的秸稈按體積比2.5：1混合均勻送入?yún)捬醴磻?yīng)器內(nèi)，總進(jìn)料量占反應(yīng)器容積的80%，料堆寬4m，高3m。接著進(jìn)行好氧預(yù)處理，間隔8h啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)1次對(duì)發(fā)酵物料進(jìn)行好氧曝氣，每次曝氣時(shí)間30min，當(dāng)物料溫度達(dá)到50～55℃時(shí)，封反應(yīng)器進(jìn)行厭氧發(fā)酵。厭氧發(fā)酵初期產(chǎn)生的雜氣排出，排氣大約3d左右，當(dāng)檢測沼氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)不低于50%時(shí)進(jìn)行沼氣凈化儲(chǔ)存。產(chǎn)氣過程中利用太陽能集熱系統(tǒng)吸收太陽能熱增溫，通過溫度記錄儀記錄每天各溫度傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)（間隔10min記錄1次），每天間隔8h啟動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)1次對(duì)發(fā)酵物料進(jìn)行厭氧曝氣，每次曝氣時(shí)間30min。每天用沼氣氣體成分速測儀按時(shí)測量沼氣的甲烷體積分?jǐn)?shù) 1 次。每天按時(shí)燃燒排空產(chǎn)生的沼氣，并記錄流量計(jì)讀數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 增保溫效果

從寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行排完雜氣正式生產(chǎn)沼氣開始，到該周期生產(chǎn)沼氣結(jié)束，共計(jì)28d，溫度開始記錄時(shí)間：2015年11月5日22：30，結(jié)束記錄時(shí)間：2015年12月3日22：30，記錄每天各溫度記錄儀測得的溫度數(shù)據(jù)。溫度控制儀Ⅰ測料表層溫度和空氣環(huán)境溫度；溫度控制儀Ⅱ測距料層頂部20cm料溫；溫度控制儀Ⅲ測料層高度1.5m處料溫；溫度控制儀Ⅳ測距料層底部20cm料溫和蓄熱換熱水箱內(nèi)水溫。將測得的物料溫度和水箱溫度整理成如圖3所示的物料溫度、水箱溫度變化趨勢圖，對(duì)應(yīng)的空氣環(huán)境溫度整理成如圖4所示環(huán)境溫度變化趨勢圖。

空氣環(huán)境溫度隨著晝夜的更替而急劇變化，同時(shí)隨著季節(jié)和天氣的變化而變化。整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)最高環(huán)境溫度為-2.4℃（時(shí)間為 2015 年 11月 7日 2 ：10），最低環(huán)境溫度為-19.7℃ （時(shí)間為 2015 年11月24日3：50），變化幅度為 17.3℃。沼氣發(fā)酵期內(nèi)日空氣環(huán)境溫度變化幅度最大為 13.8℃（時(shí)間為 2015 年 11月7日）；沼氣發(fā)酵期內(nèi)日環(huán)境溫度變化幅度最小為3.2℃（時(shí)間為 2015 年 12月 2日）。

蓄熱換熱水箱內(nèi)水溫隨著晝夜的更替而急劇變化。整個(gè)厭氧發(fā)酵周期內(nèi)最高溫度為68.9℃，最低溫度為53.4℃，變化幅度為15.5℃。沼氣發(fā)酵期內(nèi)日水箱溫度變化最大為15.5℃（時(shí)間為 2015 年 11月 10日）； 沼氣發(fā)酵期內(nèi)日水箱溫度變化幅度最小為 8.8℃（時(shí)間為 2015 年 11月22日）。整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)水箱溫度始終高于物料溫度，能夠連續(xù)不斷地為物料增溫。

整個(gè)周期內(nèi)料表層溫度變化平緩，在44.0～44.5℃之間波動(dòng)；整個(gè)物料溫度在51～55℃之間隨著晝夜更替而波動(dòng)，同一料層每小時(shí)溫度最大波動(dòng)幅度為 1.4℃；日溫度最小波動(dòng)幅度為 0.1℃。已有研究表明，溫度發(fā)生波動(dòng)會(huì)給沼氣發(fā)酵帶來一定的影響， 一般每小時(shí)溫度上下波動(dòng)不宜超過±（2～3℃）。本試驗(yàn)中，在整個(gè)沼氣發(fā)酵期內(nèi)， 每小時(shí)內(nèi)的物料溫度波動(dòng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于± （2～3 ℃）。

總的說來，空氣環(huán)境溫度和蓄熱換熱水箱內(nèi)水溫呈周期性劇烈波動(dòng)，而反應(yīng)器內(nèi)物料溫度變化趨勢相對(duì)平緩，每小時(shí)內(nèi)同一料層溫度上下波動(dòng)不大于1.4℃，反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵物料溫度受環(huán)境溫度變化影響較小。物料能夠不斷從蓄熱換熱水箱中吸收熱能，維持高溫厭氧發(fā)酵。由此可見，該反應(yīng)器具有較好的保溫和增溫效果，為沼氣發(fā)酵微生物的生長提供了良好的溫度環(huán)境，有利于獲得較高的產(chǎn)氣率。

2.2 產(chǎn)氣效果

寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的日產(chǎn)沼氣量情況如圖 5 所示。從2015 年11月5日開始產(chǎn)氣到2015年12月3日產(chǎn)氣結(jié)束，28d總產(chǎn)氣量為4647.73m3，日均產(chǎn)沼氣165.99 m3，平均容積產(chǎn)氣率 0.83m3/（m3·d）（反應(yīng)器容積按200 m3計(jì)算），最高日產(chǎn)氣量226.199 m3，最高日產(chǎn)氣率達(dá)到1.131 m3/（m3·d）。

發(fā)酵期內(nèi)沼氣甲烷體積分?jǐn)?shù)變化如圖 6 所示。在沼氣發(fā)酵開始后的前 3 d，沼氣中甲烷就由 50.4%快速上升到 55.1%，從第 4天到厭氧期結(jié)束，甲烷始終保持在 55%～60%范圍內(nèi)，沼氣質(zhì)量較好。

3 結(jié)論

本研究表明，在寒冷地區(qū)冬季氣溫不小于-19.7℃條件下，研制開發(fā)的寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)物料溫度在整個(gè)產(chǎn)氣周期內(nèi)始終維持在51～55℃之間，同一料層每小時(shí)溫度變化不大于1.4 ℃，沼氣生產(chǎn)不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。結(jié)合產(chǎn)氣情況，整個(gè)產(chǎn)氣周期內(nèi)平均容積產(chǎn)氣率達(dá)到0.83m3/（m3·d），最高日產(chǎn)氣率達(dá)到1.131 m3/（m3·d），具有較高的產(chǎn)氣率，同時(shí)產(chǎn)氣甲烷體積分?jǐn)?shù)整個(gè)產(chǎn)氣周期內(nèi)除前2d外都達(dá)到55%以上，具有較好的產(chǎn)氣質(zhì)量。因而說明本課題開發(fā)設(shè)計(jì)的寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)寒冷地區(qū)冬季穩(wěn)定生產(chǎn)沼氣，具有較高的平均產(chǎn)氣率和較好的產(chǎn)氣質(zhì)量，解決了寒冷地區(qū)沼氣越冬生產(chǎn)技術(shù)瓶頸。

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作者簡介：矯云學(xué)，男，碩士，高工，主要從事農(nóng)村資源與環(huán)境研究。