矯云學(xué)　趙國(guó)明　丁偉　張重

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(wèn)題，研制出一種日光增溫水蓄能厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有良好的增保溫和產(chǎn)氣性能。并以牛糞為原料在環(huán)境溫度不低于-23.2℃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)氣周期物料溫度從30.3℃一直升到49.5℃，日溫度變化不大于1.1℃，池容平均產(chǎn)氣率達(dá)到0.802m³/（m³·d），產(chǎn)氣甲烷體積分?jǐn)?shù)除前3d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)；沼氣；保溫；節(jié)能；太陽(yáng)能

中圖分類號(hào)：S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170132002

引言

沼氣技術(shù)是解決農(nóng)村環(huán)境污染、有效利用畜禽糞污資源的重要途徑，在畜禽糞污處理和資源化利用方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它可以將畜禽糞污轉(zhuǎn)化成清潔能源沼氣和優(yōu)質(zhì)沼肥，實(shí)現(xiàn)畜禽糞污無(wú)害化處理，減少溫室氣體排放。目前，沼氣技術(shù)在我國(guó)溫暖的南方地區(qū)使用和推廣情況較好，但在寒冷的北方地區(qū)由于受冬季低溫影響，存在冬季產(chǎn)氣耗能大，傳統(tǒng)沼氣反應(yīng)器保溫設(shè)施簡(jiǎn)陋，冬季產(chǎn)氣需要燃燒大量的燃煤等，經(jīng)濟(jì)效益差，農(nóng)民使用沼氣的積極性不高，基本處于半年產(chǎn)氣半年停的狀態(tài)。如何保證沼氣冬季發(fā)酵溫度，且耗能低或不耗用常規(guī)能源是廣大科技工作者研究的重要方向和需要解決的難題。

本課題開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了日光增溫水蓄能厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，能夠充分利用太陽(yáng)能為物料增溫，且通過(guò)反應(yīng)器保溫結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，使物料在沼氣發(fā)酵過(guò)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2016年1月2-30日，在吉林省乾安縣佳辰化工有限公司院內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)裝備為3m³日光增溫水蓄能厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，如圖1。

反應(yīng)器采用內(nèi)外雙膽真空夾層臥式圓柱罐結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽為3mm厚普通碳素鋼板材Q235-A·F焊合制成，外膽為8mm厚玻璃鋼材料制成，內(nèi)外膽之間抽真空。圓柱罐內(nèi)設(shè)有攪拌器和溫度傳感器Ⅰ。圓柱罐安放在支撐架上，下部設(shè)有蓄熱換熱水箱，水箱與下部的真空集熱管直接連通，水箱內(nèi)設(shè)有電加熱棒和溫度傳感器Ⅱ，真空集熱管下面設(shè)有反光板，反應(yīng)器外部還設(shè)有溫度傳感器Ⅲ。溫度傳感器Ⅰ、溫度傳感器Ⅱ和溫度傳感器Ⅲ連接于溫度控制儀。圓柱罐和蓄熱換熱水箱整體外部噴涂10cm厚聚氨酯保溫層，并包裹2cm厚橡塑保溫層。圓柱罐頂部設(shè)有出氣口與儲(chǔ)氣袋連通，儲(chǔ)氣袋出氣端裝有沼氣流量表。所用真空集熱管尺寸為直徑Φ58mm，長(zhǎng)度1800mm，數(shù)量為46根，集熱水箱容積660L。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2。

1.2試驗(yàn)原料

發(fā)酵原料為TS含量為18%的新鮮牛糞，接種物為干物質(zhì)含量為10%的高溫厭氧污泥。

1.3試驗(yàn)儀器儀表

L93-4L溫度記錄儀（成都華衡儀器有限公司，測(cè)量精度：±0.5～0.8℃，分辨率：0.1℃）、

G25型燃?xì)獗恚ㄌ旖虼筘S流量?jī)x表廠，精度0.1m³）、TGT-100磅秤（焦作臺(tái)秤廠，分度值50g，精度等級(jí)3級(jí)）、LFGB-002型沼氣氣體成分速測(cè)儀（英國(guó)）。

1.4試驗(yàn)運(yùn)行

將真空集熱管和蓄熱換熱水箱加滿水。將新鮮牛糞送入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)，加水調(diào)整進(jìn)料干物質(zhì)濃度為10%左右，同時(shí)加入30%左右的接種物，使總料量占反應(yīng)器容積的80%，并利用攪拌器將物料混勻。利用真空集熱管吸收太陽(yáng)能熱增溫，通過(guò)溫度傳感器和溫度記錄儀記錄每天各溫度傳感器測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)（間隔10min記錄1次）。每天早、中、晚利用攪拌器分別攪拌物料1次，每次攪拌5～8min。每天用沼氣氣體成分速測(cè)儀按時(shí)測(cè)量沼氣的甲烷體積分?jǐn)?shù)1次。每天按時(shí)燃燒排空儲(chǔ)氣袋內(nèi)沼氣，并記錄沼氣流量表讀數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1增保溫效果

從日光增溫水蓄能厭氧發(fā)酵反應(yīng)器進(jìn)料開(kāi)始，到沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣結(jié)束，共計(jì)29d，溫度開(kāi)始記錄時(shí)間：2016年1月2日10：00，結(jié)束記錄時(shí)間：2016年1月30日10：00，記錄每天各溫度傳感器測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)。溫度傳感器Ⅰ測(cè)物料溫度；溫度傳感器Ⅱ測(cè)水箱溫度；溫度傳感器Ⅲ測(cè)環(huán)境溫度。將測(cè)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(shì)圖，對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度整理成如圖4所示環(huán)境溫度變化趨勢(shì)圖。

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-2.5℃（時(shí)間為2016年1月2日13：40），最低環(huán)境溫度為-23.2℃（時(shí)間為2016年1月14日6：40），變化幅度為20.7℃。沼氣發(fā)酵期內(nèi)日環(huán)境溫度變化幅度最大為16.8℃（時(shí)間為2016年1月19日）；沼氣發(fā)酵期內(nèi)日環(huán)境溫度變化幅度最小為8.8℃（時(shí)間為2016年1月23日）。

水箱溫度隨著晝夜的更替而急劇變化。整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)最高溫度為58.2℃，最低溫度為37.6℃，變化幅度為20.6℃。沼氣發(fā)酵期內(nèi)日水箱溫度變化最大為9℃（時(shí)間為2016年1月27日）；沼氣發(fā)酵期內(nèi)日水箱溫度變化幅度最小為3.3℃（時(shí)間為2016年1月5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)物料溫度呈平緩上升趨勢(shì)，每日內(nèi)溫度略有波動(dòng)，日內(nèi)溫度最大波動(dòng)幅度為1.1℃（時(shí)間為2016年1月3日）；日內(nèi)溫度最小波動(dòng)幅度為0.4℃（時(shí)間為2016年1月29日）。已有研究表明，溫度發(fā)生波動(dòng)會(huì)給沼氣發(fā)酵帶來(lái)一定的影響，一般1h內(nèi)溫度上下波動(dòng)不宜超過(guò)±（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(shuō)來(lái)，環(huán)境溫度和水箱溫度呈周期性劇烈波動(dòng)，而反應(yīng)器內(nèi)物料溫度變化趨勢(shì)平緩，反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵物料溫度受環(huán)境溫度變化的影響較小，但能夠不斷從水箱吸熱緩慢升溫，從30.3～49.5℃跨越了中溫到高溫發(fā)酵過(guò)程，且日溫度變化較小。由此可見(jiàn)，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(zhǎng)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

日光增溫水蓄能厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的日產(chǎn)沼氣量情況如圖5所示。從2016年1月5日開(kāi)始產(chǎn)氣到2016年1月29日產(chǎn)氣結(jié)束，25天總產(chǎn)氣量為60.164m³，日均產(chǎn)沼氣2.407m³，平均容積產(chǎn)氣率0.802m³/（m³·d）（反應(yīng)器容積按3m³計(jì)算），最高日產(chǎn)氣量3.522 m³，最高日產(chǎn)氣率達(dá)到1.174 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(kāi)始后的前4 d，沼氣中甲烷就由44.3%快速上升到55.2%，從第5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-23.2℃條件下，研制開(kāi)發(fā)的日光增溫水蓄能厭氧發(fā)酵反應(yīng)器物料溫度在整個(gè)產(chǎn)氣周期內(nèi)始終是緩慢上升的，一直從30.3℃升到49.5℃，日溫度變化不大于1.1℃，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0.802m³/（m³·d），最高日產(chǎn)氣率達(dá)到1.174m³/（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3d外都達(dá)到55%以上，具有較好的產(chǎn)氣質(zhì)量。因而說(shuō)明通過(guò)采取內(nèi)外雙膽真空夾層臥式圓柱罐結(jié)構(gòu)、蓄熱換熱水箱、真空集熱管、反應(yīng)器外保溫以及攪拌器攪拌等技術(shù)措施，能夠保證寒冷地區(qū)冬季達(dá)到良好的厭氧發(fā)酵溫度、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。