劉建禹，楊勝明，賀佳貝，鄧斯文，隋 新

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寒區(qū)沼氣工程熱能損耗分布規(guī)律及節(jié)能途徑探討

劉建禹1,2，楊勝明1，賀佳貝1，鄧斯文1，隋 新1

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2. 農(nóng)業(yè)部生豬養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030）

熱能損耗是制約沼氣工程在北方寒冷地區(qū)發(fā)展的瓶頸問題。全面系統(tǒng)分析沼氣工程全年熱能損耗，探尋其分布規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)沼氣工程節(jié)能降耗的基礎(chǔ)和前提，也是全面科學(xué)評(píng)價(jià)沼氣工程加熱系統(tǒng)合理有效地利用能源，提高能源利用率的依據(jù)。沼氣工程熱能損耗主要包括工程新投入的發(fā)酵原料溫升所需的耗熱量和厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的傳熱耗熱量2部分。該文以月為單位建立了沼氣工程各項(xiàng)熱能損耗的計(jì)算模型，并將模型應(yīng)用到黑龍江省哈爾濱市一中溫厭氧發(fā)酵的沼氣工程中，獲得了沼氣工程全年各月熱能損耗量。結(jié)果表明，在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器各月的總熱能損耗中，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量占總耗熱量的比例約為70%～90%，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器節(jié)能的關(guān)鍵在于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能，減小反應(yīng)器的體形系數(shù)，增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱熱阻，可有效降低厭氧發(fā)酵反應(yīng)器能耗；在各月沼氣工程的總熱能損耗中，發(fā)酵原料溫升能耗占沼氣工程總能耗的比例約為85%～95%，此項(xiàng)能耗是沼氣工程加熱系統(tǒng)能源消耗過程中的薄弱環(huán)節(jié)，回收沼氣工程排出沼液中的余熱，是實(shí)現(xiàn)沼氣工程節(jié)能降耗的有效途徑；通過對(duì)各月沼氣工程產(chǎn)能與總熱能損耗的對(duì)比分析，沼氣工程熱能損耗量占產(chǎn)能量的比例約為15%～37%，沼氣工程在保證正常的中溫厭氧發(fā)酵的情況下，產(chǎn)能量遠(yuǎn)大于熱能損耗量，在北方寒冷地區(qū)實(shí)現(xiàn)沼氣工程正能輸出是可能的。該文研究結(jié)果可為今后全面科學(xué)合理評(píng)價(jià)沼氣工程用能狀況，減少用能過程的損失和浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)沼氣工程低能耗、高產(chǎn)能提供參考依據(jù)。

熱能；損耗；節(jié)能；沼氣工程；有效傳熱系數(shù)；產(chǎn)能

0 引 言

隨著化石能源的日益枯竭和生態(tài)環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，沼氣工程作為以厭氧發(fā)酵為主要技術(shù)環(huán)節(jié)，集有機(jī)廢棄物處理、清潔能源生產(chǎn)、資源化利用為一體的系統(tǒng)工程越來越受到重視[1-2]。目前，沼氣工程多采用中溫厭氧發(fā)酵技術(shù)，發(fā)酵的溫度范圍一般在30～40 ℃之間[3-5]。若使沼氣工程全年連續(xù)正常運(yùn)行，保持恒定、高效的產(chǎn)氣率，必須對(duì)沼氣工程采取加熱保溫措施，維持沼氣工程穩(wěn)定厭氧發(fā)酵溫度。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在北方寒冷地區(qū)，冬季大部分沼氣工程未按中溫厭氧發(fā)酵所要求的溫度運(yùn)行，甚至停止運(yùn)行，沼氣工程沒有發(fā)揮其應(yīng)有的作用。造成的主要原因是北方寒冷地區(qū)冬季自然環(huán)境溫度較低，沼氣工程運(yùn)行過程中熱能損耗較高，對(duì)沼氣工程進(jìn)行加熱需要消耗大量的能源，運(yùn)行成本增大，熱能損耗問題已成為制約沼氣工程在北方寒冷地區(qū)發(fā)展的瓶頸[4-8]。對(duì)沼氣工程熱能損耗的分析和研究，是實(shí)現(xiàn)沼氣工程加熱過程節(jié)能降耗的基礎(chǔ)和前提，也是全面科學(xué)評(píng)價(jià)沼氣工程加熱系統(tǒng)合理有效地利用能源，提高能源利用率的依據(jù)。只有經(jīng)過較為準(zhǔn)確的熱能損耗分析，才能在保證沼氣工程厭氧發(fā)酵溫度的前提下，避免不必要的能源浪費(fèi)。因此，有必要對(duì)沼氣工程的熱能損耗進(jìn)行全面系統(tǒng)分析，探尋沼氣工程熱能損耗分布的規(guī)律，明確沼氣工程節(jié)能降耗的方向，尋求降低沼氣工程熱能損耗的途徑。

目前，工程上采用的加熱能耗的計(jì)算方法主要有2大類。一類是建立在非穩(wěn)態(tài)傳熱理論基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)能耗模擬法。此法對(duì)傳熱各種影響因素考慮較細(xì)，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，但計(jì)算過程過于復(fù)雜。另一類是建立在穩(wěn)態(tài)傳熱理論基礎(chǔ)上的靜態(tài)能耗分析法。此法比較簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)，在工程實(shí)際中主要采用靜態(tài)能耗分析法[9-11]。目前，在采用靜態(tài)能耗分析法計(jì)算厭氧發(fā)酵反應(yīng)器耗熱量時(shí)，一般僅考慮由反應(yīng)器內(nèi)外溫差引起的熱損失，未考慮到由太陽輻射引起的得熱以及由天空輻射引起的熱損失，使得計(jì)算結(jié)果不夠精確[12-14]。有效傳熱系數(shù)法是將上述3部分得失熱量的總和作為凈熱損失的一種能耗計(jì)算方法，此法主要用于建筑領(lǐng)域的能耗計(jì)算。由于厭氧發(fā)酵反應(yīng)器不同于一般工業(yè)與民用建筑，本文在已建立的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合有效傳熱系數(shù)法，建立沼氣工程供熱能耗計(jì)算模型。

沼氣工程熱能損耗主要包括工程新投入的發(fā)酵原料溫升所需的耗熱量和厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的傳熱耗熱量?jī)刹糠?。本文以月為單位建立沼氣工程各?xiàng)熱能損耗的計(jì)算模型，并依據(jù)黑龍江省哈爾濱地區(qū)一沼氣工程實(shí)例，對(duì)沼氣工程全年的熱能損耗進(jìn)行分析和研究。

1 沼氣工程熱能損耗計(jì)算模型

1.1 發(fā)酵原料溫度升高所需耗熱量

研究表明，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)的發(fā)酵溫度應(yīng)保持穩(wěn)定，波動(dòng)范圍一天不宜超過±2 ℃[15-17]。發(fā)酵原料溫度一般低于發(fā)酵溫度，為了避免冷原料與反應(yīng)器內(nèi)熱料直接混合造成發(fā)酵溫度波動(dòng)，發(fā)酵原料在投入反應(yīng)器前應(yīng)加熱至發(fā)酵溫度。每月發(fā)酵原料溫升所需耗熱量的計(jì)算公式為

式中L為發(fā)酵系統(tǒng)每天進(jìn)料量，t/d；f為發(fā)酵原料的比熱容，kJ/(kg·K)；f為厭氧發(fā)酵溫度，℃；L為發(fā)酵原料的初始溫度，℃；為每月份天數(shù)，d；1 000為單位換算系數(shù)（1 t=1 000 kg）。

1.2 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的傳熱耗熱量

厭氧發(fā)酵反應(yīng)器傳熱耗熱量是指為了維持穩(wěn)定的厭氧發(fā)酵溫度，加熱系統(tǒng)向反應(yīng)器供給的熱量。根據(jù)能量守恒定律，反應(yīng)器的熱平衡方程式為

h+n+j=f+g+w+c（2）

式中h為加熱系統(tǒng)的供熱量；n為發(fā)酵產(chǎn)生的生物反應(yīng)熱；j為發(fā)酵料液進(jìn)入反應(yīng)器帶入的能量；f為反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量；g為干沼氣排出反應(yīng)器帶走的顯熱損失；w為反應(yīng)器內(nèi)水分蒸發(fā)熱損失；c為發(fā)酵料液排出反應(yīng)器帶走的能量，單位均為kJ。

由于反應(yīng)器進(jìn)、出料液體積流量相等、溫度相同，并且料液發(fā)酵反應(yīng)前后密度、比熱容變化不大[18-19]，故j≈c?？紤]到厭氧微生物的活性不夠強(qiáng)，釋放的熱量很少，n可忽略不計(jì)[17,20]。因此，式（2）可簡(jiǎn)化為

h=f+g+w（3）

1.2.1 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量

對(duì)于建造于地面上的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量為由反應(yīng)器內(nèi)外溫差引起的熱損失f1、由太陽輻射引起的得熱f2以及由天空輻射引起的熱損失f33部分傳熱的代數(shù)和，即為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的凈熱損失。每月反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量的計(jì)算公式為

式中K為反應(yīng)器各圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為反應(yīng)器各圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2；w為月平均室外溫度，℃；86.4為單位換算系數(shù)（1 W·d=24×3 600/1 000=86.4 kJ）。

由于反應(yīng)器太陽輻射得熱和向天空輻射熱損失計(jì)算過程繁瑣，為了便于工程計(jì)算，引入有效傳熱系數(shù)，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)流體在單位溫差作用下，單位面積在單位時(shí)間內(nèi)的凈熱損失[21-22]。根據(jù)有效傳熱系數(shù)的定義，式（4）可改寫為

厭氧發(fā)酵反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量主要由反應(yīng)器側(cè)壁面、頂部和底部3部分傳熱耗熱量構(gòu)成。

1）反應(yīng)器側(cè)壁有效傳熱系數(shù)

式中1為反應(yīng)器側(cè)壁的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；yd為太陽輻射當(dāng)量溫度，℃。

目前沼氣工程中的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器大多數(shù)為圓柱體，由于反應(yīng)器的高度遠(yuǎn)大于壁厚，因此可將反應(yīng)器側(cè)壁視為無限長(zhǎng)圓筒壁?？紤]反應(yīng)器內(nèi)部空間分為有料液和無料液兩部分，反應(yīng)器側(cè)壁傳熱系數(shù)應(yīng)分別計(jì)算。對(duì)于有料液部分的壁面，假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵料液溫度一致，以側(cè)壁外表面為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)11計(jì)算公式為

式中d為反應(yīng)器側(cè)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)第層材料對(duì)應(yīng)的內(nèi)徑，m；d+1為反應(yīng)器側(cè)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)第層材料對(duì)應(yīng)的外徑，m；為反應(yīng)器側(cè)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)第層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d+1為反應(yīng)器外圍直徑，m；w為反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

對(duì)于無料液部分的壁面，以側(cè)壁外表面為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)12計(jì)算公式為

式中1為反應(yīng)器的內(nèi)部直徑，m；n為反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，取8.7 W/(m2·K)[25]。

2）反應(yīng)器頂部有效傳熱系數(shù)

式中kt為天空輻射當(dāng)量溫度，℃。由于計(jì)算不同地區(qū)的天空輻射當(dāng)量溫度很困難，在實(shí)際工程中水平面kt一般近似取3.5～4.0 ℃[24-25]。

若將反應(yīng)器頂部近似看作無限大平壁，其傳熱系數(shù)2的計(jì)算公式為

式中為反應(yīng)器頂部圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料的厚度，m；為反應(yīng)器頂部圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

式（6）和式（9）中，太陽輻射當(dāng)量溫度計(jì)算公式為[21-24]

式中為反應(yīng)器外表面的太陽輻射強(qiáng)度（包括直射和散射輻射），W/m2；為反應(yīng)器外表面的太陽輻射吸收系數(shù)。

3）反應(yīng)器底部負(fù)荷系數(shù)

其中

式中3為反應(yīng)器底部的面積，m2；0為反應(yīng)器的當(dāng)量半徑，m；f為反應(yīng)器的內(nèi)半徑，m；f為反應(yīng)器的壁面厚度，m；1、2為反應(yīng)器底層內(nèi)外結(jié)構(gòu)不同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)外底面的當(dāng)量厚度，m；為反應(yīng)器地基各層材料的厚度，m；為反應(yīng)器地基各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.93 W/(m·K)[25-27]。

1.2.2 水分蒸發(fā)熱損失

每月反應(yīng)器內(nèi)水分蒸發(fā)熱損失按下式計(jì)算[28]

式中為流出反應(yīng)器的沼氣流中水蒸氣的質(zhì)量流量，kg/d；v為厭氧發(fā)酵溫度下水的汽化潛熱，J/kg；p為厭氧發(fā)酵溫度下水蒸氣的比定壓熱容，J/(kg·K)；0.001為單位換算系數(shù)（1 J=0.001 kJ）。

沼氣流中水蒸氣的質(zhì)量流量采用如下計(jì)算公式

式中為反應(yīng)器的有效容積，m3；為沼氣中CH4的體積分?jǐn)?shù)（干基）；v為甲烷的容積產(chǎn)氣率，m3/（m3·d）；為沼氣中水的分子分?jǐn)?shù)。其中

1.2.3 干沼氣排出帶走的顯熱損失

每月干沼氣排出反應(yīng)器所帶走的顯熱損失按下式計(jì)算[28]

2 工程實(shí)例及熱能損耗計(jì)算

2.1 工程實(shí)例及原始數(shù)據(jù)

本研究是基于黑龍江省哈爾濱市一中溫厭氧發(fā)酵的沼氣工程，工程日設(shè)計(jì)處理牛糞便40 t，建有容積為100 m3的室內(nèi)配料池一座，容積為1 000 m3的室外地上厭氧發(fā)酵反應(yīng)器一座，容積為700 m3的沼渣沼液存儲(chǔ)池一座，容積為500 m3雙膜干式儲(chǔ)氣柜一座。厭氧發(fā)酵溫度為35 ℃，發(fā)酵料液總固體濃度（total solid，TS）為8%。沼氣工程供熱系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.配料池 2.循環(huán)泵 3.換熱器 4.循環(huán)泵 5.厭氧發(fā)酵反應(yīng)器 6.盤管式換熱器 7.循環(huán)泵 8.熱源

厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

1.厭氧反應(yīng)器 2.地基（C30混凝土） 3.地基基礎(chǔ)（C15混凝土） 4.反應(yīng)器內(nèi)壁（搪瓷鋼板） 5.保溫層（苯板） 6.彩鋼板

表1 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)

哈爾濱市室外氣象資料見表2。其中，溫度和風(fēng)速數(shù)據(jù)來源于黑龍江省氣象臺(tái)，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)年限為1981年1月1日至2010年12月31日；其他數(shù)據(jù)來源于參考文獻(xiàn)[29]和[30]。

表2 哈爾濱地區(qū)氣象參數(shù)

注：w為月平均室外溫度，℃；為月平均室外風(fēng)速，m·s-1；t為水平面太陽總輻射月平均日輻射照量，MJ·m-2·d-1；tvs為南向垂直面太陽總輻射月平均日輻射照量，MJ·m-2·d-1；tvE，w為東、西向垂直面太陽總輻射月平均日輻射照量，MJ·m-2·d-1；tvN為北向垂直面太陽總輻射月平均日輻射照量，MJ·m-2·d-1。

Note:wis monthly average outdoor temperature,℃；is monthly average outdoor wind speed, m·s-1；tis monthly mean daily solar radiation of total solar radiation on horizontal surface, MJ·m-2·d-1;tvsis monthly mean daily solar radiation of the southern vertical plane, MJ·m-2·d-1;tvE，wis monthly mean daily solar radiation of east and west vertical solar radiation, MJ·m-2·d-1;tvNis monthly mean daily solar radiation of the northern vertical plane, MJ·m-2·d-1.

不同風(fēng)速下，反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)值見表3。

表3 不同風(fēng)速下反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[31]

2.2 熱能損耗計(jì)算

2.2.1 發(fā)酵原料溫度升高所需耗熱量

發(fā)酵原料溫升每月所需能耗按式（1）計(jì)算，其中，牛糞發(fā)酵原料總固體濃度（TS）為8%時(shí)，其比熱容取3.9 kJ/(kg·K)[18-19]；當(dāng)月平均溫度低于5 ℃時(shí)，L取5 ℃，其余各月L取月平均溫度。計(jì)算結(jié)果見表4。

2.2.2 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的傳熱耗熱量

根據(jù)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)和哈爾濱市室外氣象資料，按式（3）－式（19）計(jì)算可得到厭氧發(fā)酵反應(yīng)器各部分的每月傳熱耗熱量。其中，v取2417.8×103J/kg；p取1.867×103J/（kg·K）；取0.6；v取0.6 m3/(m3·d)。計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 發(fā)酵原料溫升各月累計(jì)能耗統(tǒng)計(jì)

表5 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器各部分的傳熱耗熱量

2.2.3 沼氣工程總熱能損耗量

沼氣工程總熱能損耗主要由發(fā)酵原料溫度升高所需耗熱量和厭氧發(fā)酵反應(yīng)器傳熱耗熱量2部分組成，根據(jù)表4和表5中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到沼氣工程各月的總熱能損耗量，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 沼氣工程各月總能耗

3 沼氣工程節(jié)能降耗分析

3.1 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器熱能損耗分析

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，繪制出各月厭氧發(fā)酵反應(yīng)器各部分能耗比例的分布圖，如圖3所示。

圖3 各月厭氧發(fā)酵反應(yīng)器每部分能耗比例

由圖3可以看出，在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫層采用150 mm苯板條件下，各月厭氧發(fā)酵反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量占厭氧發(fā)酵反應(yīng)器總耗熱量的比例約為70%～90%，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器節(jié)能的關(guān)鍵在于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)于降低厭氧發(fā)酵反應(yīng)器能耗起到非常重要的作用。影響反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的主要因素，一是反應(yīng)器的體形系數(shù)，反應(yīng)器體形系數(shù)越小，意味著反應(yīng)器每單位體積與室外環(huán)境接觸的面積越小，其傳熱耗熱量也就越小；二是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫層材料的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)，保溫層的厚度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱熱阻也越大，反應(yīng)器能耗就越低。從降低反應(yīng)器能耗角度出發(fā)，選擇新型保溫材料，確定反應(yīng)器體形系數(shù)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的限值應(yīng)是今后研究低能耗厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的主要方向。

3.2 沼氣工程總熱能損耗分析

根據(jù)表4和表5中的數(shù)據(jù)，繪制出各月沼氣工程各部分能耗比例的分布圖，如圖4所示。

圖4 各月沼氣工程每部分能耗比例

由圖4可以看出，各月發(fā)酵原料溫升能耗占沼氣工程總能耗的比例約為85%～95%，表明此項(xiàng)能耗占沼氣工程總熱能損耗的絕大部分，是沼氣工程加熱系統(tǒng)能源消耗過程中的薄弱環(huán)節(jié)，提高進(jìn)料溫度是降低發(fā)酵原料溫升能耗的關(guān)鍵。如果厭氧發(fā)酵反應(yīng)器排出沼液中的余熱能夠全部回收，用于加熱發(fā)酵原料，則發(fā)酵原料溫升能耗將減少85%～95%。在今后的沼氣工程設(shè)計(jì)中，回收沼液中的余熱，是提高進(jìn)料溫度，降低料液溫升能耗的有效途徑。

3.3 沼氣工程產(chǎn)能與耗能對(duì)比分析

中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《沼氣工程規(guī)模分類》（NY/1667-2011）中規(guī)定，沼氣工程采用中溫發(fā)酵工藝，池容的產(chǎn)氣率大于1.0 m3/(m3·d)，本研究的沼氣工程日平均產(chǎn)沼氣量取1 000 m3[32-34]。

沼氣工程各月產(chǎn)能量換算成標(biāo)煤質(zhì)量的計(jì)算公式為

式中1為厭氧發(fā)酵反應(yīng)器日產(chǎn)沼氣的體積，m3；s為沼氣的熱值，按沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為60%，取21 544 kJ/m3[35]；c為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，取29 307.6 kJ/kg[36]。

以燃煤鍋爐為例，沼氣工程各月耗能量換算成標(biāo)煤質(zhì)量的計(jì)算公式為

式中為沼氣工程各月總能耗，其數(shù)值見表6；c為鍋爐的燃燒效率，取0.7。

由式（20）和式（21）計(jì)算得出沼氣工程各月產(chǎn)能與熱能損耗分布如圖5所示。

圖5 沼氣工程各月產(chǎn)能與耗能標(biāo)煤質(zhì)量分布圖

由圖5可以得出，在哈爾濱地區(qū)，各月沼氣工程熱能損耗量占產(chǎn)能量的比例約為15%～37%，產(chǎn)能量遠(yuǎn)大于熱能損耗量。沼氣工程運(yùn)行能耗除了熱能損耗外，還包括攪拌裝置、料液泵、加熱系統(tǒng)循環(huán)泵等動(dòng)力設(shè)備所消耗的電能，以及加熱系統(tǒng)管路散熱損失等。在上述沼氣工程實(shí)例中，以最冷的一月份為例，沼氣工程每日電能消耗量為60～70 kWh，其能耗僅為熱能損耗的3.9%～4.5%。另外，加熱系統(tǒng)管路距離較短，并且管道外面敷設(shè)有保溫層，管路散熱損失較小。根據(jù)城市供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定，供熱管路散損失占總熱能損耗的1%。這表明在北方寒冷地區(qū)，沼氣工程在保障正常的中溫厭氧發(fā)酵的情況下，沼氣工程實(shí)現(xiàn)正能輸出是可能的。

3.4 節(jié)能途徑探討

在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器各月的總熱能損耗中，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量占總耗熱量的比例約為70%～90%，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器節(jié)能的關(guān)鍵在于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能，減小反應(yīng)器的體形系數(shù)，增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱熱阻，可有效降低厭氧發(fā)酵反應(yīng)器能耗。在沼氣工程總的熱能損耗中，各月發(fā)酵原料溫升能耗占沼氣工程總熱能損耗的比例約為85%～95%，是沼氣工程熱能損耗中的薄弱環(huán)節(jié)?；厥照託夤こ膛懦稣右褐械挠酂?，提升發(fā)酵原料初始溫度，是降低沼氣工程熱能損耗的有效途徑。

4 結(jié) 論

本文在建立沼氣工程各項(xiàng)熱能損耗計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，以黑龍江省哈爾濱市某中溫厭氧發(fā)酵沼氣工程為例，對(duì)沼氣工程全年的熱能損耗進(jìn)行了計(jì)算和分析，得到結(jié)論如下：

1）在厭氧發(fā)酵反應(yīng)器總的熱能損耗中，各月厭氧發(fā)酵反應(yīng)器圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量占反應(yīng)器總耗熱量的比例約為70%～90%，是厭氧發(fā)酵反應(yīng)器節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在。減小反應(yīng)器的體形系數(shù)，增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱熱阻，是降低厭氧發(fā)酵反應(yīng)器能耗的有效措施。

2）在沼氣工程總的熱能損耗中，各月發(fā)酵原料溫升能耗占沼氣工程總熱能損耗的比例約為85%～95%，是沼氣工程熱能損耗中的薄弱環(huán)節(jié)?；厥照託夤こ膛懦稣右褐械挠酂?，提升發(fā)酵原料初始溫度，是降低沼氣工程熱能損耗的有效途徑。

3）通過對(duì)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器為1 000 m3，池容產(chǎn)氣率為1.0 m3/(m3·d)的沼氣工程產(chǎn)能與總熱能損耗對(duì)比分析，在哈爾濱地區(qū)，各月沼氣工程熱能損耗量占產(chǎn)能量的比例約為15%～37%，表明在北方寒冷地區(qū)實(shí)現(xiàn)沼氣工程正能輸出是可能的。

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Thermal energy loss distribution and energy saving ways of biogas engineering in cold regions

Liu Jianyu1,2, Yang Shengming1, He Jiabei1, Deng Siwen1, Sui Xin1

(1.150030,; 2150030,)

Thermal loss is a bottleneck problem that restricts the development of biogas engineering in the cold areas of the north. A comprehensive and systematic analysis of biogas project annual thermal loss and exploring its distribution rule is the basis and premise of realizing the energy conservation and consumption of biogas projects. It is also the basis for the comprehensively and scientifically evaluating the reasonable and effective energy use for the biogas engineering heating system and improving the utilization rate of energy. The thermal energy loss of biogas projects mainly includes the heat consumption required for the temperature rise of the newly invested fermentation raw materials and the heat transfer heat consumption of anaerobic fermentation reactor. This paper establishes a monthly calculation model for thermal energy loss of biogas projects, and applies it to a middle temperature anaerobic fermentation biogas project in Harbin City, Heilongjiang Province, and obtains the thermal energy loss of the biogas project in each month. The results show that heat transfer heat consumption of the anaerobic fermentation reactor envelope structure accounts for 70% to 90% of the total heat consumption in the total heat loss of the anaerobic fermentation reactor, the key to energy saving of anaerobic fermentation reactors is the energy conservation of the envelope structure. Reducing the body shape coefficient of the reactor and increasing the thermal resistance of the envelope structure can effectively reduce the energy consumption of the anaerobic fermentation reactor. In the total heat loss of biogas projects in each month, the energy consumption of fermentation raw materials accounts for 85% to 95% of the total energy consumption of biogas projects, it is a weak link in the energy consumption of the heating system for biogas projects, so recover waste heat from biogas slurry is an effective way to achieve energy conservation and consumption reduction of biogas projects. The loss of thermal energy in biogas projects accounts for 15% to 37% of the energy production through a comparative analysis of the monthly production capacity of biogas projects and the total heat loss. In the case of normal anaerobic fermentation, the energy production of biogas projects is far greater than the loss of thermal energy. Therefore, it is possible to achieve the output of biogas engineering in the cold regions of the north. The results of this study can provide a reference for the future comprehensive scientific and rational evaluation of the energy status of the biogas projects, reducing loss and waste in the process of energy use, and achieving low energy consumption and high productivity of biogas projects.

thermal energy;heat loss; energy saving; biogas project; effective heat transfer coefficient; capacity

劉建禹，楊勝明，賀佳貝，鄧斯文，隋 新. 寒區(qū)沼氣工程熱能損耗分布規(guī)律及節(jié)能途徑探討[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(22)：220－227. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.028 http://www.tcsae.org

Liu Jianyu, Yang Shengming, He Jiabei, Deng Siwen, Sui Xin. Thermalenergy loss distribution and energy saving ways of biogas engineering in cold regions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 220－227. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.028 http://www.tcsae.org

2018-05-30

2018-10-15

黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目：寒區(qū)厭氧發(fā)酵地源熱增溫技術(shù)的研究（GA09B503-1）

劉建禹，教授，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程的教學(xué)和科研工作。Email：2198214363@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.028

TK523

A

1002-6819(2018)-22-0220-08