SMC新型高密度復(fù)合材料沼氣池的研發(fā)

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(huì)存續(xù)和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要條件。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，能源消費(fèi)所導(dǎo)致的環(huán)境污染也帶來(lái)了高昂的經(jīng)濟(jì)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(kāi)發(fā)與利用，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jì)發(fā)展模式，不僅可利用清潔能源，且對(duì)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(guó)內(nèi)外沼氣利用技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

眾所周知，美國(guó)傳統(tǒng)能源利用在世界上占據(jù)主導(dǎo)地位，但其對(duì)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(guó)約建有 150個(gè)沼氣工程，而這些沼氣工程建設(shè)的設(shè)備比較簡(jiǎn)陋，設(shè)計(jì)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(wú)法正常使用而不得已做報(bào)廢處理。隨著美國(guó)與諸多石油大國(guó)之間關(guān)系的不斷惡化，美國(guó)不得不再次重新認(rèn)識(shí)生物能源技術(shù)，從而使國(guó)內(nèi)相關(guān)的沼氣研究和沼氣工程建設(shè)相繼展開(kāi)并得到重新建設(shè)。 德國(guó)是世界上沼氣工程建設(shè)和沼氣技術(shù)水平較高的國(guó)家之一。截止到2010年，德國(guó)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(jī)容量達(dá)到2,700,MW，其中裝機(jī)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(dá)200億度以上。[1]同樣日本、印度等國(guó)家的沼氣建設(shè)發(fā)展也非常迅猛，在亞洲，除我國(guó)外，印度是沼氣利用較廣的國(guó)家之一，[2]截止2005年底，印度已建成380萬(wàn)戶用沼氣池。[3]

中國(guó)是最早發(fā)現(xiàn)和利用沼氣技術(shù)的國(guó)家之一。隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，沼氣已越來(lái)越多地融入我國(guó)農(nóng)村的日常生產(chǎn)生活，也使得我國(guó)成為沼氣使用規(guī)模最大的國(guó)家之一。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)沼氣建設(shè)的投資力度逐步加大，到2006年底，我國(guó)沼氣用戶已經(jīng)達(dá)到 2,200余萬(wàn)戶，約有 5,300萬(wàn)處養(yǎng)殖場(chǎng)大中型沼氣工程和 13萬(wàn)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(guó)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移、農(nóng)民生活方式的改變，我國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也面臨著不少問(wèn)題。①隨著農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化的形成和集約化發(fā)展，使得沼氣池發(fā)酵原料愈發(fā)緊缺；②農(nóng)村主要?jiǎng)趧?dòng)力的城市化轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致農(nóng)村勞動(dòng)力不足，部分沼氣池日常維護(hù)管理困難；③目前我國(guó)農(nóng)村的沼氣池技術(shù)相對(duì)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(guó)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(hù)越發(fā)簡(jiǎn)易，沼氣利用率也將得到進(jìn)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(qiáng)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(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，對(duì)節(jié)能減排和快速發(fā)展清潔能源等低碳經(jīng)濟(jì)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(fèi)工、耗時(shí)，嚴(yán)重浪費(fèi)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(shí)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(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)得知，在環(huán)境溫度降至-30,℃時(shí)，玻璃鋼保溫沼氣池依然能夠正常產(chǎn)氣和使用。如1個(gè)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(jì)壽命在 30年以上。預(yù)計(jì) 2015年全國(guó)的沼氣池總量將達(dá)到 5,000萬(wàn)戶以上，沼氣池新增用戶約 3,000萬(wàn)戶，約有 1/5的農(nóng)戶用上沼氣，適宜地區(qū)普及率將達(dá)到 35%以上。沼氣池廣泛的普及和應(yīng)用將會(huì)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(dá)到 80%以上。商品化沼氣池的市場(chǎng)需求也會(huì)相當(dāng)可觀。由此可見(jiàn)，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(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)還能優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，對(duì)農(nóng)村走向生態(tài)之路、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)有重要的現(xiàn)實(shí)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(qiáng)度高、質(zhì)量輕、氣密性好、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2005年6月，河北省棗強(qiáng)玻璃鋼集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“棗強(qiáng)玻璃鋼”)利用模壓工藝，開(kāi)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(jì)缺陷，致使其在進(jìn)料和出料時(shí)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(qiáng)玻璃鋼在第一代玻璃鋼沼氣池的基礎(chǔ)上開(kāi)始研發(fā)第二代產(chǎn)品，第二代玻璃鋼沼氣池改進(jìn)了第一代產(chǎn)品的進(jìn)料和出料設(shè)計(jì)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(hù)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(guò)不斷的技術(shù)革新，棗強(qiáng)玻璃鋼開(kāi)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(jìn)行生產(chǎn)，該產(chǎn)品采用上、下雙半球結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，該設(shè)計(jì)不僅解決了一、二代產(chǎn)品進(jìn)、出料困難和焊縫多、后期維護(hù)復(fù)雜等方面的缺點(diǎn)，同時(shí)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(qiáng)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(jìn)、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(hù)簡(jiǎn)單。該產(chǎn)品的研制成功填補(bǔ)了國(guó)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(guó)際領(lǐng)先地位。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(guó)農(nóng)村推廣應(yīng)用沼氣的問(wèn)題，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)有效促進(jìn)了農(nóng)村低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。由于采用工廠化方式生產(chǎn)，容易實(shí)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(shí)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(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)的啟示[J].中國(guó)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(guó)沼氣，2006，24(4)：32-35.

［4］ 李達(dá)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(bào)，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(jì)中的重要作用[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2010(3)：30-34.