王亞靜, 張 弛, 高春雨, 王紅彥, 王 磊, 孫 寧, 畢于運(yùn)

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 北京 100081)

我國北方地區(qū)沼氣工程冬季增溫保溫技術(shù)研究進(jìn)展與展望

王亞靜, 張 弛, 高春雨, 王紅彥, 王 磊, 孫 寧, 畢于運(yùn)

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 北京 100081)

冬季增溫保溫技術(shù)對(duì)于保障寒冷地區(qū)沼氣工程高效運(yùn)行至關(guān)重要。我國沼氣工程冬季增溫保溫技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用取得了大量成果，文章主要從加熱方式、增溫?zé)嵩?、工程運(yùn)行措施3個(gè)方面，評(píng)述我國北方地區(qū)沼氣工程增溫技術(shù)的研究進(jìn)展，從保溫材料、太陽能溫室大棚、其他保溫技術(shù)3個(gè)方面，梳理了我國北方寒冷地區(qū)冬季保溫技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展。最后提出未來我國北方地區(qū)沼氣工程在增溫保溫技術(shù)方面，應(yīng)重點(diǎn)開展能源投入產(chǎn)出邊際效率、低能耗型增溫保溫工藝、煤炭加熱電加熱等傳統(tǒng)工藝、多能互補(bǔ)加熱模式等方面的研發(fā)。

北方地區(qū)； 沼氣工程； 冬季增溫保溫技術(shù)； 進(jìn)展與展望

我國高度重視農(nóng)村沼氣建設(shè)，以沼氣工程為代表的農(nóng)村新型可再生能源和清潔能源的開發(fā)利用已成為社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的客觀需求。截至2014年末[1]，全國以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的大、中、小型沼氣工程分別達(dá)到6370，10087，86236處，年產(chǎn)氣量總計(jì)達(dá)到19.53×108m3。

沼氣工程的正常運(yùn)行除受原料、料液濃度、酸堿度等內(nèi)部因素影響外，還會(huì)受到氣候、管理水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等多種外部因素的影響。環(huán)境溫度是決定沼氣工程正常運(yùn)行與否的重要條件。對(duì)于北方寒冷地區(qū)的沼氣工程來說，在持續(xù)低溫條件下，不進(jìn)行增溫保溫，料液便無法持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣。冬季增溫保溫是確保該類地區(qū)沼氣工程由冬季持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣到周年正常生產(chǎn)運(yùn)營、并促使其工程建設(shè)持續(xù)健康發(fā)展的必要技術(shù)措施。國內(nèi)研究者和沼氣工程管理人員對(duì)包括我國南方地區(qū)在內(nèi)的沼氣工程冬季增溫保溫方法和技術(shù)、系統(tǒng)工藝及應(yīng)用、保溫材料選用等開展了廣泛的研究和實(shí)踐，取得了大量的成果和經(jīng)驗(yàn)。本文主要就近年來我國北方地區(qū)沼氣工程在冬季增溫保溫技術(shù)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理，并結(jié)合實(shí)地調(diào)研，對(duì)我國北方地區(qū)沼氣工程的未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 北方地區(qū)沼氣工程冬季增溫技術(shù)研究進(jìn)展

沼氣增溫技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有沼氣設(shè)備及其相關(guān)環(huán)境進(jìn)行熱量補(bǔ)充的技術(shù)[2]，研究角度涵蓋加熱方式、增溫?zé)嵩?、運(yùn)行措施等多個(gè)方面。

1.1 加熱方式

目前沼氣工程常用的加熱方式主要有兩種[2]，一種是在發(fā)酵罐體內(nèi)或發(fā)酵罐外側(cè)壁設(shè)置加熱盤管，在發(fā)酵罐內(nèi)的加熱盤管一般布置于發(fā)酵罐底部或立于內(nèi)側(cè)壁，也可以是底部和內(nèi)側(cè)壁組合加熱；另外一種是在發(fā)酵反應(yīng)器外間接加熱，即通過水-發(fā)酵料液換熱器加熱發(fā)酵料液，補(bǔ)償發(fā)酵反應(yīng)器殼體及管道的熱損失。

研究表明，發(fā)酵罐內(nèi)任一加熱方式的發(fā)酵料液溫度場(chǎng)穩(wěn)定性、加熱的熱效率均優(yōu)于發(fā)酵罐外側(cè)壁加熱方式；發(fā)酵罐內(nèi)底部加熱是較佳的加熱方式，其發(fā)酵料液溫度場(chǎng)分布最穩(wěn)定，溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的波動(dòng)最小[3]。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于處理原料濃度高且具腐蝕性，加熱盤管很容易結(jié)殼和腐銹漏水，造成加熱效率低、能耗大、維修難度大等問題，增加工程的運(yùn)行和維修成本。對(duì)此，研究者嘗試進(jìn)行了相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如在酸化罐與產(chǎn)氣罐之間設(shè)置熱交換器來替代常規(guī)發(fā)酵罐體內(nèi)的加熱盤管等[4]。

1.2 增溫?zé)嵩?/p>

沼氣工程的增溫?zé)嵩纯蔀槊禾?、電等常?guī)能源，也可為生物質(zhì)、太陽能、自產(chǎn)沼氣、地源熱泵、沼氣發(fā)電余熱等可再生能源。熱媒一般為熱水和水蒸氣。從現(xiàn)有的研究來看，太陽能加熱增溫、沼氣發(fā)電余熱增溫、自產(chǎn)沼氣加熱增溫、地源熱泵加熱增溫等增溫?zé)嵩摧^受關(guān)注，煤炭、電力等常規(guī)能源方面的研究則相對(duì)欠缺。圍繞這些增溫?zé)嵩撮_展的研究內(nèi)容主要涉及技術(shù)原理及適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)效益、能源效益以及環(huán)境影響等方面。有針對(duì)單一增溫?zé)嵩吹南到y(tǒng)性研究，也有針對(duì)若干增溫?zé)嵩吹谋容^研究。研究結(jié)果顯示[5-8]：一般而言，在各類增溫?zé)嵩粗?，發(fā)電余熱增溫、太陽能加熱增溫、地源熱泵加熱增溫在能源投入產(chǎn)出、能源費(fèi)用、環(huán)境影響等方面均優(yōu)于電、煤炭等常規(guī)能源增溫保溫技術(shù)；沼氣鍋爐加熱技術(shù)與煤炭鍋爐加熱技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)不夠明顯，僅僅節(jié)約了少量的能耗。

1.2.1 煤炭、電

調(diào)查表明，目前國內(nèi)沼氣工程大多利用煤炭、電力等常規(guī)能源進(jìn)行增溫，這和利用煤炭、電力加熱工藝好管理、易操作等特點(diǎn)不無關(guān)系。電加熱增溫最常用的是電加熱膜增溫工藝。電加熱膜增溫系統(tǒng)是運(yùn)用電流通過金屬導(dǎo)體發(fā)熱的原理，將電能轉(zhuǎn)化為熱能為沼氣池加熱。該技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是升溫均勻、處理時(shí)間短、能量轉(zhuǎn)換率高且不易受外界環(huán)境(地域和天氣等)影響。由于電加熱系統(tǒng)需消耗不少高品位的電能，其節(jié)能性及社會(huì)經(jīng)濟(jì)性并不佳[9]。與電熱膜加熱法相比，煤炭熱水鍋爐加熱法更具有經(jīng)濟(jì)性，年能耗費(fèi)用不到電熱膜加熱法的五分之一[5]，缺點(diǎn)是熱能轉(zhuǎn)化率低、污染大氣等。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來看，針對(duì)煤炭、電力等常規(guī)增溫?zé)嵩吹难芯勘容^欠缺，這對(duì)推動(dòng)煤炭、電力等常規(guī)能源加熱方法的工藝改進(jìn)研究十分不利。

1.2.2 生物質(zhì)

生物質(zhì)能加熱沼氣池增溫技術(shù)在我國北方地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，目前運(yùn)用較多的主要有燃池增溫、生物質(zhì)鍋爐加熱等方式[10-11]。燃池增溫技術(shù)多在我國東北地區(qū)推廣，一般是在原有沼氣池外圍增建一個(gè)環(huán)形或半環(huán)形燃燒池，以鋸末或農(nóng)作物秸稈再加上一定配比的水為原料，可燃燒一個(gè)冬天，節(jié)能增溫效果較為明顯，但需要消耗大量秸稈、且污染嚴(yán)重，且多適用于戶用型沼氣。

采用生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行輔助增溫在國內(nèi)也比較常見，能起到節(jié)約化石能、多能互補(bǔ)的作用。如河北省滄州市青縣耿官屯秸稈沼氣集中供氣工程即采用太陽能增溫+生物質(zhì)鍋爐輔助增溫技術(shù)，在一定程度上降低了冬季沼氣工程增溫對(duì)煤炭的使用量；陜西省洛川縣舊縣鎮(zhèn)中學(xué)生態(tài)校園沼氣工程采用生物質(zhì)采暖爐加熱增溫系統(tǒng)。研究表明，該加熱系統(tǒng)與熱水燒煤式鍋爐相比，經(jīng)濟(jì)性良好，環(huán)境效益和社會(huì)效益顯著，比熱水鍋爐加熱系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)實(shí)用[11]。生物質(zhì)鍋爐增溫技術(shù)的缺點(diǎn)是熱利用率不高、污染環(huán)境等。

1.2.3 太陽能

我國沼氣池太陽能發(fā)生器加熱系統(tǒng)研究在世界上處于較為領(lǐng)先的水平，受研究者關(guān)注較高，相關(guān)研究內(nèi)容主要涉及太陽能加熱沼氣發(fā)酵系統(tǒng)參數(shù)獲取[12]、太陽能雙效增溫沼氣系統(tǒng)熱平衡計(jì)算分析[13]、太陽能加熱沼氣反應(yīng)裝置[14-18]和溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[19]、工程應(yīng)用[20-22]和效果評(píng)價(jià)[23-29]等。

與傳統(tǒng)增溫工藝相比，太陽能加熱增溫對(duì)沼氣發(fā)酵過程可控性更好，無需開采和運(yùn)輸，既能滿足沼氣工程對(duì)溫度的需求，又能節(jié)約傳統(tǒng)化石能源，減少燃料對(duì)環(huán)境的污染，具有良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[26-27]。其缺點(diǎn)是前期投入成本較高；存在較強(qiáng)的季節(jié)性，容易受天氣狀況影響，持久運(yùn)行性較差；地區(qū)適應(yīng)性方面也相對(duì)較差，適宜在太陽能輻射強(qiáng)度大的地區(qū)應(yīng)用。當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度低于臨界輻射強(qiáng)度(如陰天或夜間)，池體內(nèi)部溫度降到設(shè)定溫度下限時(shí)，則需要啟動(dòng)其他加熱措施。位于哈爾濱地區(qū)的沼氣工程試驗(yàn)研究顯示[28-29]：平時(shí)采用太陽能單獨(dú)供熱即可，在天氣最冷的4個(gè)月里(l月～2月，11月～12月)沼氣工程系統(tǒng)則需要同時(shí)聯(lián)合沼氣鍋爐或者電加熱。太陽能聯(lián)合加熱的創(chuàng)新和改進(jìn)很好地解決了太陽能增溫工藝易受時(shí)間、天氣影響等缺陷。即使在最冷的月份、陰雨天等太陽能不充分的時(shí)候，太陽能聯(lián)合加熱增溫系統(tǒng)也能保證沼氣工程正常產(chǎn)氣，在適應(yīng)性、節(jié)能性和運(yùn)行持久性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。太陽能聯(lián)合加熱增溫技術(shù)主要有太陽能—空氣源熱泵耦合式沼氣池加溫系統(tǒng)[30]、太陽能與生物質(zhì)鍋爐聯(lián)合加熱增溫系統(tǒng)[31-32]、溫室—太陽能熱水器組合增溫工藝[33]、太陽能—發(fā)電余熱中溫厭氧發(fā)酵增溫系統(tǒng)[34]等。太陽能加熱法與其他加熱方式相結(jié)合的缺點(diǎn)是可能會(huì)增加設(shè)備的復(fù)雜度及初始投資[5]。此外，研究結(jié)果還顯示，盡管在寒冷地區(qū)的冬季利用太陽能與生物質(zhì)鍋爐或者溫室-太陽能熱水器組合為大型沼氣工程加熱增溫[31-32]可以保證正常產(chǎn)氣，但由于受低溫和進(jìn)料時(shí)熱量需求較大等因素的影響，卻出現(xiàn)了沼氣工程的耗能大于產(chǎn)能的不利情況。

1.2.4 沼氣發(fā)電余熱

沼氣發(fā)電余熱增溫技術(shù)是在沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程中，利用發(fā)電機(jī)組冷卻余熱以及燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的高溫尾氣加熱發(fā)酵料液。在無外部熱量輸入的情況下，回收的發(fā)電機(jī)余熱一般大于沼氣發(fā)酵系統(tǒng)維持恒溫發(fā)酵所需的熱量[35]。該技術(shù)是目前國內(nèi)沼氣工程研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，相應(yīng)的工藝研究有熱電聯(lián)產(chǎn)[36]、熱電肥聯(lián)產(chǎn)[37-41]、熱電冷聯(lián)產(chǎn)[42-43]等，工藝設(shè)計(jì)主要借鑒歐洲的研究成果，以大型沼氣工程應(yīng)用研究為主，在中小型沼氣工程中的應(yīng)用研究上也有一定體現(xiàn)[44]。

沼氣發(fā)電余熱利用是目前發(fā)展最快的一種加熱技術(shù)[6],無論從經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)性能，還是地區(qū)適應(yīng)性、運(yùn)行持久性等方面都明顯優(yōu)于太陽能加熱和沼氣鍋爐加熱。完善的沼氣發(fā)電余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)使大型沼氣發(fā)電工程運(yùn)行中降低了附加能源的消耗，符合能源再循環(huán)利用的環(huán)保理念[45]。在成本和費(fèi)用方面[6]，沼氣鍋爐加熱、太陽能加熱和沼氣發(fā)電余熱利用加熱3種方式的投資比為2∶11.2∶1，沼氣發(fā)電余熱利用加熱方式的年均費(fèi)用僅為沼氣鍋爐加熱和太陽能加熱方式的60%和12%。

沼氣發(fā)電余熱能否滿足沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的熱量需求，與進(jìn)料濃度、環(huán)境溫度等均有一定的關(guān)系。汪國剛[35]等以萬頭豬場(chǎng)沼氣發(fā)電工程為例，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)料濃度大于6%時(shí)，即使環(huán)境溫度低至-25℃，發(fā)電機(jī)回收的余熱仍可滿足沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的熱量需求；進(jìn)料濃度低于3%時(shí)，可利用的沼氣總能量(電能+余熱)將不能滿足沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的熱量需求，必須有外部熱能(如鍋爐等)輸入，方能保證沼氣發(fā)酵的恒溫條件。

1.2.5 自產(chǎn)沼氣

自產(chǎn)沼氣加熱是指鍋爐以富裕沼氣為燃料獲得熱水，通過熱水循環(huán)向沼氣發(fā)酵系統(tǒng)供熱。自產(chǎn)沼氣加熱效率高，投資成本明顯低于太陽能加熱，但要高于沼氣發(fā)電余熱加熱[6]。與煤炭鍋爐加熱技術(shù)相比，沼氣鍋爐加熱技術(shù)僅僅節(jié)約了少量的能耗，卻消耗了大量沼氣，不利于沼氣的產(chǎn)業(yè)化[5]。此外，由于受氣溫的影響，在沒有其他外部熱量輸入的情況下，冬季沼氣工程需要加熱的時(shí)候產(chǎn)沼氣少，夏季不需要加熱的時(shí)候產(chǎn)沼氣反而多。若按照冬季沼氣需求進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，將使工程規(guī)模顯著偏大，到夏季會(huì)有大量沼氣剩余；反之，若按夏季沼氣需求進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，將使工程規(guī)模顯著偏小，在滿足加熱增溫之余，很難滿足供氣需求。也即是說，單一利用自產(chǎn)沼氣加熱的方式對(duì)沼氣工程進(jìn)行冬季增溫，很難實(shí)現(xiàn)沼氣的周年均衡生產(chǎn)。國內(nèi)研究表明，太陽能-沼氣鍋爐聯(lián)合加熱系統(tǒng)可彌補(bǔ)自產(chǎn)沼氣加熱在此方面的不足，該加熱系統(tǒng)在北方嚴(yán)寒地區(qū)可行[28-29,46-48]。

1.2.6 地源熱泵

除了煤炭、電力、太陽能、發(fā)電余熱以及自產(chǎn)沼氣等加熱熱源之外，研究者關(guān)注較多的還有地源熱泵，研究內(nèi)容主要涉及地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)開發(fā)、沼氣池內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性[49-50]等。研究顯示，地源熱泵增溫工藝具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可比燃煤鍋爐加溫方式節(jié)約15%左右的能源消耗[7]；缺點(diǎn)是成本和技術(shù)要求比較高，需要打地埋井及鋪設(shè)地埋管，且不適用于全年都需要加熱的高溫發(fā)酵系統(tǒng)，另外還存在冬夏土體取(排)熱不平衡、在不同地區(qū)會(huì)受地質(zhì)水質(zhì)局限等問題[51]，影響地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行[52]。為此，研究者就地源熱泵供熱和制冷互補(bǔ)模式與太陽能—地源熱泵多能互補(bǔ)模式的可行性[52]、太陽能—沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)開發(fā)[51]等進(jìn)行了跟進(jìn)研究?？傮w而言，國內(nèi)地源熱泵加熱技術(shù)尚處于初步研究階段[9]。

1.3 工程運(yùn)行措施

通過原料堆漚增溫等原料預(yù)處理措施以及提高料液濃度、沼液余熱回收等運(yùn)行措施也可以有效增加料液溫度。

研究顯示，沼氣發(fā)酵原料在入池前進(jìn)行堆漚預(yù)處理，能起到促進(jìn)發(fā)酵細(xì)菌的分解和繁殖、減緩酸化、提高發(fā)酵原料溫度、富集菌種的作用；冬季沼氣池通過及時(shí)補(bǔ)料，使沼氣池濃度提高15%左右，即可達(dá)到多產(chǎn)氣的目的[53]。例如，河南安陽縣永和鄉(xiāng)西街村秸稈沼氣工程的調(diào)研，冬季采用鍋爐加溫和提高料液濃度相結(jié)合的辦法(原料為玉米秸、麥糠、豆腐水和豬糞，冬季進(jìn)料量比夏季加大1/3左右)效果較好，既降低了鍋爐加熱所需的能量投入，又保證了沼氣工程在冬季的產(chǎn)氣率；此外，余熱回收技術(shù)可有效降低高溫發(fā)酵沼氣工程的增溫能耗、提高凈產(chǎn)氣率[54]，是1種行之有效的增溫措施。但值得注意的是，由于高溫發(fā)酵帶來高產(chǎn)氣量的同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致高加熱負(fù)荷，在運(yùn)營過程中加熱成本增高，高溫發(fā)酵的沼氣工程在國內(nèi)還不夠普及。目前國內(nèi)沼氣工程大多數(shù)使用常溫或中溫厭氧技術(shù)，余熱回收技術(shù)的發(fā)展空間暫時(shí)較為有限。

2 北方地區(qū)沼氣工程冬季保溫技術(shù)研究進(jìn)展

國內(nèi)沼氣工程廣泛采用聚氨酯制品等保溫材料進(jìn)行保溫。此外，太陽能溫室保溫、挖環(huán)形溝保溫等技術(shù)措施也較為常見。

2.1 保溫材料

在北方地區(qū)，使用保溫材料對(duì)厭氧消化罐、工藝管道、閥門、池體以及儲(chǔ)氣柜等設(shè)施進(jìn)行保溫處理是十分必要的。試驗(yàn)表明，在沼氣池池壁中填充80 mm左右的保溫材料，可使1個(gè)冬季的沼氣產(chǎn)量提高3倍左右[55]。即使是在我國廣大北方地區(qū)的最冷月，使用保溫材料進(jìn)行保溫，配合加熱盤管、伴熱、水域等加溫裝置，也能保證厭氧菌的活性及產(chǎn)氣率[56]。目前，有關(guān)保溫材料的研究主要涉及保溫材料種類、保溫層厚度等內(nèi)容，重點(diǎn)就各類保溫材料的性能及成本、如何確定適宜的保溫層厚度等進(jìn)行了評(píng)價(jià)和探索，研究方向主要聚焦于如何能夠更加節(jié)能、高效、環(huán)保[7]。

國內(nèi)的沼氣工程中，常用的保溫材料品種有聚氨酯制品、膨脹聚苯板(膨脹型聚苯乙烯泡沫塑料，EPS)、巖棉、擠塑聚苯板(連續(xù)擠出型聚苯乙烯泡沫塑料，XPS)、聚氯乙烯、酚醛樹脂、復(fù)合硅酸鹽泡沫棉、硅酸鋁制品等[9,56-60]。綜合考慮保溫效果、使用壽命、吸水率(性)以及耐冷熱性能等多種因素而言，聚氨酯性能最優(yōu)，沼氣工程增溫保溫所需能耗最小，該種材料已在發(fā)達(dá)國家建筑保溫領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位[59]，但價(jià)格偏高；擠塑聚苯板在綜合性能和價(jià)格方面比較適中；膨脹聚苯板和保溫巖棉價(jià)格較低[10]，保溫工藝成熟，但膨脹聚苯板在綜合性能方面與聚氨酯和擠塑聚苯板相比相對(duì)較差，且其易燃，在安裝時(shí)容易發(fā)生火災(zāi)。保溫巖棉的缺點(diǎn)是對(duì)人體刺激較大，威脅安裝人員健康，國家已限制其生產(chǎn)。國內(nèi)很多廠家用環(huán)保型保溫巖棉替代舊式巖棉，但成本偏高。目前，我國大中型沼氣工程中的厭氧罐保溫材料多采用保溫巖棉或膨脹聚苯板[56]，而工藝管道、閥門等設(shè)施通常使用的保溫材料有聚氨酯制品、巖棉制品、硅酸鋁制品、聚乙烯制品等。實(shí)驗(yàn)表明，與聚氨酯和硅酸鋁制品相比，復(fù)合硅酸鹽泡沫棉的保溫性能較差，沼氣工程增溫保溫所需能耗較大；硅酸鋁制品的保溫性能和沼氣工程增溫保溫所需能耗介于聚氨酯與復(fù)合硅酸鹽泡沫棉二者之間[60]。

除保溫材料種類以外，保溫層厚度也是影響冬季沼氣工程運(yùn)行的重要因素。而且，現(xiàn)有研究表明，在對(duì)沼氣工程高效升溫保溫的影響度方面，保溫層厚度的重要性要大于保溫層材料種類[60]。關(guān)于保溫材料厚度，目前還缺乏科學(xué)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算體系，現(xiàn)有的研究多是針對(duì)不同保溫厚度的對(duì)比試驗(yàn)或者是進(jìn)行簡單的計(jì)算[57,61]。通常認(rèn)為，相同條件下，保溫層越厚，沼氣池體散熱越小，保溫層厚度越厚所需能耗越低，加溫系統(tǒng)造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用也就越低。但厚度加大，保溫材料的投資費(fèi)用也會(huì)增加。在考慮保溫材料投資和加溫系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用2個(gè)因素的基礎(chǔ)上，研究者折算出生命周期內(nèi)“年計(jì)算費(fèi)用”為最小值時(shí)的保溫層厚度，即“經(jīng)濟(jì)保溫層厚度”，進(jìn)而利用費(fèi)用年值法建立關(guān)于經(jīng)濟(jì)保溫層厚度的數(shù)學(xué)模型，通過將其應(yīng)用到工程實(shí)例，得到經(jīng)濟(jì)保溫層厚度簡化計(jì)算公式。研究以上海地區(qū)的氣候?yàn)榍疤?，?jì)算出沼氣池的經(jīng)濟(jì)保溫層厚度為50～70 mm。同時(shí)得到當(dāng)熱泵年均性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)為3.5時(shí)，膨脹聚苯乙烯、擠塑聚苯乙烯、酚醛樹脂、聚氨酯、聚氯乙烯5種保溫材料所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)保溫層厚度分別為92，63，54，48和46 mm[57]。以上計(jì)算結(jié)果均低于羅光輝[61]等通過簡單的熱力學(xué)公式計(jì)算得出的15 mm的保溫層厚度。而熊昌國[60]等則通過對(duì)影響沼氣工程升溫保溫的環(huán)境溫度、發(fā)酵料液溫度、保溫層厚度、保溫材料種類和加熱方式這5個(gè)因素對(duì)沼氣工程高效升溫保溫的影響順序和影響效果進(jìn)行分析后指出，無論何種環(huán)境溫度、中溫發(fā)酵工藝、罐內(nèi)底部加熱方式，發(fā)酵罐保溫層厚度200 mm、保溫材料聚氨酯發(fā)泡層的工程參數(shù)配置是農(nóng)業(yè)沼氣工程推廣應(yīng)用的較佳方案，可以得到農(nóng)業(yè)沼氣生產(chǎn)較高的凈能產(chǎn)量[60]。

未來，在保溫材料的選擇上，應(yīng)充分考慮其保溫效果與成本之間的關(guān)系，根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際情況選擇適宜的保溫材料及保溫層厚度。

2.2 太陽能溫室大棚

在沼氣工程保溫研究方面，除保溫材料應(yīng)用研究外，最有實(shí)用價(jià)值的是日光溫室保溫研究。國內(nèi)在此方面已有不少的研究成果。研究結(jié)果顯示，大棚保溫具有較好的集熱效果，能使沼氣工程系統(tǒng)在冬季的能耗大大降低，明顯提高系統(tǒng)的能效比，而且投資較低，是一項(xiàng)廉價(jià)的保溫技術(shù)措施[11,62-66]，這與筆者在安陽林州市永鑫畜禽糞便沼氣工程(總發(fā)酵池容1200 m3)的跟蹤調(diào)研結(jié)果一致。實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，在利用大棚保溫的情況下，該沼氣工程冬季加熱兩天即可維持一周的發(fā)酵溫度，與未加大棚、每天加熱的同等規(guī)模的沼氣工程相比，每年可節(jié)約煤炭6噸左右。

2.3 其他保溫技術(shù)

沼氣工程中還有其他一些常用的保溫措施，如挖防寒溝、將整個(gè)沼氣發(fā)酵系統(tǒng)埋在地下等，這些技術(shù)可以減少熱量散失，延緩料液降溫的速度，但對(duì)于長達(dá)數(shù)月的寒冷冬季來說收效甚微，必須配套相應(yīng)的增溫措施才能保證冬季沼氣工程持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 小結(jié)與未來展望

3.1 小結(jié)

(1)我國北方地區(qū)沼氣工程常用的增溫加熱方式主要有兩種，即在發(fā)酵罐體內(nèi)或發(fā)酵罐外側(cè)壁設(shè)置加熱盤管，或者是在發(fā)酵反應(yīng)器外間接加熱。

(2)沼氣工程增溫?zé)嵩粗饕禾?、電、生物質(zhì)、太陽能、自產(chǎn)沼氣、地源熱泵、沼氣發(fā)電余熱等。其中，太陽能加熱增溫、沼氣發(fā)電余熱增溫、自產(chǎn)沼氣加熱增溫、地源熱泵加熱增溫等增溫?zé)嵩囱芯肯鄬?duì)較多，煤炭、電力等常規(guī)能源研究較少。各類增溫?zé)嵩捶矫娴难芯亢w技術(shù)原理、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)效益、能源效益以及環(huán)境影響等多個(gè)方面。研究表明，發(fā)電余熱增溫、太陽能加熱增溫、地源熱泵加熱增溫在能源投入產(chǎn)出、能源費(fèi)用、環(huán)境影響等方面均優(yōu)于電、煤炭等常規(guī)能源增溫保溫技術(shù)，沼氣鍋爐加熱技術(shù)與煤炭鍋爐加熱技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)不夠明顯，僅僅節(jié)約了少量的能耗。

(3)原料堆漚增溫、提高料液濃度、沼液余熱回收等運(yùn)行措施也可以有效增加料液溫度，是行之有效的沼氣工程冬季增溫措施。

(4)常用的保溫技術(shù)包括使用保溫材料、建太陽能溫室大棚、挖防寒溝、將整個(gè)沼氣發(fā)酵系統(tǒng)埋在地下等措施?，F(xiàn)有關(guān)保溫材料的研究主要涉及保溫材料種類、保溫層厚度等內(nèi)容，重點(diǎn)就各類保溫材料的性能及成本、適宜的保溫層厚度等進(jìn)行了評(píng)價(jià)和探索，研究方向主要聚焦于如何能夠更加節(jié)能、高效、環(huán)保。太陽能溫室大棚保溫具有較好的集熱效果，國內(nèi)相關(guān)研究內(nèi)容較為豐富。

3.2 未來展望

綜合本研究相關(guān)結(jié)論，未來我國北方地區(qū)沼氣工程發(fā)展的方向主要有以下幾個(gè)方面：

(1)針對(duì)煤炭加熱增溫和電加熱增溫工藝在實(shí)際應(yīng)用中最為普遍而相關(guān)研究卻較為欠缺的情況，今后應(yīng)加強(qiáng)煤炭、電加熱增溫能耗報(bào)酬、工藝改進(jìn)方面的研究。

(2)隨著國家大力實(shí)行“節(jié)能減排，低碳經(jīng)濟(jì)”政策，沼氣工程增溫保溫能源投入產(chǎn)出效率問題必將成為今后的重點(diǎn)研究方向之一。通過對(duì)各種增溫保溫工藝進(jìn)行能源邊際報(bào)酬變化規(guī)律、能源投入產(chǎn)出率變化規(guī)律等方面的研究，將為我國北方地區(qū)沼氣工程冬季增溫保溫工藝優(yōu)化和技術(shù)改進(jìn)提供可靠的科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)我國北方地區(qū)沼氣工程持續(xù)健康發(fā)展。

(3)低能耗型沼氣工程增溫保溫工藝將持續(xù)得到關(guān)注、研發(fā)和推廣。如開發(fā)新型保溫材料，增加保溫大棚，管路采用地埋方式，利用料液高效循環(huán)加溫，冬季適當(dāng)加大料液濃度等，力求在低能耗、低污染的前提下，有效保障北方地區(qū)冬季沼氣工程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高凈產(chǎn)氣率。

(4)開發(fā)和利用多能互補(bǔ)模式對(duì)沼氣工程進(jìn)行增溫保溫仍是今后重要的研究方向。多能互補(bǔ)模式可有效解決單一能源加熱存在的缺陷和弊端。如太陽能聯(lián)合鍋爐加溫模式既能解決太陽能受季節(jié)、氣候限制的問題，又能有效地降低鍋爐加熱用能。

(5)在氣溫比較適宜、增溫保溫條件相對(duì)較好的地方大力發(fā)展沼氣工程，在不適宜發(fā)展沼氣的寒冷地區(qū)提倡發(fā)展沼氣互補(bǔ)性能源，如開發(fā)秸稈固化致密成型燃料，發(fā)展秸稈氣化工程等。

4 結(jié)語

我國的各類沼氣工程建設(shè)，不僅成為生物質(zhì)新能源開發(fā)利用的重要實(shí)踐途徑，而且成為農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物資源化利用和無害化處理的有效方式，對(duì)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的實(shí)施發(fā)揮著重要的作用。我國北方寒冷地區(qū)在發(fā)展沼氣工程的過程中，積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，在沼氣工程冬季增溫保溫技術(shù)等方面取得了可喜的進(jìn)展。未來我國北方地區(qū)沼氣工程發(fā)展方面的研究將更加注重對(duì)沼氣工程增溫保溫能源投入產(chǎn)出邊際效率問題的研究；將在遵循區(qū)域適宜性原則的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)推廣和研發(fā)低能耗型增溫保溫工藝；還將加大對(duì)煤炭加熱、電加熱等傳統(tǒng)工藝的研究，推進(jìn)工藝改進(jìn)，減少不可再生能源的使用；重視開發(fā)和利用多能互補(bǔ)模式等，促進(jìn)北方地區(qū)沼氣工程可持續(xù)發(fā)展。

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Research Progress and Prospect on Heat Insulation and Temperature Increasing Technology for Biogas Project in Winter of Northern China /

WANG Ya-jing, ZHANG Chi, GAO Chun-yu, WANG Hong-yan, WANG Lei, SUN Ning, BI Yu-yun /

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

The temperature raising and maintaining technologies in winter play a vital part in biogas project. This paper, from the aspects of temperature raising approach, source of heat and project operation measures, reviewed the developments attained in the technology research for winter time of northern China, and discussed the insulation material, solar greenhouse, and other thermal insulation technologies. In the final part, the paper proposed that, in the field of temperature raising and maintaining, the emphasis should be put on the research of the marginal efficiency of energy input-output, low energy consumption technology, traditional technology utilizing electric and coal, multi-energy supplementary technology, etc.

northern China; biogas project; temperature raising and maintaining

2016-03-30

2016-07-05

項(xiàng)目來源： 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301626)

王亞靜(1979-)，女，副研究員，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)廢棄物資源利用，E-mail：wangyajing@caas.cn 通信作者： 畢于運(yùn)，E-mail：biyuyun@caas.cn

S216.4

B

1000-1166(2017)03-0093-07