矯云學++趙國明++張蕾蕾++袁存亮

摘 要：針對寒冷地區(qū)如何保證沼氣越冬生產，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 ℃情況下進行了產氣運行試驗，結果發(fā)現整個產氣周期物料溫度始終維持在51～55℃之間，同一料層每小時溫度變化不大于1.4℃，池容平均產氣率達到0.83m3/（m3·d），產氣甲烷體積分數除前2d外都達到55%以上，表明反應器具有良好的增保溫性能，較高的池容產氣率和較好的產氣質量。

關鍵詞：寒冷地區(qū)；干法沼氣；車庫式；厭氧發(fā)酵

中圖分類號：S-3 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170229021

引言

利用沼氣技術處理畜禽養(yǎng)殖場的糞便，可以消除糞便對地表水、地下水、大氣環(huán)境污染以及微生物污染等，同時其產物為清潔能源沼氣和優(yōu)質有機肥料，可實現養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用，越來越受到人們的關注。東北地區(qū)現有的大中型沼氣工程多數采用CSTR濕法沼氣發(fā)酵工藝，該工藝技術成熟，在南方應用較好，在北方應用冬季需要將大量的水加熱，耗能較大。近年來，國內建設了一些大中型干法沼氣工程，與濕法沼氣工程相比，產氣耗能有所降低，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，該工程引進德國干發(fā)酵沼氣技術，多個反應器布置在一個大的生產車間內，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)能源才能維持運營，且工程造價昂貴。再如北京龐各莊干法沼氣工程，該工程反應器建設在高大的陽光棚車間內，反應器頂面和一側面采用柔性膜覆蓋，可以吸收太陽能增溫，但其保溫性能相對較差，在寒區(qū)冬季也很難運行，同時工程造價也很高。如何降低寒區(qū)沼氣工程建設成本，實現冬季沼氣低能耗、高效穩(wěn)定運行，一直困擾著廣大科研工作者。

本課題開發(fā)設計了寒區(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，且通過反應器結構的合理設計，大大降低工程建造成本，提高反應器保溫效果，降低產氣耗能，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，并具有較高的產氣率和較好的產氣效果。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點和試驗裝備

試驗于 2015年 11 月 5 日—12 月 3日，在白城市佳祥生物質能源有限公司院內進行。試驗裝備為寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，以內置水箱“棚-膜-封閉車庫槽”組合干發(fā)酵厭氧反應器為核心，總反應體積400m?，單槽反應體積200m?，內置水箱“棚-膜-封閉車庫槽”組合干發(fā)酵厭氧反應器如圖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、儲氣柜、渦街流量計、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、羅茨風機、循環(huán)泵 、電控柜、沼氣鍋爐、太陽能集熱系統(tǒng)以及配套設施等組成?！芭?膜-封閉車庫槽”組合厭氧反應器槽體內表面設有氣密層，外表面設有10cm厚聚氨酯發(fā)泡保溫層，可以減少槽內物料熱量散失。反應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，照射在棚頂柔性膜上，實現良好的增保溫效果。反應器槽底內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)境溫度較低時將積蓄的熱能傳遞給物料，既可以用來保證發(fā)酵槽內的物料溫度，又可以為穿過其中的水箱內曝氣管加熱。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、沼液池等構成沼液噴淋系統(tǒng)。由羅茨風機、吸氣管、曝氣管等構成曝氣系統(tǒng)，可以很好地利用反應器自身產生的沼氣來疏通料堆，提高傳熱率。由羅茨風機、脫水罐、脫硫罐、儲氣柜、火炬等構成沼氣凈化儲存系統(tǒng)。

1.2 試驗原料

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

1.3 試驗儀器儀表

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（江蘇金湖博銳儀表有限公司，精度等級：±1.5%R）、LFGB-002型沼氣氣體成分速測儀（英國）。

1.4 試驗運行

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混合均勻送入厭氧反應器內，總進料量占反應器容積的80%，料堆寬4m，高3m。接著進行好氧預處理，間隔8h啟動羅茨風機1次對發(fā)酵物料進行好氧曝氣，每次曝氣時間30min，當物料溫度達到50～55℃時，封反應器進行厭氧發(fā)酵。厭氧發(fā)酵初期產生的雜氣排出，排氣大約3d左右，當檢測沼氣中甲烷的體積分數不低于50%時進行沼氣凈化儲存。產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據（間隔10min記錄1次），每天間隔8h啟動羅茨風機1次對發(fā)酵物料進行厭氧曝氣，每次曝氣時間30min。每天用沼氣氣體成分速測儀按時測量沼氣的甲烷體積分數 1 次。每天按時燃燒排空產生的沼氣，并記錄流量計讀數。

2 結果與分析

2.1 增保溫效果

從寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)運行排完雜氣正式生產沼氣開始，到該周期生產沼氣結束，共計28d，溫度開始記錄時間：2015年11月5日22：30，結束記錄時間：2015年12月3日22：30，記錄每天各溫度記錄儀測得的溫度數據。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，對應的空氣環(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，同時隨著季節(jié)和天氣的變化而變化。整個發(fā)酵周期內最高環(huán)境溫度為-2.4℃（時間為 2015 年 11月 7日 2 ：10），最低環(huán)境溫度為-19.7℃ （時間為 2015 年11月24日3：50），變化幅度為 17.3℃。沼氣發(fā)酵期內日空氣環(huán)境溫度變化幅度最大為 13.8℃（時間為 2015 年 11月7日）；沼氣發(fā)酵期內日環(huán)境溫度變化幅度最小為3.2℃（時間為 2015 年 12月 2日）。

蓄熱換熱水箱內水溫隨著晝夜的更替而急劇變化。整個厭氧發(fā)酵周期內最高溫度為68.9℃，最低溫度為53.4℃，變化幅度為15.5℃。沼氣發(fā)酵期內日水箱溫度變化最大為15.5℃（時間為 2015 年 11月 10日）； 沼氣發(fā)酵期內日水箱溫度變化幅度最小為 8.8℃（時間為 2015 年 11月22日）。整個發(fā)酵周期內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。

整個周期內料表層溫度變化平緩，在44.0～44.5℃之間波動；整個物料溫度在51～55℃之間隨著晝夜更替而波動，同一料層每小時溫度最大波動幅度為 1.4℃；日溫度最小波動幅度為 0.1℃。已有研究表明，溫度發(fā)生波動會給沼氣發(fā)酵帶來一定的影響， 一般每小時溫度上下波動不宜超過±（2～3℃）。本試驗中，在整個沼氣發(fā)酵期內， 每小時內的物料溫度波動都遠遠小于± （2～3 ℃）。

總的說來，空氣環(huán)境溫度和蓄熱換熱水箱內水溫呈周期性劇烈波動，而反應器內物料溫度變化趨勢相對平緩，每小時內同一料層溫度上下波動不大于1.4℃，反應器內發(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氣率。

2.2 產氣效果

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

發(fā)酵期內沼氣甲烷體積分數變化如圖 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天到厭氧期結束，甲烷始終保持在 55%～60%范圍內，沼氣質量較好。

3 結論

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)物料溫度在整個產氣周期內始終維持在51～55℃之間，同一料層每小時溫度變化不大于1.4 ℃，沼氣生產不會產生波動。結合產氣情況，整個產氣周期內平均容積產氣率達到0.83m3/（m3·d），最高日產氣率達到1.131 m3/（m3·d），具有較高的產氣率，同時產氣甲烷體積分數整個產氣周期內除前2d外都達到55%以上，具有較好的產氣質量。因而說明本課題開發(fā)設計的寒區(qū)車庫式干法沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，能夠實現寒冷地區(qū)冬季穩(wěn)定生產沼氣，具有較高的平均產氣率和較好的產氣質量，解決了寒冷地區(qū)沼氣越冬生產技術瓶頸。

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作者簡介：矯云學，男，碩士，高工，主要從事農村資源與環(huán)境研究。