礦山地熱能沼氣池加溫系統試驗研究

張永亮，蔡嗣經，吳迪

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京，100083；2.青島理工大學 汽車學院，山東 青島，266520)

發展低碳經濟、減少碳排放量是2010年丹麥哥本哈根氣候大會上各國討論的焦點[1]，經濟社會持續快速的發展離不開有利的能源保證[2]。因此，建設節約型社會，加大節能減排的力度，增加可再生能源占社會能源供給的比例，是科技人員應該加大力度深入探討的重點問題。能源的分類方法有很多種，如果按再生性能分，可分為不可再生能源和可再生能源。用后不能重新產生稱為不可再生能源，如石油、煤炭等；用后失而復得稱為可再生能源，如太陽能、生物質能、地熱能等。沼氣屬于生物質能，是一種可再生能源。沼氣可用于做飯、照明、儲糧；沼液、沼渣可用于作物的葉面噴施、生產綠色食品，滿足人民生活需要。沼氣生物質能源的開發利用，以投入消耗減量化、物質再生循環化、資源利用最大化為原則，可實現生態、能源和社會效益的統一[3-4]。

1 沼氣池加溫熱源選擇分析

1.1 溫度對產氣量的影響

沼氣池中的溫度是決定產氣量的重要因素，一般的沼氣池都是在常溫下發酵，產氣率低。溫度是沼氣發酵的重要外因條件，溫度適宜則細菌繁殖旺盛，活力強，厭氧分解和生成甲烷的速度就快，產氣就多。從這個意義上講，溫度是產氣量的關鍵。研究發現：在10～60 ℃的范圍內，沼氣均能正常發酵產氣。低于10 ℃或高于60 ℃都嚴重抑制微生物生存、繁殖，影響產氣。在這一溫度范圍內，一般溫度愈高，微生物活動愈旺盛，產氣量愈高。微生物對溫度變化十分敏感，溫度突升或突降，都會影響微生物的生命活動，使產氣狀況惡化。對于沼氣池內發酵溫度，常規情況下分為3個階段： 在46～60 ℃為高溫發酵，在28～38℃為中溫發酵，在10～26 ℃為常溫發酵。大多數沼氣池靠自然溫度發酵，屬于常溫發酵。發酵溫度雖然范圍較廣，但在10～60 ℃范圍內，溫度越高，產氣越大。在冬季沼氣池產氣量很少，甚至不產氣，嚴重制約了沼氣的使用和推廣，其主要原因是環境溫度過低，降低了沼氣發酵微生物的活性。

1.2 沼氣池加溫熱源分析

1.2.1 常規熱源

溫度作為沼氣池產氣量的關鍵因素，國內外相關領域工作者做了大量研究和試驗。目前常見的沼氣池加溫方式有電熱膜加溫、太陽能加溫、化石能源熱水鍋爐加溫、沼氣鍋爐加溫、沼氣發電余熱加溫和燃池式加溫6種。電熱膜加溫是在沼氣池外表面涂一層電熱膜進行加溫，這種方法需要消耗大量電能，節能性不理想[5]。太陽能加溫系統靠集熱裝置集中太陽熱能，提高溫度，對料液進行加溫[6-7]，該系統節能環保，但易受天氣狀況影響。化石能源熱水鍋爐加溫是通過熱水鍋爐的換熱設備對沼氣池料液加溫，這種方法需要消耗煤炭等燃料，同時產生大量煙塵和有害氣體。沼氣鍋爐加溫，是燃燒系統自身產生的一部分沼氣，通過燃燒產生高溫煙氣，依靠高溫煙氣給發酵池加溫，但對設備和操作技術要求比較高[8]。沼氣發電余熱加溫是在沼氣熱電聯產工程中，將燃氣內燃機排放的高溫氣體回收，利用氣體余熱加溫發酵料液，只能在大型沼氣池工程中才能應用[9]。燃池加溫是依靠沼氣池地下的陰燃坑發生陰燃對料液加溫，這種方法具有一定的危險性，同時對環境有一定污染。

以上6種常見加溫方式各有優缺點，但這些方式大多是以消耗電能和燃燒為代價或者易受天氣狀況影響，節能性、社會性不理想。因此，為沼氣池提供成本低廉、經濟環保的穩定熱源，成為沼氣生物質能有效開發利用的關鍵問題。

1.2.2 礦山地熱水加溫熱源

地熱水既是水資源，又是一種清潔能源，與傳統的不可再生能源相比，地熱水除具有很高的熱能價值外，其作為水資源的經濟效益和社會效益也不可忽視，若不合理開采利用，不僅浪費資源，而且會破壞生態與地質環境。在礦山開采過程中，礦井地下熱巖體、滲透出的熱水導致出現高溫、高濕的井下作業環境，以致井下工人濕疹頻發，久治不愈，礦山不得不頻繁更換井下工人，嚴重降低了工作效率。同時，地下水流失也導致地質結構發生顯著變化，地基承載力減弱，出現地面裂縫、沉降等現象。礦山開采暴露出的地熱一方面破壞了礦山生產環境，另一方面又造成大量地熱資源和水資源流失。礦山周邊的農林環境為沼氣池提供了良好的使用條件，基于大量實踐，提出汲取礦山井下熱水作為沼氣池的加溫熱源。這種方法既可以消除井下濕熱造成的危害，又充分利用地熱資源和地下水資源。礦山地熱水充足穩定，彌補了常規熱源的缺點，以地熱能促進生物質能，實現能源循環促進。

2 地熱加溫沼氣池試驗

2.1 加溫試驗系統設計

在以前研究成果的基礎上[10-12]，改進了螺旋管加溫沼氣池試驗臺，利用自制沼氣池實驗臺進行礦山地熱水對沼氣池加溫試驗。實驗臺運行示意圖見圖1。

以山東省舊店金礦地熱水為例，將礦井汲取的熱水導入沼氣池內螺旋管進行循環加熱，平均水溫為65℃。熱水導入螺旋管內循環加熱，通過螺旋管換熱對沼氣池內料液進行加溫，模型沼氣池外用擠塑聚苯乙烯進行保溫，螺旋管材料采用普通無縫鋼管，鋼管外涂耐高溫防腐材料。沼氣池溫度測試點均勻布置于池內，池內按料液深度平均分成3層，每層布置1支熱電偶。

圖1 沼氣池加溫系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of digester heating system

2.2 螺旋管換熱過程分析

螺旋管加熱器的傳熱原理是由圓管內側的對流換熱、圓管壁的導熱和圓管外側的對流換熱3個熱量傳遞構成的傳熱過程。在此試驗系統中，螺旋管傳熱是穩態傳熱，可利用熱阻概念建立熱流量模型[13]。根據牛頓冷卻公式和圓管壁穩態導熱公式，可以把螺旋管的熱流量分別表示為：

其中：Φ1，Φ2和Φ3分別表示螺旋管內側換熱熱流量、管壁導熱熱流量和螺旋管外側換熱熱流量；d1和d2分別為螺旋管內、外直徑；l為螺旋管長度；λ為熱導率(常數)；tf1為管內地熱水溫度；tf2為管外料液溫度；h1和h2分別為螺旋管內、外兩側表面傳熱系數；tw1和tw2分別為管內、外兩側壁溫度。Rh1，Rλ和Rh2分別為螺旋管內側對流換熱熱阻、管壁導熱熱阻、螺旋管外側對流換熱熱阻。

由式(4)可知，只需測得螺旋管內地熱水溫度和沼氣池中料液溫度變化，即可求得螺旋管的傳熱熱量。

2.3 產氣效果分析

為了加強加溫效果實驗的可比性，該實驗在加溫沼氣池和未加溫沼氣池2個池內同時進行，實驗時間為30 d。其池內料液溫度對比圖和產氣量對比圖分別見圖2和圖3。

由圖2和圖3可知：加溫后沼氣池內料液溫度有了明顯上漲，沼氣產量也有大幅提升，說明螺旋管加熱沼氣系統運行效果良好。

圖2 料液溫度對比圖Fig.2 Comparison of liquid temperature

圖3 產氣量對比圖Fig.3 Comparison of gas production

3 加溫系統成本效益分析

3.1 沼氣池建設模式

根據實驗基地舊店金礦附近農戶情況實地調查，大棚養殖戶可以建造“四位一體”模式(沼氣池—廁所—豬舍—溫室大棚)；大部分農戶可以建造“三位一體”模式(沼氣池—豬舍—廁所)，沼氣池所需原料采用人畜糞便、秸稈等農戶自產資源。在沼氣池上面新建廁所或畜禽舍，糞便直接進行沼氣池。室內安裝沼氣管道，廚房做飯基本不用大鍋燒柴，采用沼氣做飯、照明等節能方式。

3.2 沼氣池成本預算

采用礦區地熱水加溫方式，可以極大提高沼氣產量，一戶五口之家建造10 m3沼氣池可以基本保證沼氣的充足使用，原料為1 t水泥、1 m3石子、1 m3粗砂及其他輔料，原料造價700元左右；采用高檔沼氣灶具及配件約300元；沼氣池建造用工費500元左右；礦井地熱水采用總輸水管道輸送，輸送動力主要為井下水泵向地表排水的動力，各戶沼氣池由總管道接出分支到沼氣池螺旋管內，具體根據實際情況而定，費用一般300元左右即可。因此，礦區附近農戶建立10 m3地熱加溫沼氣池總成本約為1 800元左右。

3.3 地熱加溫效益分析

以試驗結果為依據進行耗能計算，循環熱水的密度取995.5 kg/m3，比熱容取4.186 kJ/(kg·K)，折算結果如下：1座10 m3的沼氣池，應用礦區地熱能進行加溫，每年可節省柴薪2 000 kg，煤1 200 kg，電150 kW·h，化肥300 kg，按目前市場價格折算，每年可節省支出2 000多元。

4 結論

(1)沼氣池螺旋管換熱系數隨著管內外換熱溫差逐步減小而減小，說明螺旋管傳導出的熱量越多，其換熱性能越好，這一性能有利于螺旋管在沼氣池內傳導熱量。

(2)沼氣池在螺旋管加溫系統作用下，料液溫度可保持在35 ℃左右，屬中溫發酵范圍，接近高溫發酵，產氣量較未加溫情況下有明顯提升，證實了螺旋管加溫的有效性。

(3)利用礦山地熱水作為沼氣池的加溫熱源，利用地熱能促進生物質能，產生顯著的經濟效益和環境效益；通過將礦井熱水導入沼氣池，也消除了礦山井下熱害。

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