日光增溫水蓄能厭氧發酵反應器的運行試驗

矯云學　趙國明　丁偉　張重

摘要：針對寒冷地區如何保證沼氣越冬生產，且耗能低的問題，研制出一種日光增溫水蓄能厭氧發酵反應器，該反應器具有良好的增保溫和產氣性能。并以牛糞為原料在環境溫度不低于-23.2℃情況下進行了產氣運行試驗，結果發現整個產氣周期物料溫度從30.3℃一直升到49.5℃，日溫度變化不大于1.1℃，池容平均產氣率達到0.802m³/（m³·d），產氣甲烷體積分數除前3d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；沼氣；保溫；節能；太陽能

中圖分類號：S216.4 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170132002

引言

沼氣技術是解決農村環境污染、有效利用畜禽糞污資源的重要途徑，在畜禽糞污處理和資源化利用方面具有明顯的優勢，它可以將畜禽糞污轉化成清潔能源沼氣和優質沼肥，實現畜禽糞污無害化處理，減少溫室氣體排放。目前，沼氣技術在我國溫暖的南方地區使用和推廣情況較好，但在寒冷的北方地區由于受冬季低溫影響，存在冬季產氣耗能大，傳統沼氣反應器保溫設施簡陋，冬季產氣需要燃燒大量的燃煤等，經濟效益差，農民使用沼氣的積極性不高，基本處于半年產氣半年停的狀態。如何保證沼氣冬季發酵溫度，且耗能低或不耗用常規能源是廣大科技工作者研究的重要方向和需要解決的難題。

本課題開發設計了日光增溫水蓄能厭氧發酵反應器，能夠充分利用太陽能為物料增溫，且通過反應器保溫結構的合理設計，使物料在沼氣發酵過程中始終保持在較好的發酵溫度，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2016年1月2-30日，在吉林省乾安縣佳辰化工有限公司院內進行。試驗裝備為3m³日光增溫水蓄能厭氧發酵反應器，如圖1。

反應器采用內外雙膽真空夾層臥式圓柱罐結構，內膽為3mm厚普通碳素鋼板材Q235-A·F焊合制成，外膽為8mm厚玻璃鋼材料制成，內外膽之間抽真空。圓柱罐內設有攪拌器和溫度傳感器Ⅰ。圓柱罐安放在支撐架上，下部設有蓄熱換熱水箱，水箱與下部的真空集熱管直接連通，水箱內設有電加熱棒和溫度傳感器Ⅱ，真空集熱管下面設有反光板，反應器外部還設有溫度傳感器Ⅲ。溫度傳感器Ⅰ、溫度傳感器Ⅱ和溫度傳感器Ⅲ連接于溫度控制儀。圓柱罐和蓄熱換熱水箱整體外部噴涂10cm厚聚氨酯保溫層，并包裹2cm厚橡塑保溫層。圓柱罐頂部設有出氣口與儲氣袋連通，儲氣袋出氣端裝有沼氣流量表。所用真空集熱管尺寸為直徑Φ58mm，長度1800mm，數量為46根，集熱水箱容積660L。反應器結構剖視圖如圖2。

1.2試驗原料

發酵原料為TS含量為18%的新鮮牛糞，接種物為干物質含量為10%的高溫厭氧污泥。

1.3試驗儀器儀表

L93-4L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℃）、

G25型燃氣表（天津大豐流量儀表廠，精度0.1m³）、TGT-100磅秤（焦作臺秤廠，分度值50g，精度等級3級）、LFGB-002型沼氣氣體成分速測儀（英國）。

1.4試驗運行

將真空集熱管和蓄熱換熱水箱加滿水。將新鮮牛糞送入厭氧發酵反應器內，加水調整進料干物質濃度為10%左右，同時加入30%左右的接種物，使總料量占反應器容積的80%，并利用攪拌器將物料混勻。利用真空集熱管吸收太陽能熱增溫，通過溫度傳感器和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）。每天早、中、晚利用攪拌器分別攪拌物料1次，每次攪拌5～8min。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。每天按時燃燒排空儲氣袋內沼氣，并記錄沼氣流量表讀數。

2結果與分析

2.1增保溫效果

從日光增溫水蓄能厭氧發酵反應器進料開始，到沼氣發酵產氣結束，共計29d，溫度開始記錄時間：2016年1月2日10：00，結束記錄時間：2016年1月30日10：00，記錄每天各溫度傳感器測得的溫度數據。溫度傳感器Ⅰ測物料溫度；溫度傳感器Ⅱ測水箱溫度；溫度傳感器Ⅲ測環境溫度。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，對應的環境溫度整理成如圖4所示環境溫度變化趨勢圖。

環境溫度隨著晝夜的更替而急劇變化，同時隨著季節和天氣的變化而變化。整個發酵周期內最高環境溫度為-2.5℃（時間為2016年1月2日13：40），最低環境溫度為-23.2℃（時間為2016年1月14日6：40），變化幅度為20.7℃。沼氣發酵期內日環境溫度變化幅度最大為16.8℃（時間為2016年1月19日）；沼氣發酵期內日環境溫度變化幅度最小為8.8℃（時間為2016年1月23日）。

水箱溫度隨著晝夜的更替而急劇變化。整個發酵周期內最高溫度為58.2℃，最低溫度為37.6℃，變化幅度為20.6℃。沼氣發酵期內日水箱溫度變化最大為9℃（時間為2016年1月27日）；沼氣發酵期內日水箱溫度變化幅度最小為3.3℃（時間為2016年1月5日）。整個發酵周期內水箱溫度始終高于物料溫度，能夠連續不斷地為物料增溫。

整個周期內物料溫度呈平緩上升趨勢，每日內溫度略有波動，日內溫度最大波動幅度為1.1℃（時間為2016年1月3日）；日內溫度最小波動幅度為0.4℃（時間為2016年1月29日）。已有研究表明，溫度發生波動會給沼氣發酵帶來一定的影響，一般1h內溫度上下波動不宜超過±（2～3）℃。本試驗中，在整個沼氣發酵期內，每小時內的物料溫度波動都遠遠小于±（2～3）℃。

總的說來，環境溫度和水箱溫度呈周期性劇烈波動，而反應器內物料溫度變化趨勢平緩，反應器內發酵物料溫度受環境溫度變化的影響較小，但能夠不斷從水箱吸熱緩慢升溫，從30.3～49.5℃跨越了中溫到高溫發酵過程，且日溫度變化較小。由此可見，該反應器具有較好的保溫和增溫效果，為沼氣發酵微生物的生長提供了良好的溫度環境，有利于獲得較高的產氣率。

2.2產氣效果

日光增溫水蓄能厭氧發酵反應器的日產沼氣量情況如圖5所示。從2016年1月5日開始產氣到2016年1月29日產氣結束，25天總產氣量為60.164m³，日均產沼氣2.407m³，平均容積產氣率0.802m³/（m³·d）（反應器容積按3m³計算），最高日產氣量3.522 m³，最高日產氣率達到1.174 m³/（m³·d）。

發酵期內沼氣甲烷體積分數變化如圖6所示。在沼氣發酵開始后的前4 d，沼氣中甲烷就由44.3%快速上升到55.2%，從第5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，在寒冷地區冬季氣溫不小于-23.2℃條件下，研制開發的日光增溫水蓄能厭氧發酵反應器物料溫度在整個產氣周期內始終是緩慢上升的，一直從30.3℃升到49.5℃，日溫度變化不大于1.1℃，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0.802m³/（m³·d），最高日產氣率達到1.174m³/（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3d外都達到55%以上，具有較好的產氣質量。因而說明通過采取內外雙膽真空夾層臥式圓柱罐結構、蓄熱換熱水箱、真空集熱管、反應器外保溫以及攪拌器攪拌等技術措施，能夠保證寒冷地區冬季達到良好的厭氧發酵溫度、較高的平均產氣率和較好的產氣質量，解決了寒冷地區沼氣越冬生產技術瓶頸。