太陽能秸稈沼氣系統的熱性能分析及實驗研究

劉昂 呂奇 陳靜雯 姜宇鑫 劉桿辰 王新詞

摘要：發展沼氣作為解決我國農村能源短缺問題的重要政策，需要在適宜地區積極推廣廢棄物綜合利用技術和可再生能源開發利用技術，目前我國常用的戶用沼氣池大多靠自然溫度發酵，發醇溫度隨環境而變化，故其發酵效率、產氣量不穩定，且在冬季由于發酵溫度低而不產氣或產氣量很小，這已成為制約沼氣技術推廣的瓶頸。鑒于此，文章分析了一種太陽能秸稈沼氣循環利用系統，對該系統的設計要點進行論述，并且就太陽能秸稈沼氣系統的熱性能進行了深入探討，以供業內人士參考和借鑒。

關鍵字：太陽能;秸稈;沼氣系統;熱性能

0 引言

目前我國的沼氣生產主要集中在農村，采用地下建造沼氣池的方式生產沼氣，發酵溫度大都采用常濕發酵。隨著一年四季氣溫的變化，池溫變化較大，產氣率的變化也大，這將嚴重影響人們穩定利用沼氣的需要，尤其在冬季由于氣溫、地溫比較低，原料分解率低，沼氣的生產存在產氣率低、使用率低和沼氣使用綜合效益差等問題，甚至在冬季會出現凍裂沼氣池的現象，這種情況下若不加保溫和加熱措施，料液是無法正常發醇產生沼氣的，同時我國農村地區秸稈等生物質能源雖然充足，但目前大部分都是直接用于燃燒處理，燃燒過程中會產生大量PM2.5和其他有害物質，這對環境造成了比較大的影響，對農村的生活環境不利。

1 太陽能秸稈沼氣循環利用現狀

當前在許多農村地區普遍使用的秸稈處理技術主要有以下幾種，即利用秸稈作為固體成型燃料;對秸稈進行汽化爐處理;秸稈沼氣消化技術，這三種處理技術中最具有可行性的處理技術為厭氧消化制沼氣反應，采用這種處理技術能夠降低能源損耗和環境污染，擴大生態環境效益與經濟效益。但是運用太陽能沼氣循環利用技術，具有較強的專業性，在加料一生產一使用過程中必須嚴格遵循專業技能知識的要求。近幾年以來，我國的城鎮化發展進程不斷加快，眾多青壯年勞動力紛紛進入城市務工，留下了許多老人孩子在農村生活，這些老人孩子缺少專業技術知識，操作能力較差，無法合理進行沼氣的加料和生產流程，所以經常導致沼氣池漏氣以及產氣不穩定等一系列問題。在冬季時期，無法正常運用沼氣技術來進行產氣，所以導致許多農民不愿意繼續使用沼氣，在農村地區應用秸稈太陽能沼氣循環利用技術具有較大的局限性和阻礙。

2 太陽能秸稈沼氣循環利用系統設計要點

2.1 設計思路分析

為了有效增加沼氣產量，必須研發制作太陽能輔助地源熱泵，利用地源熱泵為沼氣發酵池提供能量，并且需要為地源熱泵搭配相應的輸配管路;必須針對冬季或雨天這些太陽能供熱不足的時期，不斷實驗研究地源熱泵輔助供熱運行的方式，這樣才能使能源得到充分利用。對于太陽能輔助地源熱泵的反應溫度，可以運用PLC技術來進行合理控制，如果發酵池中的溫度降低到一定水平時，需要及時開啟熱泵輔助加熱設備，從而為發酵池提供熱量;必須及時對沼氣池的溫度進行測量并記錄，對于每次投入的原料量需要做好準確記錄，然后運用濕式氣體流量計來對沼氣池產生的沼氣量進行測量和記錄，并且把沼氣中的成份準確分析出來，只有通過一系列的計算和分析，才能把沼氣裝置的性能充分了解清楚，使其滿足不同工況的運行需求;當發酵池中的秸稈進行厭氧發酵完成之后，需要及時把沼氣輸送到各個農戶家中，或者用于沼氣發電;在沼氣產生之后，多余的沼液也可以用來種植農產品，殘留的沼渣也可以用來種植雙孢菇，提高雙孢菇產量，使沼氣資源得到循環再利用。

2.2 沼氣循環利用技術的工藝流程

農村秸稈太陽能沼氣循環利用技術對于改善農村生活環境，提升人們的生活質量起到重要作用，能夠有效節約能源，實現廢物再利用。具體的工藝流程主要包含了以下幾個步驟，即對農作物秸稈進行粉碎;把粉碎之后的農作物秸稈投入到太陽能沼氣池進行發酵;太陽能沼氣池產生沼氣、沼渣和沼液;沼氣用于居民的生活燃料和發電，多余的熱量也可以用來粉碎秸稈或繼續提供給沼氣池;沼渣用來培育雙孢菇，雙孢菇產品出口，獲取大量的經濟效益，雙孢菇殘渣培育有機農產品;渣液用來培育有機農產品;當有機農產品生長成熟之后，秸稈可以重新用于生產太陽能沼氣，這一系列過程就是秸稈太陽能沼氣循環利用技術的工藝流程。

3 太陽能秸稈沼氣系統的熱性能分析

本次研究通過分析太陽能秸稈沼氣系統在某地區的實際應用情況，分析該系統的熱利用情況，詳細如下：太陽能秸稈沼氣系統中，太陽能包括光熱、光伏兩部分，所收集的太陽能以水作為載熱介質，逐級進入相變蓄熱水箱、產氣罐、中溫水箱，并循環利用，同時光伏發電裝置所生產的電能還可為相變蓄熱水箱中的石蠟層補熱。系統的輸入能量包括太陽集熱器所吸收的太陽輻射能以及所耗的電能，其中太陽集熱器所吸收的太陽輻射能以集熱水箱內部熱水的內能增量表現出來，所耗的電能一部分用于加熱集熱水箱，使集熱水溫繼續升至58℃，另一部分用于補充石蠟的潛熱及水泵等裝置運行所耗電能，該地區冬季平均每日輸入熱量如下：

上述公式中，表示集熱水箱內部熱水內能增量（僅依靠光熱）;表示耗電電能。集熱水箱內部熱水的內能增量以典型工況日集熱數據為依據，同時已知供熱周期內系統平均每日耗電3.37kWh，代入相關數值得到冬季平均每日輸入熱量為453620.通常調查顯示，該地區冬季平均每日的產氣罐熱負荷為19196kJ，可得出冬季太陽能秸稈沼氣系統熱利用效率為42.3%，進一步提高熱利用效率的主要途徑有集熱子系統所集熱量與產氣罐熱負荷尚需進一步優化匹配;加熱盤管的傳熱系數仍有進一步提高的空間;減小傳熱介質在管道中熱損。

結束語

綜上所述，在農村地區采用秸稈太陽能沼氣循環利用技術，能夠有效改善農村生活環境，生產大量的有機綠色蔬菜，促進現代化農業經濟循環發展，創造大量的經濟效益。

參考文獻：

[1]汪楚喬.農村廢棄生物質太陽能輔熱中溫兩相蜒氧產沼技術研究[D].東南大學，2017.