李金平， 刘 润， 崔维栋， 黄娟娟

(1.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 兰州 730050； 2.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心， 兰州 730050； 3.兰州理工大学 能源与动力工程学院， 兰州 730050； 4.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室， 兰州 730050)

随着沼气技术的不断进步，针对不同地区的沼气示范工程也逐渐建立[1]，沼气技术及厌氧发酵技术不仅可以处理有机废弃物，减少环境污染而且可以得到清洁能源沼气，沼气发电越来越普遍[2-5]。温度是影响沼气发酵产气率的关键因素之一，根据沼气发酵温度可分为常温发酵区10℃～26℃，中温发酵区28℃～38℃，高温发酵区46℃～60℃[6-8]。由于中温厌氧发酵原料产气率较高，具有良好的经济效益，被大多数沼气工程选择[9-11]。北京地区属于北温带半湿润大陆性季风气候，冬季比较寒冷，环境温度较低，如何保证沼气发酵工程常年稳定运行，保持恒定，高效的产气量，就要对沼气发酵温度进行严格的控制，采取适当的加热保温措施，使发酵温度不随环境气候变化[12-16]。因此采取什么样的增温措施进行热量补充，保证整个系统稳定运行是研究的关键问题。

目前，主要增温方式有生物质锅炉增温、太阳能增温、电加热增温、沼气发电余热利用等增温方式[17-20]。太阳能增温系统采用定温控制，通过太阳能集热系统完成热能的采集和传输，热水通过换热管对料液进行增温[21]。沼气发电余热是一种最快的加热方式，使用于沼气热电联产工程中[22-25]。但是单一的增温方式易受天气、地理位置限制、机械故障等影响[26]。针对以上问题文章在北京构建了一套太阳能、空气源热泵、发电余热联合沼气增温系统，用于解决沼气池增温问题。

1 研究对象和系统介绍

1.1 介绍研究对象

本试验在北京进行，采用中温发酵，选择牛粪作为发酵原料，原料来自养殖场，TS 8%，发酵温度：中温发酵37℃±1℃，日产气量480 m3。

1.2 太阳能、空气源热泵和沼气余热发电中温厌氧发酵增温系统图

系统包括太阳能集热器、空气源热泵、发电机组、蓄热水箱、发酵罐、脱水器、脱硫器和烟气-水换热器。太阳能、空气源热泵和沼气发电余热系统将太阳能集热器所集热的热量、空气源热泵提供的热量及沼气发电余热所产生的热量进入在蓄热水箱中进行换热，通过换热管实现对发酵物料的增温，使发酵罐维持在中温厌氧发酵范围内，发酵罐内所产生的沼气在经过脱水器、脱硫器。从发电机组排放的烟气通过一个烟气-水换热器来实现热量传递。太阳能集热器采用全玻璃真空管吸收太阳能加热工质，太阳能集热系统是通过太阳能集热器与水箱之间的温差控制，当太阳能集热器与蓄热水箱温差大于10℃时，温差循环泵开启进行强制换热，当太阳能不充分时，热源来源于空气源热泵和沼气发电余热进行增温，发电机组内循环冷却水通过缸套水热交换器预热，外循环冷却水通过废气热交换器预热后进入蓄热水箱，实现热量交换，达到增温的目的。当蓄热水箱温度低于50℃，发电余热增温不运行，太阳能集热器无法达到蓄热水箱的设定温度时 ，空气源热泵自动开启，空气源热泵加热采用自动控制方式。太阳能集热器采用Ф47×1500 mm型全玻璃真空管，蓄热水箱容量是10 m3，保温层厚度是50 mm的聚氨酯，空气源热泵额定制热量为36000 W，额定输入功率为9370 W，发电机组是50 kW，发酵罐容量是350 m3。具体详情参数见表1。

图1 太阳能、空气源热泵和沼气发电余热中温厌氧发酵增温系统图

1.3 沼气增温控制图

沼气工程系统运行中，当发酵罐温度≥36℃时，增温系统不工作；当发酵罐温度<36℃时，增温系统开始运行；当蓄热水箱温度<50℃，太阳能集热器与蓄热水箱温差>10℃时，温差供暖循环泵开启进行强制换热。沼气发电系统启动时，利用沼气发电余热给蓄热水箱增温，最终发酵罐内温度达到中温发酵增。太阳能集热器水温在<50℃，沼气发电余热增温不运行时，太阳能集热器无法达到蓄热水箱的设定温度，空气源热泵自动开启，从而保证发酵罐温度的稳定性。沼气增温控制图见图2，主要加热设备见表1。

图2 沼气增温控制图

表1 主要加热设备

测试参数包括空气源热泵进出口温度、热泵供暖流量、太阳能集热器进出口温度、太阳能供暖流量、蓄热水箱温度、耗电量、环境温度、太阳辐射量等，采用Agilent34970A数据采集器对数据进行自动采集和记录，时间间隔为10 s，空气源热泵运行的耗电量采用人工读取的方法。各种主要仪器及技术参数见表2。

表2 主要仪器及技术参数

2 系统热负荷的计算

2.1 发酵罐增温系统能量分析

发酵罐的热负荷主要由3部分组成，发酵罐散热引起的热负荷，进出物料引起的热负荷，沼气携带以及用生物热负荷，其热量散失所占的比重特别小，可以忽略不计，因此中温厌氧发酵的日平均热负荷由罐体散失的热量和加热物料所需的热量组成[27]：

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q为发酵罐的热负荷，kJ；Q1为罐体散失的热量，kJ；Q2为加热物料所需的热量，kJ。

发酵罐的总散热量包含3部分：发酵罐顶部、侧壁和底部散热量。表达式如下[28]：

Q0=Qt+Qs+Qb

(2)

式中：Qt为发酵罐顶部散热量，kJ；Qs为发酵罐侧壁散热量，kJ；Qb为发酵罐底部散热量，kJ。

发酵罐顶部散热量[29]：

(3)

式中：At为罐顶面积，m2；Tin为发酵罐内料液发酵温度，℃；Tj为环境温度，℃；t为时间，h；δi为发酵罐顶部各部分结构厚度，m；λi为发酵罐顶部各部分结构导热系数，W·m-1K-1；h∞为外界空气自然对流换热系数，W·m-2K-1，冬季取8.5，夏季取11.9，春秋两季取平均值[30]。

发酵罐侧壁散热量[29]：

(4)

式中：L为发酵罐的高度，m；σj为发酵罐侧壁各部分结构厚度，m；λj为发酵罐侧壁各部分结构导热系数，W·m-1K-1。

发酵罐底部散热量[29]：

(5)

式中:τj为发酵罐底部各部分结构厚度，m；Ts为发酵罐底部的土壤温度；Ab为发酵罐的底部面积，m2。

2.2 进料所需热量

进料所需热量是指一定时间内使物料温度由进料温度升到适宜发酵温度所要补充的热量，发酵罐进料所需热量：

Q1=mcp(T-T1)

(6)

表3 发酵罐材料及相关参数

式中:m为进料量，kg·h-1；cp为进料比热容，kJ·kg-1k-1；T为发酵罐内沼液发酵温度，℃；T1为进料温度，℃。

cp=4.17(1-0.00812TS)

(7)

式中:TS为料液总含固率。

文章选择的是中温厌氧发酵，发酵罐高6 m，直径9.93 m，具体发酵罐的材料和相关参数如表3所示。

根据北京地区不同月份的环境温度、土壤温度[31]和进口温度对该系统日平均热负荷进行计算，如表4所示。

表4 在不同月份下日平均热负荷

2.3 太阳能集热系统热负荷

太阳能集热系统是由温度传感器定温控制，通过太阳能集热器与水箱之间的温差控制，将集热器吸收的太阳能不断传递到蓄热水箱，使蓄热水箱中的热水温度不断上升，达到蓄热水箱的设定温度。同时也受天气情况的影响，主要用于太阳能资源丰富的地区，增温系统中太阳能增温系统可以提供的热量计算。

Q=A×[J×η×(1-ηL)]/f

(8)

式中：A为集热器采光面积，m2；J为集热面上日平均辐射强度，MJ·m-2d-1；η为集热器全日集热效率；ηL为管路及储水箱热损失率；f为太阳能保证率。

系统采用全玻璃真空管集热器，试验系统集热面积是290 m2，集热器设置方向为正南，日平均集热效率取55%；ηL为管路及热水箱损失效率，系统取0.2；f为太阳能保证率，相关数据见表5。

表5 太阳能保证率为100%集热器集热量

2.4 空气源热泵供暖热负荷

热泵机组制热量：

QHP=CPm(t1-t2)

(9)

式中：QHP为供热模式下空气源热泵的制热量，MJ；Cp为水的比热容，J·kg-1℃-1；m为空气源热泵向蓄热水箱加热时水的质量，kg；t1为空源热泵提供的高温热水的平均温度，℃；t2为空气源热泵入口的平均温度，℃。

空气源热泵供暖时向蓄热水箱加热时水的质量是2400 kg，提供的高温热水的平均温度是60℃，空气源热泵入口的平均温度是55℃，经计算，热泵机组制热量为50.40MJ。因为是两个空气源热泵，所以热泵机组每天制热量为100.8 MJ。

2.5 沼气发电余热回收系统热负荷

沼气发电内燃机组的总能源转化效率可达80%，其中电效率为35%，热效率通常为45%，机组废气、烟气的热量可通过热交换系统进行热量回收，对发电余热的回收利用既可以实现沼气发电应用，又可以减少能源的浪费。该沼气工程日产气量480 m3，全部用于沼气发电，沼气中甲烷的质量分数约为60%，其余为二氧化碳和水等物质，按60%CH4含量计算1m3沼气燃烧放热为23.85 MJ，剩余沼气燃烧可产生热量Q热=11448 MJ，沼气发电与烟气回收所产生的余热利用率约为45%，则每天发电余热回收为：

Q余=0.45×Q热=5151.6MJ

(10)

3 系统测试结果

3.1 沼气罐内料液温度变化情况的分析

该系统2月份进料，3月份开始发酵，图3为沼气工程的罐内发酵料液温度及环境温度变化图，从图中可以看出发酵罐料液的温度一直维持在37℃±1℃，表明太阳能、空气源热泵和沼气发电余热可以保证发酵罐内料液温度维持在中温发酵温度，由于新进的发酵原料有一个堆沤自发热的过程，发酵罐内前期温度提升较快，大约到21 d左右，当罐内温度到达38℃后升温速度逐渐放缓，随后由于沼气产量增加，发电机组回收热量增加，温度提升略有加快，之后的温度一直维持在中温发酵水平36℃左右，基本恒定，取得了良好的试验效果。

图3 发酵料液温度随环境温度变化图

3.2 甲烷和二氧化碳含量

图4是测试期甲烷和二氧化碳变化曲线，沼气中含有甲烷、二氧化碳、硫化氢等气体，其中甲烷的含量是沼气品质的重要体现，在发酵的启动起始阶段，由于发酵料液呈现弱酸性，并且还存在一些空气，产甲烷菌活性不强，导致了沼气成分中二氧化碳的含量偏高，甲烷的含量偏低，随着计算机辅助菌种选择技术的应用和发酵反应的进行，在第15天甲烷含量达到最大，为60%，主要原因是加了高效智能菌种，产甲烷菌的活性逐渐增强，提高厌氧处理的甲烷含量。料液pH值稳定在6.5～7.5之间，甲烷含量最终在50%～60%的范围内变化，而二氧化碳含量将在36%～47%之间变化。

3.3 沼气发电机组日均发电量

从图中可以看出沼气发电机组的日均发电量的变化，沼气发电机利用产生的沼气进行余热增温，发电量初期比较小，之后随着沼气产气量的增加，日均发电量也在增加，在17 d时发电量达到峰值，为1056 kWh，在此过程中为了保证供给发酵罐稳定的热量，由于太阳辐射好，太阳能集热系统和空气源热泵联合提供的热负荷有所增加，运行人员调整发电机负荷从1056 kWh至720 kWh，使得沼气单位时间内所消耗的沼气量减少，保证了系统的相对稳定运行。发电机所产生的电用于厂区上网，可以满足厂区的供电需求。

图4 甲烷和二氧化碳含量

图5 沼气发电机组日均发电量变化图

4 增温系统经济性分析

本文以太阳能、空气源热泵和沼气发电余热联合供暖系统为对象，对加温系统进行经济性分析计算。银行存款年利率以3%计(5年定期存款的年利率为2.75%)。太阳能、空气源热泵和沼气发电联合供暖系统初投资3.9万元，使用年限为15年。电加热系统初投资2.8万元，使用年限为 15年。耗电量记录采用三相四线电能表，每天可以人工读数，太阳能、空气源热泵和沼气发电联合供暖系统耗电量16 kWh。电费按照0.5 元·kWh-1，运行时间按照120 d计算。太阳能、空气源热泵和沼气发电余热联合供暖系统初投资3.9万元，电费用960元；电加热系统初投资2.8万元，耗电量为56 kWh，电费3360元；太阳能、空气源热泵和沼气发电联合供暖系统较电加热每年节省电费2400元。可见，太阳能、空气源热泵和沼气发电联合供暖系统较前两种具有明显的节电优势。虽其初投资费用较高，但每年可节约电费2400元，从长远使用的角度，该系统具有较高经济可行性。节省的电费可以实现净现值。

净现值的计算公式如下[32]：

(11)

式中：Ai为每年净效益；i为银行存款年利率；N为使用年限。比较电加热系统，运行15年产生的效益折算成净现值，由公式(11)计算得：

投资回收期计算，按净回收年限法，投资回收期的计算公式如下：

(12)

式中：T为投资回收期。

太阳能、空气源热泵和沼气发电余热联合供暖系统多投资的费用回收期由公式(12)可计算：

即4.6年内可以收回多投资的费用，具有良好的经济效益。

5 结 论

文章在北京地区构建了一套太阳能、空气源热泵、发电余热联合沼气增温系统，得出以下结论。

(1)北京地区沼气工程全年月平均热量损失为7325.0 MJ，太阳能、空气源热泵、发电余热联合沼气增温系统月平均补充的热量为7464.1 MJ，利用太阳能、空气源热泵和发电余热联合沼气增温系统对该工程中的发酵罐体进行增温，可以保证发酵罐内料液温度一直维持在37℃±1℃。

(2)太阳能、空气源热泵、发电余热联合沼气增温系统比电加热系统增加投资效益净现值28640元，投资回收期为4.6年，太阳能、空气源热泵、发电余热联合沼气增温系统具有良好的经济效益，同时也有利于保护环境，不但解决了生物质资源的处理问题，减少了污染， 还可以提供良好的有机肥料。

(3)全面分析了太阳能、空气源热泵、发电余热联合沼气增温系统供能需求和经济性，结合北京地区太阳能资源丰富的特点，在充分利用太阳能资源的基础上，为保证在极端天气供给发酵罐稳定的热量，启动空气源热泵供热的同时，将发电余热的废弃资源回收再利用，减少了能源投入，提高了经济效益，而且克服了两种增温系统的缺点，提高了能源利用效率。保证发酵罐内相对稳定的发酵温度，为以后在北方寒冷地区大中型沼气工程中常年运行具有一定的参考意义。