矫云学++赵国明++张蕾蕾++袁存亮

摘 要：针对寒冷地区如何保证沼气越冬生产，且耗能低的问题，研制出一种寒区车库式干法沼气发酵系统，该系统具有良好的增保温和产气性能。并以牛粪和秸秆为原料在环境温度不低于-19.7 ℃情况下进行了产气运行试验，结果发现整个产气周期物料温度始终维持在51～55℃之间，同一料层每小时温度变化不大于1.4℃，池容平均产气率达到0.83m3/（m3·d），产气甲烷体积分数除前2d外都达到55%以上，表明反应器具有良好的增保温性能，较高的池容产气率和较好的产气质量。

关键词：寒冷地区；干法沼气；车库式；厌氧发酵

中图分类号：S-3 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170229021

引言

利用沼气技术处理畜禽养殖场的粪便，可以消除粪便对地表水、地下水、大气环境污染以及微生物污染等，同时其产物为清洁能源沼气和优质有机肥料，可实现养殖废弃物的资源化利用，越来越受到人们的关注。东北地区现有的大中型沼气工程多数采用CSTR湿法沼气发酵工艺，该工艺技术成熟，在南方应用较好，在北方应用冬季需要将大量的水加热，耗能较大。近年来，国内建设了一些大中型干法沼气工程，与湿法沼气工程相比，产气耗能有所降低，但仍存在诸多问题。如黑龙江省宾县车库型干发酵垃圾处理沼气工程，该工程引进德国干发酵沼气技术，多个反应器布置在一个大的生产车间内，在保温上取得了良好的效果，但在增温上仍需消耗大量的常规能源才能维持运营，且工程造价昂贵。再如北京庞各庄干法沼气工程，该工程反应器建设在高大的阳光棚车间内，反应器顶面和一侧面采用柔性膜覆盖，可以吸收太阳能增温，但其保温性能相对较差，在寒区冬季也很难运行，同时工程造价也很高。如何降低寒区沼气工程建设成本，实现冬季沼气低能耗、高效稳定运行，一直困扰着广大科研工作者。

本课题开发设计了寒区车库式干法沼气发酵系统，能够充分利用太阳能为物料增温，且通过反应器结构的合理设计，大大降低工程建造成本，提高反应器保温效果，降低产气耗能，使物料在沼气发酵过程中始终保持在较好的发酵温度，并具有较高的产气率和较好的产气效果。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点和试验装备

试验于 2015年 11 月 5 日—12 月 3日，在白城市佳祥生物质能源有限公司院内进行。试验装备为寒区车库式干法沼气发酵系统，以内置水箱“棚-膜-封闭车库槽”组合干发酵厌氧反应器为核心，总反应体积400m?，单槽反应体积200m?，内置水箱“棚-膜-封闭车库槽”组合干发酵厌氧反应器如图1。

寒区车库式干法沼气发酵系统组成示意如图2，主要由沼气火炬、用户管、储气柜、涡街流量计、脱硫罐、脱水罐、温度控制仪Ⅱ、温度控制仪Ⅰ、吸气管、螺旋喷头、厌氧反应器、换热管、蓄热换热水箱、曝气管、温度控制仪Ⅳ、温度控制仪Ⅲ、沼液泵、沼液池、罗茨风机、循环泵 、电控柜、沼气锅炉、太阳能集热系统以及配套设施等组成。“棚-膜-封闭车库槽”组合厌氧反应器槽体内表面设有气密层，外表面设有10cm厚聚氨酯发泡保温层，可以减少槽内物料热量散失。反应器顶部采用阳光板棚能够保证太阳光尽可能多的透入温室内，照射在棚顶柔性膜上，实现良好的增保温效果。反应器槽底内置蓄热换热水箱可在白天积蓄太阳能集热系统的热能，于夜晚环境温度较低时将积蓄的热能传递给物料，既可以用来保证发酵槽内的物料温度，又可以为穿过其中的水箱内曝气管加热。由太阳能集热系统、沼气锅炉、循环泵、蓄热换热水箱以及换热管等构成增温系统，太阳能集热系统所用真空集热管尺寸为直径Φ58mm，长度1800mm，数量为750根，蓄热换热水箱容积7m?。由沼液泵、输液管路、螺旋喷头、沼液池等构成沼液喷淋系统。由罗茨风机、吸气管、曝气管等构成曝气系统，可以很好地利用反应器自身产生的沼气来疏通料堆，提高传热率。由罗茨风机、脱水罐、脱硫罐、储气柜、火炬等构成沼气净化儲存系统。

1.2 试验原料

发酵原料为鲜牛粪（TS含量为18%）和经揉搓机揉碎长度小于1.5cm的干玉米秸秆（TS含量为80%）。

1.3 试验仪器仪表

L93-2L温度记录仪（成都华衡仪器有限公司，测量精度：±0.5～0.8℃，分辨率：0.1℃）、BR-LUGB-50型涡街流量计（江苏金湖博锐仪表有限公司，精度等级：±1.5%R）、LFGB-002型沼气气体成分速测仪（英国）。

1.4 试验运行

将太阳能集热系统和蓄热换热水箱加满水。将牛粪与揉碎的秸秆按体积比2.5：1混合均匀送入厌氧反应器内，总进料量占反应器容积的80%，料堆宽4m，高3m。接着进行好氧预处理，间隔8h启动罗茨风机1次对发酵物料进行好氧曝气，每次曝气时间30min，当物料温度达到50～55℃时，封反应器进行厌氧发酵。厌氧发酵初期产生的杂气排出，排气大约3d左右，当检测沼气中甲烷的体积分数不低于50%时进行沼气净化储存。产气过程中利用太阳能集热系统吸收太阳能热增温，通过温度记录仪记录每天各温度传感器测得的温度数据（间隔10min记录1次），每天间隔8h启动罗茨风机1次对发酵物料进行厌氧曝气，每次曝气时间30min。每天用沼气气体成分速测仪按时测量沼气的甲烷体积分数 1 次。每天按时燃烧排空产生的沼气，并记录流量计读数。

2 结果与分析

2.1 增保温效果

从寒区车库式干法沼气发酵系统运行排完杂气正式生产沼气开始，到该周期生产沼气结束，共计28d，温度开始记录时间：2015年11月5日22：30，结束记录时间：2015年12月3日22：30，记录每天各温度记录仪测得的温度数据。温度控制仪Ⅰ测料表层温度和空气环境温度；温度控制仪Ⅱ测距料层顶部20cm料温；温度控制仪Ⅲ测料层高度1.5m处料温；温度控制仪Ⅳ测距料层底部20cm料温和蓄热换热水箱内水温。将测得的物料温度和水箱温度整理成如图3所示的物料温度、水箱温度变化趋势图，对应的空气环境温度整理成如图4所示环境温度变化趋势图。

空气环境温度随着昼夜的更替而急剧变化，同时随着季节和天气的变化而变化。整个发酵周期内最高环境温度为-2.4℃（时间为 2015 年 11月 7日 2 ：10），最低环境温度为-19.7℃ （时间为 2015 年11月24日3：50），变化幅度为 17.3℃。沼气发酵期内日空气环境温度变化幅度最大为 13.8℃（时间为 2015 年 11月7日）；沼气发酵期内日环境温度变化幅度最小为3.2℃（时间为 2015 年 12月 2日）。

蓄热换热水箱内水温随着昼夜的更替而急剧变化。整个厌氧发酵周期内最高温度为68.9℃，最低温度为53.4℃，变化幅度为15.5℃。沼气发酵期内日水箱温度变化最大为15.5℃（时间为 2015 年 11月 10日）； 沼气发酵期内日水箱温度变化幅度最小为 8.8℃（时间为 2015 年 11月22日）。整个发酵周期内水箱温度始终高于物料温度，能够连续不断地为物料增温。

整个周期内料表层温度变化平缓，在44.0～44.5℃之间波动；整个物料温度在51～55℃之间随着昼夜更替而波动，同一料层每小时温度最大波动幅度为 1.4℃；日温度最小波动幅度为 0.1℃。已有研究表明，温度发生波动会给沼气发酵带来一定的影响， 一般每小时温度上下波动不宜超过±（2～3℃）。本试验中，在整个沼气发酵期内， 每小时内的物料温度波动都远远小于± （2～3 ℃）。

总的说来，空气环境温度和蓄热换热水箱内水温呈周期性剧烈波动，而反应器内物料温度变化趋势相对平缓，每小时内同一料层温度上下波动不大于1.4℃，反应器内发酵物料温度受环境温度变化影响较小。物料能够不断从蓄热换热水箱中吸收热能，维持高温厌氧发酵。由此可见，该反应器具有较好的保温和增温效果，为沼气发酵微生物的生长提供了良好的温度环境，有利于获得较高的产气率。

2.2 产气效果

寒区车库式干法沼气发酵系统的日产沼气量情况如图 5 所示。从2015 年11月5日开始产气到2015年12月3日产气结束，28d总产气量为4647.73m3，日均产沼氣165.99 m3，平均容积产气率 0.83m3/（m3·d）（反应器容积按200 m3计算），最高日产气量226.199 m3，最高日产气率达到1.131 m3/（m3·d）。

发酵期内沼气甲烷体积分数变化如图 6 所示。在沼气发酵开始后的前 3 d，沼气中甲烷就由 50.4%快速上升到 55.1%，从第 4天到厌氧期结束，甲烷始终保持在 55%～60%范围内，沼气质量较好。

3 结论

本研究表明，在寒冷地区冬季气温不小于-19.7℃条件下，研制开发的寒区车库式干法沼气发酵系统物料温度在整个产气周期内始终维持在51～55℃之间，同一料层每小时温度变化不大于1.4 ℃，沼气生产不会产生波动。结合产气情况，整个产气周期内平均容积产气率达到0.83m3/（m3·d），最高日产气率达到1.131 m3/（m3·d），具有较高的产气率，同时产气甲烷体积分数整个产气周期内除前2d外都达到55%以上，具有较好的产气质量。因而说明本课题开发设计的寒区车库式干法沼气发酵系统，能够实现寒冷地区冬季稳定生产沼气，具有较高的平均产气率和较好的产气质量，解决了寒冷地区沼气越冬生产技术瓶颈。

参考文献

[1]柏建华.太阳能加热的恒温沼气池产气性能实验研究[D].兰州理工大学，2011.

[2]盛力伟，潘亚东，李剑，栾玥. 车库型干发酵技术在我国的实践 [D] .农机化研究，2014（2）：222-225.

[3]李超，卢向阳，田云，刘志丹，盛利伟，李剑.城市有机垃圾车库式干发酵技术[J] .可再生能源，2012（01）.

[4]朱德文，谢虎等.柔性膜覆盖车库式厌氧干法发酵系统结构设计与应用 [J].农业工程学报，2016，32（8）：177-183.

[5]曲浩丽，朱德文，陈明江，王鹏军，李瑞容. 柔性顶膜车库式干发酵系统中试运行试验 [J]. 中国沼气，2015，33（4）：42-48.

[6]孙静.严寒地区利用太阳能加热制沼气的实验研究[D].哈尔滨工业大学，2006.

作者简介：矫云学，男，硕士，高工，主要从事农村资源与环境研究。