劉偉，周闖，秦國輝，王玉鵬

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150027）

　　摘要：分別設(shè)計了發(fā)酵反應(yīng)器外部加熱工藝和沼液余熱回收工藝。反應(yīng)器外部加熱工藝較常規(guī)罐內(nèi)換熱能夠增加沼液與加熱面的接觸面積，加快換熱速度，提高系統(tǒng)換熱效率。沼液余熱回收工藝能夠?qū)⑴懦稣右旱?0%以上余熱進行回收，作為新進物料的熱源，使其溫度快速提升至正常發(fā)酵溫度。通過兩種技術(shù)共同實施，可使發(fā)酵系統(tǒng)冬季總體節(jié)約近一半的能耗，有效解決了現(xiàn)有寒區(qū)沼氣工程冬季加溫能耗高、熱流失大等行業(yè)共性問題，為嚴(yán)寒地區(qū)沼氣工程冬季增溫提供一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟的增溫技術(shù)。

　　1引言

　　黑龍江省是我國重要的種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)大省，大規(guī)模的種養(yǎng)業(yè)保障了我國肉蛋奶和充足的糧食供給。但大量的種養(yǎng)業(yè)廢棄物隨之產(chǎn)生，合理利用率不高，農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重。沼氣作為具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜕锬茉矗菍崿F(xiàn)能源可再生利用的重要部分，也是解決生態(tài)污染的重要手段。從《2015年畜禽養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)化示范創(chuàng)建活動工作方案》的推廣可知，大力發(fā)展沼氣項目，建立合適的沼氣示范工程已成為種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化的必然趨勢。采用厭氧發(fā)酵技術(shù)可有效利用畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈等廢棄物制取清潔的沼氣能源，提供有機肥料，增加作物品質(zhì)，改善土壤活性，是解決種養(yǎng)業(yè)廢棄物污染的有效途徑[1-3]。然而，由于黑龍江省冬季長達半年的低溫環(huán)境，發(fā)酵罐缺少必要的保溫增溫技術(shù)，加上低的產(chǎn)氣率、高的原料收儲運成本、粗獷的管理，使現(xiàn)有的沼氣工程冬季處于停產(chǎn)狀態(tài)，并未起到沼氣工程應(yīng)用的作用。

　　目前，沼氣工程發(fā)酵反應(yīng)器的換熱方式主要有兩種[4-6]，一種是在發(fā)酵罐體內(nèi)或發(fā)酵罐外側(cè)壁設(shè)置加熱盤管。發(fā)酵罐內(nèi)的加熱盤管一般布置于發(fā)酵罐底部或立于內(nèi)側(cè)壁，也可以是底部和內(nèi)側(cè)壁組合加熱，換熱效率低，熱損耗大[7-8]。另外一種是在發(fā)酵反應(yīng)器外間接加熱，即通過水一發(fā)酵料液換熱器加熱發(fā)酵料液，補償發(fā)酵反應(yīng)器殼體及管道的熱損失[9]。研究結(jié)合現(xiàn)有的增溫?fù)Q熱形式，針對嚴(yán)寒地區(qū)發(fā)酵反應(yīng)器外部加熱，提出兩種可行的增溫技術(shù)，為嚴(yán)寒地區(qū)大型沼氣工程的建設(shè)提供理論依據(jù)。

　　2沼氣工程增溫現(xiàn)狀

　　與南方省份不同，我國北方嚴(yán)寒地區(qū)冬季寒冷漫長，氣溫較低，使得現(xiàn)有沼氣工程在嚴(yán)寒地區(qū)冬季運行時很難持續(xù)高效運行，很多早前建設(shè)的沼氣池都只是采用了磚混結(jié)構(gòu)，沒有保溫蓄熱措施，外部散熱較大[10-12]。也有一些沼氣工程的加熱增溫方式設(shè)計不合理，熱能利用率低，即便可以維持運行也需提供大量外界熱源用于系統(tǒng)運行的增溫，經(jīng)濟效益顯著下降。沼氣工程的加溫?zé)崮軄碓粗饕且匀济哄仩t為主，龐大的能源開銷背后必然伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境污染[13-14]。以上諸多問題導(dǎo)致了我國嚴(yán)寒地區(qū)沼氣工程的廢棄物降解率低，產(chǎn)氣率低。大多數(shù)現(xiàn)有沼氣工程冬季不能正常產(chǎn)氣，沼氣發(fā)電機不能正常發(fā)電，冬季有機廢棄物處理量小，速度慢，沼液沼渣等有機肥不能及時供應(yīng)，使沼氣工程失去了降解、治污的重要功能，嚴(yán)重制約了提供我國北方地區(qū)沼氣行業(yè)的發(fā)展[15-17]。

　　如圖1所示，嚴(yán)寒地區(qū)冬季沼氣工程發(fā)酵反應(yīng)器能耗高的因素主要有兩方面：一是排出的沼液帶走大量熱量，新進物料溫度較低，需要大量的熱能使其加熱至發(fā)酵溫度，約占總能耗比重55%。二是反應(yīng)器罐體向外散失大量熱能，約占總能耗比重44%。管道散熱及沼氣中帶走熱量所占比例不足1%，忽略不計。可以看出，降低反應(yīng)器罐體的熱量損失，提高排出沼液的熱量回收率，是解決北方寒區(qū)沼氣工程冬季能耗過大的主要途徑。

　　3換熱工藝設(shè)計

　　根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)沼氣工程的工作環(huán)境，設(shè)計了采用鍋爐和沼液余熱聯(lián)合作為發(fā)酵反應(yīng)器增溫的低位熱源，解決現(xiàn)有沼氣工程冬季加溫能耗高、熱流失大、用能重等行業(yè)共性問題，為嚴(yán)寒地區(qū)沼氣工程冬季運行提供一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟的增溫技術(shù)。

　　3.1外部增溫?fù)Q熱技術(shù)

　　圖2所示為采用外部循環(huán)換熱形式的增溫系統(tǒng)示意圖。換熱器內(nèi)主要有三條主管路，即沼液循環(huán)管路、熱媒循環(huán)管路、加熱循環(huán)管路（鍋爐熱水）。蒸發(fā)器內(nèi)經(jīng)過風(fēng)機作用產(chǎn)生一定負(fù)壓，熱媒以液體形式進人蒸發(fā)器，受熱后蒸發(fā)成氣體迅速吸收熱水管路中的熱量，然后以氣體形式通過熱媒管路至冷凝器端。冷凝器內(nèi)經(jīng)過風(fēng)機作用產(chǎn)生一定正壓，熱媒進人冷凝器后液化成液體，同時迅速釋放出熱量為沼液循環(huán)管路中的物料加熱。其中，熱媒依靠的是風(fēng)機的吹力和吸力進行循環(huán)，依次保持循環(huán)進行吸熱和放熱，使發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)物料加熱增溫。

　　3.2沼液余熱回收利用技術(shù)

　　如圖3所示為沼液余熱回收利用系統(tǒng)示意圖。同理，將蒸發(fā)器管路閥門切換至沼液排出口，冷凝器管路閥門切換至鮮牛糞進料口。此時，熱媒在蒸發(fā)器內(nèi)吸收排出沼液中70%以上的熱量，傳輸至冷凝器中為新進物料進行加熱升溫，使物料在進入反應(yīng)器之前，利用沼液的余熱回收熱能為其加熱增溫，降低后續(xù)的反應(yīng)器加溫能耗。

　　4結(jié)論

　　設(shè)計的反應(yīng)器外部換熱增溫技術(shù)，使反應(yīng)器內(nèi)物料的加熱增溫和新進物料的加熱增溫分時共用一套換熱裝置，降低設(shè)備成本，提高換熱器的使用頻率。采用外部換熱形式，利用冷媒的物理狀態(tài)改變進行熱量傳遞，增加換熱接觸面積，提升物料的增溫響應(yīng)速度，換熱效率高于傳統(tǒng)的內(nèi)換熱形式。同時，物料的外部循環(huán)也能起到一定的攪拌作用，有助于反應(yīng)器內(nèi)物料的混合接種及溫度的均勻傳遞。實際運行中，每天進、出料量相等，出料沼液溫度為35℃，新物料溫度約為10℃。理論上，將出料沼液中熱量回收，完全能夠滿足將新進物料溫度提升至35℃、新進物料不需要額外耗能就可以達到正常發(fā)酵溫度。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，發(fā)酵系統(tǒng)冬季將能夠節(jié)約將近一半的能耗。