PDF《地源热泵式沼气池加温系统》

第26 卷第2期农业工程学报Vol.

26 No.2

268 2010 年2月Transactions of the CSAE Feb.

2010 地源热泵式沼气池加温系统 石惠娴

1 ,王韬1,朱洪光

1 ,李永明

1 ,荣凌1,裴晓梅

2 (1.同济大学现代农业科学与工程研究院生物质能源研究中心,上海 200092;

2.同济大学机械工程学院,上海 200092) 摘要:沼气是适合在中国农村推广利用的可再生能源.为解决冬季沼气池产气量受低温影响的问题,该文分析了现有 的几种沼气池加温保温方式,提出了一种地源热泵式的新型加温保温方法,并在实际工程上进行了运行试验.结果表明: 地源热泵式加温保温方法能够使沼气池的发酵温度保持在(32± 2)℃范围内,池容产气率保持在 0.6 m3 /(m3 ・ d)左右,有时候 可以达到 1.1 m3 /(m3 ・ d).系统运行期间,地源热泵机组制热效率保持在 3.6 左右,系统 COP 为2.7 左右,一次能源利用 系数可达到 0.84;

相对于电热膜加温系统,采用地源热泵式加温系统节能率达到 63%,增加投资效益净现值为

40 188.5 元.与化石能源热水锅炉加温方式相比无污染,具体良好的环境效益.因此,地源热泵式沼气池加温是一种经 济合理、环保节能的加温方式,具有开发应用潜力. 关键词:加温,沼气,发酵,地源热泵 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2010.02.046 中图分类号:S216.4,TK529 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2010)-02-0268-06 石惠娴,王韬,朱洪光,等.地源热泵式沼气池加温系统[J].农业工程学报,2010,26(2):268-273. Shi Huixian, Wang Tao, Zhu Hongguang, et al. Heating system of biogas digester by ground-source heat pump[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(2): 268-273. (in Chinese with English abstract)

0 引言近年来,随着农村沼气建设和以沼气为纽带的生态 家园技术模式的推广,沼气在实施农业可持续发展战略 中发挥了越来越重要的作用.但冬季沼气池产气量很少, 甚至不产气的问题,严重制约了沼气在农村的使用和推 广,其主要原因是环境温度过低,降低了沼气发酵微生 物的活性. 由于在一定温度范围内,温度对发酵效率具有正向 促进作用, 合理控制温度在未来沼气工程中是非常必要 的[1] .一般情况下,沼气细菌在8~60℃范围内都能进行 发酵.10~26℃为常温发酵区.在这个温度条件下,池 容产气率可达0.15~0.30 m3 /(m3 ・ d) (池容产气率指沼气池 单位体积每天生产的沼气量);

28~38℃为中温发酵区 (最适温度为35℃) , 池容产气率可达1.0 m3 /(m3 ・ d)左右;

46 ~ 60℃? 为高温发酵区,池容产气率可达2.0 ~ 2.5 m3 /(m3 ・ d) [2-3] .因此,如果有一种加温方法,能使沼 气池的池温在冬天达到并保持在一个适宜的水平,就能 保证沼气的产气量,从而促进沼气的使用和推广. 目前沼气池加温方式有很多,其中常见的加温方式 收稿日期:2009-06-27 修订日期:2009-08-12 基金项目:国家科技支撑计划项目(2008BADC4B05) ;

国家科技支撑计划 项目(2008BAJ08D0)上海市科委项目(07DZ12050) ;

上海市科委科技发 展基金项目(09391910700) 作者简介:石惠娴(1969-) ,女,河北献县人,副教授,博士,研究生导 师,主要从事生物质能、多相流动特性以及与工程热物理专业交叉领域的 研究.上海 同济大学现代农业科学与工程研究院生物质能源研究中心, 200092.Email: huixian_shi@mail.tongji.edu.cn 通信作者:朱洪光(1974-) ,男,安徽阜南人,副教授,博士,从事生 物质能源工程研究.上海 同济大学现代农业科学与工程研究院生物质能 源研究中心,200090.Email: zhuhg@mail.tongji.edu.cn 包括电热膜加温、太阳能加温、化石能源热水锅炉加温、 沼气锅炉加温、沼气发电余热加温和燃池式加温6种.电 热膜加温技术就是在沼气池外表面敷设一层电热膜,然 后再敷设一定厚度的保温层以达到增温和保温的目的. 但这种方法却以消耗高品位电能为代价,节能性、社会 性不理想[4] ;

太阳能加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,由太阳能热水通过螺 旋换热管对料液进行加温[5-7] .该系统节能环保、操作简 单,可实现自动运行,但易受天气状况的影响;

化石能 源热水锅炉加温是以燃烧煤炭、石油等燃料的热水锅炉 为热源,通过换热设备加温发酵料液,使其达到并维持 沼气发酵所需温度[8] .燃烧会产生大量的烟尘和有害气 体,污染环境,同时能量利用率不高;

沼气锅炉加温, 即取用系统自身产生的一部分沼气,通过燃烧产生烟气, 高温烟气在反应器底部设置的管道中流动,给发酵池加 温,常用于高温发酵系统中[9] ,该方法加温效率高,同时 对设备和操作技术要求比较高;

沼气发电余热加温是在 沼气热电联产工程中,利用发电机组发电,同时燃气内 燃机将排放将近600℃的气体,高温气体中含有大量的余 热,通过余热回收系统中的换热器用余热加温发酵原 料[10-11] ,一般只应用于大型沼气工程;

燃池式加温是一 种设置在地下的进行燃料阴燃的地坑,池中燃料进行慢 燃,池盖和池壁表面根据调节可保持在中温发酵所需温 度.这种方法一次性投入低质燃料即可燃烧一个冬季, 无需人工管理[7] ,一般用于户用型沼气工程. 从以上

6 种常见的加温方式来看各有优缺点,从中 等规模养殖场废水治理工程实际出发,目前尚没有比较 经济合理、节能环保的加温方式.基于能源利用率和建 设成本的考虑,本工程开发了一种全新的沼气池加温方 第2期石惠娴等:地源热泵式沼气池加温系统

269 式,即以地热能为热源,通过地源热泵加温系统对料液 进行加温.

1 研究方法和对象 1.1 地源热泵式沼气池加温系统 地源热泵是利用浅层地热能进行供热制冷的新型能 源利用技术,通过卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量 和热量.本工程为满足冬季沼气池发酵温度的要求,以 地热能作为热泵加温的热源[12] .在冬季,把地下土壤的 热量与循环水进行热交换,使循环水温度提高,再通过 对地源热泵输入少量的高品位电能,实现低温位热能向 高温位转移,进而使得地源热泵机组出水温度达 45℃左右,热水在热盘管中,以辐射和对流的方式与发酵原料 进行热交换,使沼气池温度保持在中温发酵范围内.安 装温度自动控制装置现实温度自控,当沼气池内温度降 低到 30℃以下时,地源热泵机组自动启动,通过消耗电 能把地下水的热量转移到沼气池中热盘管内的热水中, 再对发酵原料加温;

当地源热泵机组的进、出水温差满 足7.5℃并且沼气池的温度在 35℃时, 地源热泵机组将自 动停止工作.地源热泵式沼气池加温系统如图

1 所示. 图1地源热泵式沼气池加温系统 Fig.1 Heating system of biogas digester by ground-source heat pump 图1中,地源热泵式沼气池加温系统主要由沼气池、 地下环路换热系统、地源热泵、热水循环系统以及相关 的控制系统组成. 1.2 研究对象 为了检验地源热泵式加温系统的运行性能及效果, 本研究以上海市崇明县港沿镇合兴村沼气集中供气示范 工程为对象,在2008-2009 年寒冷的冬季节进行了实际 试验研究.沼气池是该工程核心部分,主要作用是发酵 产气,有效容积 V=69.3 m3 .在池底和池壁加

7 cm 厚的 闭泡聚苯泡沫板的保温隔热材料,减弱了沼气池与大地、 空气的热传导.沼气池顶部覆盖塑料薄膜保温,覆盖面 大于池面以利于保温.另外,为了加快料液热传递,改 善加温效果,在沼气池安装了搅拌装置. 1.3 试验设计 本试验地下换热器采用单 U 作地埋管形式,地埋管 材料为高密度聚乙烯 (high density polyethylene, HDPE) , 根据研究对象的热工分析为基础,试验地源热泵系统........