太阳能在龙霸沼气工程中的应用

第1页共6页太阳能在沼气系统中的应用南京市浦口区龙霸茶叶合作社建有一套猪粪沼气系统。该系统不仅利用厌氧发酵技术对猪粪进行资源利用和无害化处理，而且为当地60户农户提供优质清洁的能源，还农村一个清洁卫生的生活环境。但是冬季过低的环境温度制约了沼气系统的正常使用，因此必须采取各种增温措施对沼气发酵装置补充热量。南京地区的气候具有光热时间较长，日光较充足等优点，适合开发利用太阳能。为此在综合了龙霸沼气工程的实际情况和当地的气候条件后，南京宏博环保公司设计了以太阳能作为热源的太阳能热管加热系统，从而保障了龙霸沼气系统在冬季正常运行，在春秋季大幅提高其沼气产量。1.龙霸沼气系统简介龙霸茶叶合作社沼气系统由收集与清杂系统、沼气发酵和进出料系统、太阳能热管加热系统、沼气输送贮存与利用系统、沼液沼肥贮存与利用系统等几个部分组成，系统组成及工艺流程如下图所示，猪粪经粪污收集系统自动排入格栅沉沙池，被截流了沉淀和漂浮物后进入酸化地，料液经初步酸化后进入沼气发酵装置。太阳能热管加热系统对沼气发酵装置内的料液进行加温，料液得到充分发酵。厌氧发酵后的部分沼液进入溢流地，多余沼液沼渣进入贮肥池。所产沼气用于农民厨房燃料。该系统通过废弃物收集、厌氧发酵处理和资源化利用，实现了零排放。该系统按照容积为300m³进行设计，沼气发酵装置的直径为7.4m,液面高度6.6m，内表有效面积约186㎡，该装置放在一个水泥平台上，在冬季最冷月份（12月），沼气池里料液温度需控制在15℃以上,才能确保正常运行。酸化调节池格栅沉沙池粪污收集器太阳能加热系统养猪场农户厨房沼气发酵装置沼气贮气柜茶园、菜地施肥冲洗猪场粪便沼液溢流池贮肥池第2页共6页2.太阳能热管加热系统设计2.1太阳能加热原理太阳能热管加热系统由太阳能集热系统，沼气池循环加热系统和控制系统组成，其工作原理为：由太阳能集热系统采集热能并通过盘管式换热器对沼气池内料液进行加热，系统采用定温控制，加热原理如图所示：2.2太阳能集热器的选择和接连方式目前，我国的太阳能集热器主要有平板型，全玻璃真空管型和真空热管型三种，平板型集热器具有集热快，价格低，承压高，耐热冲击性能好等优点，但该集热器具有工作温度低，不耐冰冻等缺点；全玻璃真空管集热器的热效率高，其成本低，而抗冰冻，夜间保温性能介于热管集热器和平板集热器之间，但是全玻璃真空管集热器的承压能力较低，耐热冲击能力较差，空晒系统注入冷水后有可能炸裂真空管，整个系统可靠性较差，一根管子破裂，整个系统需停用检修，玻璃管内易结垢，难清理。真空热管集热器的热效率最高，三者之中价格也最高，但其承压能力大，耐热冲击性能好，因真空管内不走水，即使空晒时上水也不会使玻璃管炸裂；耐冰冻，玻璃管内不会结垢，系统工作可靠性强，即使有玻璃管破损，系统仍可继续工作，具有“热二极管效应”，由于连接管内无水，夜晚水箱中热水不存在热能泄露的问题。本系统采用分离式真空热管集热器，连接方式为并联，并联连接可以避免串联引起的热效率降低。为了满足全年集热器的使用效率，集热器的最佳安装倾角45°。2.3集热面积为了保证在冬季该沼气系统仍有较高的产气率，太阳能集热系统的集热能力按南京市浦口区冬季最冷月份（12月）晴天平均太阳辐射量设计。在综合考考虑了太阳能集热器的集热效率、承热负荷、当地太阳能辐射量和布置集热器的现场实际情况后，决定布置规格为47×1600㎜×25支的真空热管集热器22组，总集热面积为69.74㎡。该集热器的技术指标如表—所示第3页共6页表一.单元真空超导热管集热器技术指标集热器集热器采光外形尺寸质量规格面积长×宽×高(每单元）/㎡/㎜/㎏47×1600×25支3.171800×1325×139068..62.4集热器的日均总集热量南京地区12月份平均太阳辐射量（朝南，45°斜面）约为13316kJ/(㎡.d)，则太阳能热管加热系统日均总集热量按下式计算，即Q加=AIηi（1-ηj）式中A-集热器采光面积，A=69.74㎡I-南京地区12月份集热器日均辐射强度13316kJ/㎡.dηi-集热器全日集热效率，取0.55ηj-管仅储水箱损失率，取0.1计算得Q加=459685.6KJ/d2.5螺旋换热管螺旋换热管材料为低碳钢，外径40㎜，内径32㎜，壁厚4㎜，长度96.7m2.6缓冲蓄能水箱在本系统中设置了一个水桶，该水箱主要用来起缓冲和储蓄当天太阳能的能量，在夏季可以供应沼气站工作人员淋浴热水，因此该水箱的有效容积为4㎡2.7自动控制系统集热器与水箱的换热采用重力自然循环（热管内的介质受热沸腾汽化，在冷凝段冷凝，放出热量并液化，由重力作用返回集热器，因此不需要进行控制。2.7.1沼气发酵装置循环加热当料液温度＜设定温度（通常模式15℃，可调）并且水箱温度与料液温度的温差＞3℃时，热交换循环泵打开，通过螺旋加热管对池水进行加热，当池内温度≥设定温度（通常模式17℃，可调）时，热交换循环泵自动关闭。2.7.2水箱的补水水箱补水为恒水位控制。当水箱水低于设定高度时，电子浮球阀自动打开，对水箱进行补水，当水箱水位高于设定值时，电子浮球阀自动关闭。第4页共6页3.太阳能热管加热系统热平衡计算为了验证太阳能热管加热系统是否能满足工作要求，对该系统的热负荷进行了理论计算。3.1沼气发酵装置的热损失计算3.1.1沼气发酵装置散热损失的热量龙霸沼气发酵装置几何尺寸见上图，发酵装置的外表面覆盖保温层，以减少损失，由于筒壁所引起的热阻与保温层相比较小，可以忽略不计，因此该发酵装置筒体内、外壁温度可视为相同，根据设计要求，保温层内表面温度t1=15℃，外表面温度为t2=5℃，保温层内外半径分别是R0和R1，此时传热过程包括保温层的热传导和保温层外壁与环境空气的对流导热，因此热损失速度可表示：t1-t2V=（W）1R01Ln+2πL入R12πR0Lx保温材料：聚氯乙烯保温板，厚度：10cm，入=0.04652w/(m·℃)其中x—对流传热系数,取10w/(m·℃)，筒体高度Ｌ=6.6ｍ计算得V=７.１４２８５ｗ，所以筒体保温层的热损失Ｑ1=６１７．１KJ/d由于筒体上部有1.4m的空气层，空气的导热系数很小，并且锥形顶盖覆有同样厚度的保温层，因此此处的热损失忽略不计。第5页共6页由于沼气发酵装置是直接放置在混凝土台阶上，与地面相连的混凝土厚度与大地相比尺寸很小，因此可以忽略不计，土壤系统的传热问题，目前尚无令人满意的计算公式，作为一种估算，可将筒体底面散热视为恒壁温半无限大导热问题，取土壤的入=0.5w/（m.℃）,ρ=1500kg/m3CP=1.9KJ/d，由于沼气发酵装置的底部壁厚远远小于其高度，可将其散热设为大平壁散热问题，利用恒壁温半无限大导热公式，即Q2=2FTCptF—传热面积，F=πr2=3.14×3.72=42.9866㎡，传热时间T=86400S，冬天12月份假设土壤温度为8℃，则温差t=7℃Q2＝２×４２．９８６8640014.39.115005.0×7=11836.6KJ/d所以整个筒体的热损失为Ｑ=Q1+Q2=６１７．１KJ/d＋１１８３６．６KJ/d=１２4５３．７KJ/d3.1.2进出料损失的热量进出料损失的热量计算公式为Q3=CM2（t1-t2）式中：C-料液的比容量（新鲜料液浓度比较低；约为8％，可近似取水的比热量，C=4.2KJ/(㎏.℃)㎡-每天进入沼气池的新鲜料液量。M2=15000㎏t1-沼气池内料液的温度，t1=１5℃，t2-新鲜料液的温度，t2=8℃计算得Q3=441000KJ/d每天沼气池总的热量损失为Q=12453.7+441000=453453.7KJ/d3.2沼气池获得热量计算3.2.1厌氧发酵反应产生的生物热沼气池厌氧消化过程的反应随处理的物料不同而异。转化牲畜粪便成为甲烷所产生的反应热，可有发酵料液有效能量（16.95KJ/㎏）的3%以热量的形式放出而求取，每天新增加的料液为15000kg，所以发酵时所产生的总热量为QK=7627.4KJ/d沼气池可以获得的热量Q0=QK=7627.4KJ/d3.3系统每天总热负荷系统每天总热负荷Q总=Q-Q0=453453.7-7627=445826.7KJ/d结合太阳能热管加热系统每天可以提供的热量可知，Q加＞Q总，所有该太阳能加热系统完全可以完成其每天的加热任务，保障沼气系统在冬季的正常运行.4系统效益的分析评价4.1经济效益4.1.1沼气系统提供的热量由上可知太阳能热管加热系统在冬季可以为沼气系统提供的热量。那么，每年可供给的能量为357051.0MJ，相当于24370kg的标准煤炭完全燃烧所释放的能量。可以节约燃烧费用21870元，并且无运行成本，不需要专人管理。4.2环境效益第6页共6页本套系统是沼气综合节能系统，符合建设生态家园的理念，并且绿色环保、可持续循环利用。其加热方式优先使用了太阳能，符合国家环保政策，利国利民。一次投资，长期收益，无污染无噪音，无废弃物排放，节能环保意义重大。5结束语⑴龙霸沼气系统将养殖场猪粪进行了资源化处理，并且利用发酵后的沼液冲洗猪圈，以及作为果园菜地施肥。不但获得了能源，节约了宝贵的水资源，还保持了农村的环境卫生。⑵太阳能热管加热系统能够在冬季对沼气系统进行热量补充，解决了南京地区沼气系统不能正常运行和产气率低的问题。⑶通过热负荷计算可知，太阳能热管加热系统完全可以满足沼气系统对热量的需求，使冬季沼气池内温度平均保持在15℃以上。⑷太阳能热管加热系统还可以在夏季为沼气站工作人员提供洗浴热水，全年节约燃烧费用21870元，并且无污染。