沼气发酵罐恒温系统设计

沼气发酵罐恒温系统设计

倪 越1，丁文捷2

【摘 要】 针对宁夏气温及出租车用气的需求，利用产气-产热-恒温-产气过程模型，设计了沼气发酵罐恒温系统。秸秆发酵产生沼气，沼气加压成天然气用于出租车用气，取部分沼气燃烧生成热量用于预热发酵料液，减少循环水管道散热损失、发酵罐散热损失。并和国内外大中型沼气工程中常用的热水循环加热法作对比。结果表明：沼气发酵罐恒温系统(罐外预热发酵料液的方法)，减少沼气及其他能源的使用，所需的沼气用量是总产气量的15.3%。 【期刊名称】农业工程 【年(卷),期】2017(007)006 【总页数】5

【关键词】 沼气；厌氧发酵装置；热损失；恒温系统

0 引言

开发厌氧发酵产沼气以供给城市出租车系统的新能源项目符合我国现阶段社会发展的需要。当今世界注重环保，汽车节能减排加入到环保大军当中。银川市出租车数量众多，多用沼气，为满足出租车用气要求，建立大型的沼气生产工厂就非常必要。要让工厂生产沼气就得设计沼气发酵罐，而发酵罐在冬季易受温度影响，因此需要控制发酵罐温度。针对周年化运行的要求，采用产气-产热-恒温-产气的路线，设计计算最低沼气产能需求条件下的装备容积、结构、保温和加温装备。

有学者提出，沼气池的加热方式主要包括电热膜加热、太阳能加热、化石能源热水锅炉加热、沼气锅炉加热、沼气发电余热利用和燃池式加热6种[1-3]。对

于当今国内外的规模化大中型沼气工程而言，大多数都采用热水循环加热法，从目前实际应用来看，主要有沼气锅炉加热、太阳能加热和沼气发电余热利用加热3种方式[1]。

本研究设计的恒温装置从沼气发酵的源头进行考虑，中温沼气发酵的温度需稳定在35 ℃左右，大多的沼气料液加热方式使用的是热水循环加热方式，而本恒温装置，开发了一种新的发酵罐保温方式，沼气发酵料液投入到沼气发酵罐之前就进行预热，减少发酵罐总体热量损失，提高沼气的利用率。

1 恒温系统概述

沼气发酵罐恒温系统设计是为了将沼气发酵产生的气体有效地用于银川市全市出租车用气。发酵沼气的装置，根据需要沼气的用量，设计为沼气发酵罐。为了保障沼气发酵罐在冬季也能恒温产气，必须设计恒温系统。把沼气发酵罐安装在一个密封的建筑物内，这个建筑物的大小是根据沼气发酵罐的体积来定的，是在沼气发酵罐的基础上留有空气夹层，该墙体内的空气夹层的宽度是根据人体宽度确定的(本设计取空气夹层宽度800 mm)。因空气的导热系数比较小，所以适宜保温。产气-产热-恒温-产气过程模型如图1所示。发酵原料在沼气发酵罐进行中温发酵后产生沼气，取部分沼气燃烧生成热量预热发酵原料，达到中温发酵温度后，投入到发酵罐中。

2 厌氧发酵罐的基本参数

2.1 设计参数

主要技术参数：管路气压0～3 kPa(表压)，发酵温度0～60 ℃；极端气温-25 ℃；产能1万Nm3，如表1所示。 2.2 发酵料液配比

料液为人粪∶鲜猪粪∶稻秸秆∶水。干物质的含量为20%、18%和80%。配料比(湿质量)为59∶59∶59∶522。沼气转化率比为0.375∶0.426∶0.366[4-5]。

3 发酵装置能量平衡分析

3.1 恒温系统设计 3.1.1 保温室的结构

保温室是由钢筋混凝土墙体加保温材料组成的。沼气发酵装置放在带有空气夹层的墙体中。利用空气导热系数比较低的原理。 3.1.2 保温室钢筋混凝土墙体和保温材料

常见类型复合墙体简化后的主要构造形式：水泥砂浆，钢筋混凝土墙，EPS保温板，抗裂砂浆[6-8]，如表2所示。

保温室墙体是矩形的。根据发酵罐的大小来确定墙体的结构。墙体的直径D=27 430 mm，高度为16 250 mm。 3.2 热量恒算

对该发酵系统进行热力学分析，该系统为开口系统，其中系统的输入为生物质能，系统地输出为沼气，出渣以及系统向环境散发的热量。系统的能量平衡主要受以下5部分的影响：①维持恒温发酵由保温系统提供的热量；②发酵过程产生的生物热：③罐体的散热损失；④预热发酵原料所需的热量；⑤沼气带走的热量。由上述分析可知，沼气发酵罐的热量平衡方程为[9]： Q=Qb+Qs+Qw+Qg (1)

式中 Q——加热装置的热负荷(预热发酵料液的热负荷)，J/d Qb——每天由发酵过程产生的生物热，J/d