农村沼气发酵温度控制技术及经济性分析

项阳阳，高正阳，李仕平，欧炜，黄哲平，薛圆圆

（华北电力大学，能源与动力工程学院，河北保定071000）

　　摘要：沼气是一种清洁、绿色能源，温度是保证高效生产沼气的关键条件之一。该文对比分析了几种沼气生产增温技术，建立了一个8m³的沼气池模型，对模型的热平衡及几种加热技术的经济性进行了分析和计算，结果表明：太阳能热水器水循环沼气池加热系统更为经济有效。

　　我国是农业大国，农村人口约占全国人口的70%，其消费的能源中绝大多数属于生活用能，每人每年的能源消耗量虽然比较少，但消耗的能源量相当于369.5kg标准煤^[1]。长期以来，农村以薪柴和木炭为主要能源，许多地区出现木柴消耗速度超过林木生长速度，森林植被受到大面积破坏，加速了土地生产能力下降，甚至导致土地沙漠化。再者，燃烧薪柴木炭能源利用率极低，燃烧烟气会给大气造成严重污染，破坏农村生活环境。

　　沼气是一种清洁便捷的绿色能源，其主要成分是CH₄，燃用1个单位的CH4气体，可减排21个单位的CO₂^[2]。沼气在提供清洁能源的同时，能够缓解我国能源与环境压力，实现节能减排，建设节约型社会。我国北方地区是农作物秸秆及畜牧业禽畜粪污等生物质能源主要产地，具有开发沼气的巨大潜力。

　　温度是保持高效产气的关键^[2]，因此，采用升温保温技术控制沼气池温度非常重要。目前已开发出太阳能热水器水循环加热、锅炉水循环升温及电加热膜增温等技术，且得到广泛应用。但是对于沼气池温度低的主要原因及加热技术的经济性尚缺理论分析。本文在对1个8m³沼气池模型进行热平衡分析的基础上，探讨了造成沼气池低温的主要原因，分析了几种加热技术的经济性。

　　1温度对沼气发酵的影响分析

　　适宜的温度是沼气发酵的重要外部条件。根据反应所处的温度不同，沼气发酵可分为常温发酵、中温发酵和高温发酵，如表1。

　　研究表明，在15～40℃范围内，随着温度的升高产气率相应地增高，温度每上升10℃，反应速率约增加2～3倍^[3]。也就是说，同一种发酵原料在35℃的条件下发酵一个月相当于15℃条件下发酵6～9个月的产气量。不同发酵温度的产气率（m³/（m³·d））与温度（℃）的关系如图1所示：

　　当沼气发酵温度低于10℃时，微生物进入休眠，产气量少，沼气则根本无法正常使用。另外，温度的波动也对产气率影响很大。例如在恒温发酵过程中，1h的温度上下波动不能超过2～3℃，短时间内温度升降5℃，产气量将明显下降，波动过大时甚至会停止产气^[4]。因此，保持适宜稳定的沼气发酵温度，才能维持较高的产气率。

　　2常用的沼气发酵温度控制技术

　　为解决我国北方农村冬季低温严重影响沼气生产的问题，近年来，人们对如何提高及控制沼气池反应温度，因地制宜进行了研发和实践，推出了不少增温控温技术。笔者就目前应用较为广泛的几种沼气发酵增温控温技术介绍如下：

　　2.1电加热膜 增温保温系统电加热膜增温保温系统是运用电流通过金属导体发热的原理，将电能转化为热能为沼气池加热。沼气池电加热系统由于金属导体的材料、结构不同而形式多样，这里介绍一种电加热膜为沼气池加热升温的系统。

　　该系统即在沼气池的外壁上包覆一层电加热膜，在电加热膜的外层敷设具有一定厚度的苯板或聚氨酯泡沫，对整个沼气池加热系统进行保温。该技术的显著优点是升温均匀、处理时间短、能量转换率高且不易受外界环境（地域和天气等）影响，一定程度上解决了沼气池在冬季的加热和保温问题。然而由于电加热系统需消耗不少高品位的电能，其节能性及社会经济性并不佳。

　　2.2锅炉水循环沼气池 增温系统锅炉水循环加热沼气池技术原理为由燃料在锅炉中燃烧释放大量热能来加热循环水，热水通过循环管路送到与沼气池结合为一体的换热器中，换热器则将热水中热能传递到沼气发酵的液料中，实现沼气池反应温度的提升。锅炉水循环系统主要由小型热水锅炉、贮热水箱、热交换器、循环管路及系统补水装置等构成。常见户用锅炉多以AⅡ煤或天然气作为燃料，热水锅炉的局部结构因燃料不同而略有差异，但整体锅炉水循环加热沼气池的原理及基本结构是一致的，其结构如图2所示：

　　2.3太阳能热水器水循环沼气池 增温系统太阳能热水器水循环加热系统主要有太阳能热水器、换热器、单片机控制系统、循环水泵以及其它辅助部件组成。该加热系统采用太阳能热水器作为主要的加热部件，并通过循环管路将热水输送到沼气池的换热器，换热器向沼气池中沼液放热，提高和保持沼气池的温度，从而提高沼气的产气量。系统工作原理如图3所示：

　　采用太阳能热水器水循环沼气池升温系统后沼气池在冬天的产气量能提高5～6倍，由温度传感器和单片机实现完全自动化控制，方便高效，且太阳能作为加热热源，具有较为理想的社会性和节能性。由于太阳能利用受天气影响较大，使其推广有一定的局限性。为弥补这一缺限，目前已经开发出太阳能－沼气锅炉及太阳能－生物质炉等联合沼气池升温系统，提高了系统性能和稳定性，成效显著，颇具推广应用价值。

　　3沼气池的热量平衡建模

　　3.1研究对象及参数本文研究的对象是我国北方农村户用沼气池，一般一个8m³的沼气池所产沼气能够满足一个5口之家农户的生活用气。笔者以一个8m³的圆筒形沼气池作为计算对象，沼气池直径2.4m，高1.77m，池底距地面2m。假定该模型处于河北省保定市某一农村，根据中国气象科学共享气象数据，保定市地面温度和地深1m深处温度全年变化情况如图4：

　　式中G为生产沼气的价值（元/m³）；qzq为沼气的热值，取23901.1kJ/kg；V为加热装置运行时间内的沼气产量，即1152m³；q为天然气的热值，取35982.5kJ/m³；D为天然气价格，取2010年北京天然气价格，即2.3元/m³。经计算，加热装置运行期间产生的沼气价值为1759.97元。

　　根据热平衡计算结果，在加热装置供热期间总的热负荷为4050773.97kJ。电加热法大约需要耗电4050773.97÷3600=1125.215kW·h，按市场价格折算为1125.215ⅹ0.48=540.103元；锅炉水循环加热法需要燃烧AⅡ类煤（优质炭）4050773.97÷15664.7=258.592kg，按市场价格折算为258.5920.85=219.804元；需要消耗天然气4050773.97÷35982.5=112.577m3，按市场价格折算为112.5772.3=258.925元。

　　上述分析中设定几种沼气池升温系统运行时间均为每年6个月，又设定系统使用寿命为20a，针对不同的加热方案，就其成本、运行费用、产出效益等指标逐一进行分析比较，具体结果整理如表4：

　　分析表4中数据，太阳能热水器水循环升温系统、燃气锅炉水循环升温系统、燃煤锅炉水循环升温系统及电加热膜增温保温系统的产出效益比为1.375∶1.176：1.211∶1，显然采用太阳能热水器水循环升温系统的经济性最高。

　　5结论

　　（1）建立1个8m³的沼气池模型，设定参数并对模型进行热平衡分析。

　　（2）散热损失是造成沼气池温度低的关键原因，因此对沼气池采取有效的保温措施十分必要。

　　（3）1～3月、10～12月的热损失率为62%，在这6个月中需要对沼气池加热升温以保证正常产气，在4～9月则可不需要加热。

　　（4）太阳能热水器水循环、燃气锅炉水循环、燃煤锅炉水循环及电加热膜增温系统的产出效益比为1.375∶1.176∶1.211∶1，因此采用太阳能热水器水循环升温系统的经济性最高。

　　参考文献

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　　[5]王晓超，贺光祥，丘陵，等.太阳能热管在沼气工程中的应用[J].农机化研究，2008（7）：204－207.

　　[6]付秀琴，陈子爱，邓良伟.规模化猪场粪污处理沼气池容积确定[J].中国沼气，2002（20）：21－27