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低温地区太阳能加热沼气沼液增温提高产气量技术

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学社编辑 发表于 2019-10-6 14:06 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
随着政府大力改善民生,推进农村能源结构调整,我国农村地区户用沼气池数量连年增加。沼气作为一种新能源,无污染,热值高,具有很好的利用价值以及应用前景。我国北方地区冬季寒冷,通常采用电加热或其它方式来改善冬季沼气池的工作环境,但是这些方式能耗大,成本高,实际效果不明显。针对北方地区户用沼气池冬季无法正常产气的问题,崔俊奎研究利用太阳能加热沼气池的方式,使沼气系统一年四季都可以产气,沼气产量得到了提高。本文从我国农村家庭的实际情况出发,研究设计性能优良、投资少、效益高、经济实用的太阳能沼气池热力系统方案,为解决我国北方地区推广使用沼气所遇到的问题提供了有效途径,对于加快推进沼气利用、改善农村能源结构、减少环境污染、提高农民生活质量都具有现实和重要的意义。
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1 方案选择
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" e4 M4 L  D1 x0 M温度是沼气池发酵的一个重要条件,它直接影响沼气发酵微生物的活性,是沼气生产的关键。农村户用沼气池都是在常温下发酵(10~26°),发酵温度随季节变化,夏季温度高,产气好,冬季温度低,产气少,甚至不能正常生产。对于北方地区,冬季平均气温在0°以下,必须采取保温加热措施,以保证沼气池正常产气。: N" S1 {. l$ \, T) _) \2tech.cn

+ i1 o' S# r  r. j目前,保证沼气池冬季正常产气的措施主要有实施保温、余热利用以及能源消耗产热3个方面,保温加热方式对比见表1。沼气池保温设计主要有3种方式:将沼气池放置在塑料大棚内,利用塑料膜阻隔地热散失来达到保温的目的;将沼气池放置在太阳能暖圈内,形成“三位一体”的模式进行保温;在沼气池周围建造环形沟,利用粪草的发酵散热来达到保温的目的。余热升温的主要方法有“猪-沼-炕”三结合,利用灶炕的高温烟气向沼气池进行传热,达到升温的目的;利用锅炉的高温烟气加热沼气池。能源消耗产热加热沼气池可分为利用传统能源以及新能源两方面,利用传统能源即燃烧一定的秸秆以及利用电加热来达到为沼气池升温的目的;利用新能源包括利用地热能以及太阳能。
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% T! V% l6 H+ d6 n# X/ A' f! M由表1可看出,与其它沼气池保温加热方式相比,利用户用太阳能热水器加热方式具有明显的优势,经济合理、无污染、使用方便,适宜农村家庭采用。
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2.1 系统组成及工作原理, P& z# z$ C6 O$ V4 L, {) G3 z2tech.cn
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太阳能沼气池系统由太阳能收集系统、热能储存与输送系统、沼气池加热器、水循环加压装置及辅件组成。系统组成结构如图1所示。
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自来水通过补水装置进入太阳能集热系统,在太阳能集热器的作用下将水加热,流入循环水箱;当循环水箱的热水达到预定温度时,控制阀打开热水流入蓄热水箱,蓄热水箱的热水通过管道向沼气池加热器提供热量,保持沼气池所需的发酵温度,以满足沼气生产条件,经换热后降温的低温热水在加压装置或水泵(作为备用)的作用下,流回太阳能集热系统再进行加热,如此往复循环工作。为适应特殊天气,在热水循环系统中加设了电加热器作为备用。8 z2 Y2 |, \! r+ f0 H3 T2tech.cn

) z0 O8 X! g3 y6 K. u  y7 G' n& v2.2 系统结构设计/ `! m2 d' E4 m- [- x2tech.cn

- y! ]4 g+ y; r6 d1 D2.2.1 太阳能集热器的选择
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5 G2 M9 e" t$ o. L: M) e! o①太阳能集热器集热量的计算8 \& t* R/ Z# q8 ?0 |" P& P0 L2tech.cn

- [, k; d1 K$ X/ c2 I' X太阳能集热器是热量的收集部分,以沈阳地区一个8m3户用沼气池为例,选择2块平板型集热器,集热器面积为4m2,沈阳地区太阳日辐射量为11.8MJ/m2,按照集热器的集热量计算公式:" n1 Q. E. J, a3 W1 E& P2tech.cn
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②基于TRNSYS的太阳能集热量的验证6 d1 b5 H5 r; B# a- Z6 {" N# K; A2tech.cn

# b  R$ \5 a' h4 m运用TRNSYS,CFD软件进行太阳能集热器最佳进出口水温模拟计算。模拟计算时,需要环境参数读取模块、带循环水箱的自然循环太阳能集热器模块、输出模块、绘图模块,因此分别选择Typel09 -TMY2,Type45a,Type25c,Type65c。TRNSYS软件附带有世界部分城市环境参数,因此可以直接使用Typel09-TMY2模块读取。如图2所示建立链接。% L' J" K* a1 H; n2tech.cn
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在参数设定部分,按照换热器出水温度并考虑管路散热,以25°作为太阳能集热器进水口温度来模拟实际情况。模拟结果如图3所示,可以看出,在沈阳地区,太阳能集热器收集的热量与计算的热量基本一致。  J1 y8 ^" r& J0 v; j$ J& z$ |2tech.cn
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2.2.2 循环水箱、蓄热水箱的设计
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6 O, ~0 f& Y5 V$ W/ z3 ]9 I蓄热水箱用来储存太阳能收集的热量,当循环水箱的水温达到设定值45°后进入蓄热水箱。设置蓄热水箱可以起到调节热量供需平衡,弥补太阳能间歇性的缺陷,以满足用户全天24h使用热水。
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0 |/ E: c/ _: S根据传热学原理,物体的散热量与其表面积成正比,故采用圆柱形循环水箱和蓄热水箱,以减少散热损失。循环水箱体积为30L,蓄热水箱体积为120L。根据圆筒体积与表面积关系,利用MATLAB软件绘图,可以确定最小表面积的循环水箱直径为300mm,长度为450mm,蓄热水箱直径为600mm,长度为450mm。水箱内径与表面积关系如图4,5所示。
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3 s7 y& g' P3 `$ Z5 `" `2.2.3 加热器设计
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①热负荷计算) S& h- B; @$ c4 Z4 R2tech.cn

) L# h, s9 S( s; m: I2 S( W沼气池在正常产气情况下,池内温度变化不大,加热负荷主要是池壁散热量。因此,冬季保持沼气池正常产气状态,沼气池的热负荷可通过散热量计算公式得到:0 h- E8 Q# F5 Z, [0 o5 H2tech.cn

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②加热器结构参数3 \( V( }7 m/ w  h$ |) T2tech.cn

5 a8 h& T) ^' ~" b, S/ R1 m加热器采用蛇形管圆形换热器,进、出口热水温度设计值为45/30°,根据沼气池散热量,结合太阳能集热器集热量,计算出换热器面积为1.85m2。选择不锈钢管作为换热管,外径为25mm,壁厚5mm,管排间距为100mm,设置8排,总长约为10m,管外壁采用翅片并且加涂环氧树脂层,用来防止沼液对换热管的腐蚀。  Y5 {! m" x$ e9 `2 y0 L5 y2tech.cn

+ l1 G- N# H* f8 W$ o% x( A7 T③加热器的安装
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考虑沼液原料多为农作物秸轩,在沼气池下部设置孔板,孔板下面安装蛇形管圆形换热器,这有利于加热底部料液。同时,为不影响装出料,原料由进料口进入后堆积在孔板上面,原料堆沤发酵后,沼液会通过板孔流入板下方,此时加热器与沼液进行换热,加热升温,热气体向上流动,使物料得到均匀加热。
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2.2.4 自助加压装置的设计) A6 p8 _( G  [0 Q6 ]; o7 H2tech.cn
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沼气池一般设在地平面以下,而热水箱设置高于沼气池,因此,热水必须依靠外界动力才能完成加热-放热过程的热力循环流动,通常由水泵来完成热力循环。考虑节约电能,降低运行成本,研发了自助加压装置,借助自来水压力实现无能源消耗水循环,而将水泵设置在旁路中,作为备用。7 M8 e+ i- u1 R7 f2tech.cn

& x- g0 B+ J' j; W* Q; d自助加压装置如图6所示。该装置在循环水进出口处分别设有单向阀,完成换热后的低温水在重力作用下流入蓄水层,当水箱内低温热水充满时,弹簧被压缩,自来水开关打开,在自来水压力与弹簧的合力作用下,活塞板向上移动,推动水箱内的低温水向上流回循环水箱内。如此反复,形成热水的循环流动。, N! H* _6 ?* g5 s; X8 R2tech.cn
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2.2.5 辅助电加热器选择. }! E9 V) {$ p- [/ O2tech.cn

2 ]* ?  L; f# o考虑到极端天气可能导致太阳能热力系统失效的情况,在系统中设置了辅助电加热器。根据公式:
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精彩评论1

 楼主| 学社编辑 发表于 2019-10-6 14:09 | 显示全部楼层
3.1 投入与收益
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该系统设备投入汇总结果列于表2中。
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% j8 t( P+ P- ?3 P9 w电价以0.5元/kWh计,使用太阳能加热沼气池每天可节电大约6kWh,冬季按140d计算,可节约420元;沼气作为燃料与燃煤相比年效益为2803元,共节约3223元。
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系统设备一次投入约为8100元(表2),安装费用为500元,每年用于维修管理以及水电费约为400元,共计9000元。由此可计算出该系统回收年限约为2.8a。
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3.2 净现值投资利润
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设备初投资C为8600元,此后每年节省费用4为3223元,设计使用寿命为》=10a,利率i为0.1,每年节约费用预计逐年增加2%,根据有效利率计算公式:9 @& |, V7 I, v/ ?; v: [/ \- H2tech.cn

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3.3 综合社会效益
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" ?$ Y2 |8 b1 H+ m! s沼气作为农村家庭生活用能的应用,改变了农村传统秸轩焚烧用能的现状,推进了能源结构现代化,同时,减少了对大气环境的污染,改善了环境。太阳能沼气池的开发利用,有利于改善和提高沼气使用率,促进新能源在我国广大农村中的推广应用,减少对常规能源的依赖。太阳能集热器产生的热水在冬季用于加热沼气池,非采暖季节可作为家庭生活使用,可有效改善农村生活质量。
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2 P2 ~, B5 _! ]' A. J此外,沼气发酵后产生的沼渣、沼液是很好的农家肥,有利于促进农业增产和土壤肥力的再生,从而形成生态的良性循环。
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# \; h) L# R1 p( z( @4 j5 J3 r4 结束语6 U9 R; [& Y' }# w; [' T0 z2tech.cn

  g! @: u4 y* ^' A为解决北方地区沼气池冬季不能正常产气的问题,对比分析了多种沼气池保温加热方式,太阳能沼气池具有明显优势。本着高效、经济、实用的原则,对户用太阳能沼气池热力系统进行了研究与设计,该设计方案具有以下特点:①以太阳能为热源,减少了对电或其它常规能源的依赖,无污染,环境效益好;②该系统采用多循环回路,可以适应多种热负荷变化情况,具有良好的适应性;③研发设计的自助加压装置,实现了水压自助热水循环,节省了水泵的电消耗,系统运行成本低;④系统中安装自控元件后,可实现自动化运行,无需人工操作。
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. J  }7 F, L2 p/ ]% l+ G3 [经测算,该系统总计投资约9000元,每年可节省燃料费、电费为3223元,回收年限为2.8a。并且在非采暖季可提供生活用热水,具有很好的经济性、实用性和社会效益,可作为太阳能沼气池推广应用的参考依据。; s* H+ u; i" \( M4 _2tech.cn

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