寒区沼气发酵地源热泵增温系统的初步研究_陈泽兴

寒区沼气发酵地源热泵增温系统的初步研究陈泽兴，刘建禹，李文涛(东北农业大学工程学院，哈尔滨150030)摘要:以黑龙江省鸡西市兰岭乡大型沼气工程的增温系统为研究对象，通过对配料池、厌氧反应器加热量的计算，确定增温系统的供热负荷，并以此来选择合适的地下水源热泵机组。同时，对增温系统运行参数进行了周期为33h的测试，并进行了相关的分析。结果表明，地下水源热泵为沼气工程增温，不仅能保证沼气工程在北方冬季正常运行，还体现出了沼气增温系统的高效节能性。关键词:地下水源热泵;沼气;厌氧发酵;散热量;节能中图分类号:S216．2文献标识码:A文章编号:1003－188X(2011)03－0219－040引言沼气是利用有机废弃物通过厌氧发酵生产出来的一种清洁、高效的新型能源。在沼气的生产过程中，温度是影响厌氧发酵产气量的关键因素之一。据研究表明，对于一个厌氧发酵反应器来说，其操作温度以稳定为宜，波动范围一般一天不宜超过±2℃。中温厌氧发酵允许温度变化范围为±(1．5～2)℃［1］。当温度有±3℃的变化时，就会抑制厌氧消化速率，有±5℃的急剧变化时，产气量会显著降低，若变化过大则会停止产气，同时使有机酸大量积累而破坏厌氧消化［2］。然而在北方高寒地区，由于冬季天气寒冷，室外气温较低，如果不对厌氧发酵反应器采取增温和保温措施，无法保证中温厌氧发酵所需的稳定的温度，同时对厌氧发酵反应器进行增温和保温也带来了能量的消耗。因此，为了保证稳定的厌氧发酵温度，降低能耗，笔者提出了以地下水源热泵为热源的高效、节能、环保的沼气发酵增温系统，并对黑龙江省鸡西市兰岭乡大型沼气工程采用的地下水源热泵增温系统运行参数进行了初步研究。1地下水源热泵增温系统组成与工作原理1．1系统的组成地下水源热泵增温系统示意图，如图1所示。系统由地下水源系统、热泵机组和发酵料液加热系统3收稿日期:2010－04－27基金项目:黑龙江省科技攻关项目(GA09B503－1)作者简介:陈泽兴(1985－)，男，山东淄博人，硕士研究生，(E－mail)ze_xing_chen@163．com。通讯作者:刘建禹(1965－)，男，哈尔滨人，教授，(E－mail)liujy@neau．edu．cn。部分组成。地下水源系统由抽水井、回灌井、循环水泵和水管道等组成。水泵一般采用潜水泵或深井泵，用以输送井水在热泵机组和水源地循环。热泵机组主要由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等设备构成。热泵机组是地下水源系统与发酵料液加热系统的连接点，其通过输入一定的动力，将地下水源系统中的能量传送到发酵料液加热系统中去。发酵料液加热系统由发酵罐、配料池中加热盘管、循环水泵等组成。水泵将热泵机组提供的热水输送到加热盘管中，用以加热发酵料液。1．2系统的工作原理循环水泵将抽水井中的地下水直接输送到热泵机组的蒸发器中，经过换热后被冷却的井水由回灌井返回地下同一含水层内。热泵机组通过其蒸发器从地下水中吸取低品位热量，在冷凝器中放出高品位热量，将发酵料液加热系统中的水加热，从而实现低品位热能的品位提升。被加热的水通过发酵罐、配料池中的加热盘管，对发酵料液进行加热增温，保证沼气发酵所需的温度。热泵机组的制热量应满足加热配料池中料液以及厌氧发酵反应器散热所消耗的热量。2地下水源热泵机组的选型黑龙江省鸡西市兰岭乡大型沼气工程采用中温发酵，发酵温度控制在(35±2)℃，处理的有机废弃物以牛粪为主。厌氧发酵反应器容积为700m3，有效容积为630m3。容积为30m3配料池2个，每天进料量为30m3。2．1加热配料池中料液耗热量QL的计算由于在冬季进入配料池中料液温度一般为0℃左·912·2011年3月农机化研究第3期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2011.03.026右，为保证进入厌氧发酵反应器的料液达到发酵所需的温度，故需将料液从温度0℃加热至35℃。加热料液的耗热量QL的计算公式为QL=ρVCΔt(1)其中，ρ为料液的密度，取1000kg/m3;V为每天进料量，V=30m3/d;C为料液的比热容，取4．2kJ/(kg·℃)［3］;Δt为料液的升高温度，Δt=35℃。将上述数据代入式(1)可得，加热料液的耗热量QL=51kW。1．抽水井2．循环泵3．蒸发器4．热泵机组5．节流阀6．冷凝器7．压缩机8．储气囊9．发酵罐10．加热盘管11．上料泵12．配料池13．搅拌器14．回灌井图1地下水源热泵增温系统示意图Fig．1Thechartofgroundwater－sourceheatpumpheatingsystem2．2厌氧发酵反应器的耗热量QF的计算图2所示为厌氧发酵反应器结构示意图。图2厌氧发酵反应器结构示意图Fig．2Thestructureofanaerobicfermentationreactor由于厌氧发酵