论太阳能与车库型干法沼气工程的完美结合_李剑

太阳能SOLARENERGYSOLARENERGY15/201147一引言沼气工程作为一种有效利用生物质能生产清洁燃气的方式，近年来日益受到人们的关注。根据原料干物质浓度(TS)，沼气工程可分为两大类：TS≤20%为湿法，TS≥2%为干法[1]。基于我国地域的特殊性和原料的自身特性，污水较多的工程多采取湿法发酵，水源不太充足以及高寒地区适宜利用干法发酵。随着欧美发达国家干法发酵技术的日益完善，利用车库型干法沼气工程处理有机废弃物成为沼气工程的一种发展趋势。生物质能的原始能量来源于太阳，从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。中国人口众多，资源相对不足，能源供应不能充分满足国民经济发展的需要。随着经济的进一步发展和全面小康建设的推进，必将对能源供应提出新的要求[2]。本文从车库型干法沼气工程需要进行中温发酵出发，结合工程与太阳能一体化的优势，设计出利用太阳能为沼气工程增温的太阳能沼气系统，为生物质能产业的发展提供一定的参考依据。论太阳能与车库型干法沼气工程的完美结合黑龙江省农业机械工程科学研究院农村能源中心■李剑栾玥罗光辉盛力伟李存斌结合传统太阳能热利用工程与德国车库型干法沼气工程，设计出利用太阳能为沼气工程增温的太阳能沼气系统，并以高寒地区哈尔滨为例，对系统进行了初步估算。结果表明，车库型干法沼气工程适合与太阳能热利用工程实现一体化，结合太阳能热利用工程后该系统年可节约标煤159.6t，同时为系统的稳定运行提供了能源保障。太阳能；车库型；干发酵；沼气工程摘要：关键词：二车库型干法沼气技术传统的沼气发酵均采用湿法技术，由于湿法技术发酵耗能高、处理干物质的成本高等一系列缺点，限制了其适应的范围和地域。从上世纪90年代起，德国大量资助新型间歇式干法沼气发酵技术的研发。90年代末，德国间歇式干法沼气工艺和装备通过了中试，2002年生产出工业级装备并投入实际运行。与传统的湿法技术相比，新型间歇式干法沼气发酵技术具有以下优点：(1)自身耗能低，冬季仅耗用自身产生能量的10%～15%；而湿法的自身耗能约为30%，在北方寒冷地区冬季甚至会达到45%，大大限制了沼气技术在北方寒冷地区的推广。(2)可以直接处理农作物秸秆和城市垃圾等固体可发酵有机物，大大节省了预处理成本。(3)由于没有搅拌器和管道，发酵不受干扰物质如塑料、木块、沙石等影响，因而无需花费人力和设备将其在发酵前检出。(4)在发酵仓中没有搅拌器等运动部件，系统的可靠性很高。(5)沼气质量高(含硫量远远低于湿法沼气，只有50～300ppm，可以不经技术与产品太阳能SOLARENERGYSOLARENERGY15/201148洗气直接供沼气发动机使用)，发酵物出气率高。(6)发酵仓为地面车库型不透气混凝土结构，底部管道暖气供热，土建费用低。(7)发酵仓为模块化结构，易扩展。(8)进料、出料可使用通用的装载机等工程机械，设备效率高，通用性强。(9)因为发酵剩余物无湿法发酵的沼液，所以不用脱水处理，发酵剩余物经简单的过筛和短时间的堆肥即可用作园林肥料或农作物肥料，存储和后处理费用低、价值高。(10)耗水量比湿法少得多，几乎没有污水排放，大大节省了水费和污水处理费[3]。间歇式干法沼气发酵技术与湿法沼气技术相比，有两个关键的技术问题需要解决：(1)发酵初期与发酵结束时发酵室沼气浓度与空气浓度达到临界点15:85时的防爆安全，需要高度安全可靠的自动控制系统。(2)发酵菌在发酵物中的繁殖速度保障，需要高效的发酵菌液喷淋回流系统。三太阳能沼气系统的设计1系统设计前期的参数分析本文结合德国BEKON车库型干法沼气工程，以北方高寒地区哈尔滨为设计参考点。哈尔滨位于东经125¡42'～130¡10'、北纬44¡04'～46¡40'之间，全年平均降水量569.1mm，降水主要集中在6～9月，夏季占全年降水量的60%，年平均温度3.6℃，最冷的1月份，平均气温为-13.2～-24.8℃，最热的7月份，平均气温为18.1～22.8℃，采暖期176d，采暖期室外平均设计温度-10℃，地区太阳辐射情况见表1[4,5]。从表1可以看出，哈尔滨地区太阳总辐射最高月份为6月，月总辐射值达到704.7MJ/m2，日照时间达到285h；太阳总辐射最低月份为12月，月总辐射值为146.6MJ/m2，日照时间为162.3h；全年月均辐射值为412.7MJ/m2，月均日照时间为217.8h。德国BEKON车库型干法沼气工程主要生产区见图1。图1为一种典型的BEKON车库型干法沼气工程。工程占地面积16000m2，主生产区占地2000m2，工程主要处理原料包括家庭固体废弃物、场区周边食品厂及皮革厂垃圾，固体废弃物年处理总量为20000t，原料沼气产量为130～170m3/t，工程沼气利用方式为沼气发电，发电机组总装机图1德国BEK