沼气工程发酵原料加热方式的试验研究_余满江

《四川农机》2011年第6期沼气工程发酵原料加热方式的试验研究余满江应婧程方平（四川省农业机械研究设计院，四川成都610066）摘要：试验采用自制沼气工程发酵装置，研究发酵罐内的底部加热、内侧壁加热和底部内侧壁组合加热3种加热方式，在高温发酵、中温发酵2种发酵工艺状态下，发酵原料温度场分布规律和温度场随时间变化的波动。试验结果表明：发酵罐内的底部加热方式是最佳的加热方式，其发酵原料温度场分布最稳定，温度场随时间变化的波动最小，对沼气发酵最有利。关键词：沼气工程；发酵装置；发酵原料；加热方式；温度；温度场1温度场测点布置及自动检测系统2移动式发酵罐3组合式加热装置4保温恒温自控系统图2发酵装置及发酵试验目前，国内大中型沼气工程日益增多，稳定控制沼气发生装置产气率对系统的正常运行至关重要。而温度是影响沼气发酵产气率的关键因素之一，如果要使沼气工程常年稳定运行，保持恒定、高效的产气量，沼气发酵工艺就应采用中温发酵或高温发酵，选择发酵原料的加热方式，对发酵原料的温度进行严格控制，并采取适当的保温措施，使发酵温度不受环境气温变化影响。[1]总体来看，沼气产气量因温度而异，随温度的升高逐渐升高。在同一发酵工艺条件下，发酵原料温度场稳定均匀直接关系到产气的稳定性，温度场的波动会给发酵带来一定影响。在恒温发酵时，1小时内温度波动不宜超过±（2℃-3℃）；如果短时间内温度波动超过5℃，沼气产量明显下降；温度场波动的幅度过大时，甚至停止产气。[2]针对目前缺乏沼气工程加热方式对发酵原料温度场影响的基础及应用研究等现状，本试验拟采用自制沼气工程发酵装置，对不同加热方式的发酵原料温度场分布规律及温度场随时间变化的波动情况进行研究，从而得出对沼气发酵较为有利的加热方式。1材料与方法1.1试验系统装置沼气工程发酵装置由移动式发酵罐、组合式加热装置、温度场自动检测系统、发酵原料保温恒温自控系统4部分组成，沼气工程发酵装置总体布置如图1所图1沼气工程发酵装置总体布置图试验研究32《四川农机》2011年第6期示，发酵装置及试验如图2所示。1.1.1发酵罐发酵罐是沼气工程的关键装置，本试验自制0.75m3全钢制发酵罐，其特点为：（1）发酵罐体设计为圆柱体，高径比H/D＝1.1，其内高1050mm、内径950mm、总高1760mm，外径1360mm。（2）发酵罐保温材料采用聚氨酯发泡，保温层厚度不低于200mm，保温性能良好。（3）发酵原料有进、出管。（4）发酵罐外壁有水位计，用于观察罐体内的发酵原料高度。发酵罐的结构如图3所示。图3发酵罐结构示意图1.1.2组合式加热装置组合式加热装置安装在0.75m3发酵罐内，有平面螺旋型电加热管和U型电加热管2种加热管，其中平面螺旋型电加热管外径750mm、U型电加热管长度820mm。本试验采用这2种加热管组合成底部加热、内侧壁加热和底部内侧壁组合加热3种加热方式进行研究，每种加热方式的功率基本一致。底部加热装置由2支独立平面螺旋型电加热管组成，每支1kW共2kW，组合后外径820mm，距离罐底70mm。内侧壁加热装置在内侧壁纵向布置8支U型电加热管，总功率为2kW，组合后直径820mm，U型电加热管下端距离罐底115mm。底部内侧壁组合加热装置由底部1支平面螺旋型电加热管1kW，内侧壁纵向布置4支U型电加热管1kW组成，共计2kW；底部加热管直径750mm，距离罐底70mm；内壁加热管组合直径820mm，加热管下端距离罐底115mm。1.1.3发酵原料温度场测点布置发酵原料温度场测温点布置：在体积0.75m3、内径950mm、内高1050mm的发酵罐内安装温度测点，其高度方向分上下两层布点，下层距底面300mm，两层之间距离300mm；同一层面沿三个方向分圈布点，中心布点1个、第一圈距中心270mm布点3个、第二圈距中心470mm布点3个，每层布点7个，两层共布点14个，其布置如图4所示。图4发酵原料温度场测温点布置图1.2试验地点与方法试验时间及地点：2010年9月在四川爱特保鲜贮藏技术开发有限公司冷藏库内。试验条件：采用底部加热、内侧壁加热和底部内侧壁组合加热3种加热方式；高温发酵原料控制温度53±0.5℃、中温发酵原料控制温度33±0.5℃；试验环境温度5±1℃；发酵原料用水替代，原料高度950mm，原料质量675kg。试验内容：采用单因素试验方法，研究底部加热、内侧壁加热和底部内侧壁组合加热3种加热方式，高温发酵、中温发酵2种发酵工艺，共计6种状态下，发酵原料温度场分布规律。研究同一测点24小时温度的平均值、平均值偏差和极差；同一层面24小时温度的极差；整个温度场24小时温度的极差；整个温度场24小时随时间变化的波动。试验方法：发酵原料温度达到发酵工艺要求温度1发酵罐体2保温层3内壁加热管接线端子4发酵原料液位计5