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劉偉，周闖，秦國輝，王玉鵬
（黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱150027）
摘要：分別設計了發酵反應器外部加熱工藝和沼液余熱回收工藝。反應器外部加熱工藝較常規罐內換熱能夠增加沼液與加熱面的接觸面積，加快換熱速度，提高系統換熱效率。沼液余熱回收工藝能夠將排出沼液的70%以上余熱進行回收，作為新進物料的熱源，使其溫度快速提升至正常發酵溫度。通過兩種技術共同實施，可使發酵系統冬季總體節約近一半的能耗，有效解決了現有寒區沼氣工程冬季加溫能耗高、熱流失大等行業共性問題，為嚴寒地區沼氣工程冬季增溫提供一種節能、環保、經濟的增溫技術。
1引言
黑龍江省是我國重要的種植業、養殖業大省，大規模的種養業保障了我國肉蛋奶和充足的糧食供給。但大量的種養業廢棄物隨之產生，合理利用率不高，農業面源污染嚴重。沼氣作為具有發展潛力的新型生物能源，是實現能源可再生利用的重要部分，也是解決生態污染的重要手段。從《2015年畜禽養殖標準化示范創建活動工作方案》的推廣可知，大力發展沼氣項目，建立合適的沼氣示范工程已成為種植業、養殖業規模化的必然趨勢。采用厭氧發酵技術可有效利用畜禽糞便和農作物秸稈等廢棄物制取清潔的沼氣能源，提供有機肥料，增加作物品質，改善土壤活性，是解決種養業廢棄物污染的有效途徑[1-3]。然而，由于黑龍江省冬季長達半年的低溫環境，發酵罐缺少必要的保溫增溫技術，加上低的產氣率、高的原料收儲運成本、粗獷的管理，使現有的沼氣工程冬季處于停產狀態，并未起到沼氣工程應用的作用。
目前，沼氣工程發酵反應器的換熱方式主要有兩種[4-6]，一種是在發酵罐體內或發酵罐外側壁設置加熱盤管。發酵罐內的加熱盤管一般布置于發酵罐底部或立于內側壁，也可以是底部和內側壁組合加熱，換熱效率低，熱損耗大[7-8]。另外一種是在發酵反應器外間接加熱，即通過水一發酵料液換熱器加熱發酵料液，補償發酵反應器殼體及管道的熱損失[9]。研究結合現有的增溫換熱形式，針對嚴寒地區發酵反應器外部加熱，提出兩種可行的增溫技術，為嚴寒地區大型沼氣工程的建設提供理論依據。
2沼氣工程增溫現狀
與南方省份不同，我國北方嚴寒地區冬季寒冷漫長，氣溫較低，使得現有沼氣工程在嚴寒地區冬季運行時很難持續高效運行，很多早前建設的沼氣池都只是采用了磚混結構，沒有保溫蓄熱措施，外部散熱較大[10-12]。也有一些沼氣工程的加熱增溫方式設計不合理，熱能利用率低，即便可以維持運行也需提供大量外界熱源用于系統運行的增溫，經濟效益顯著下降。沼氣工程的加溫熱能來源主要是以燃煤鍋爐為主，龐大的能源開銷背后必然伴隨著嚴重的環境污染[13-14]。以上諸多問題導致了我國嚴寒地區沼氣工程的廢棄物降解率低，產氣率低。大多數現有沼氣工程冬季不能正常產氣，沼氣發電機不能正常發電，冬季有機廢棄物處理量小，速度慢，沼液沼渣等有機肥不能及時供應，使沼氣工程失去了降解、治污的重要功能，嚴重制約了提供我國北方地區沼氣行業的發展[15-17]。
如圖1所示，嚴寒地區冬季沼氣工程發酵反應器能耗高的因素主要有兩方面：一是排出的沼液帶走大量熱量，新進物料溫度較低，需要大量的熱能使其加熱至發酵溫度，約占總能耗比重55%。二是反應器罐體向外散失大量熱能，約占總能耗比重44%。管道散熱及沼氣中帶走熱量所占比例不足1%，忽略不計。可以看出，降低反應器罐體的熱量損失，提高排出沼液的熱量回收率，是解決北方寒區沼氣工程冬季能耗過大的主要途徑。
3換熱工藝設計
根據嚴寒地區沼氣工程的工作環境，設計了采用鍋爐和沼液余熱聯合作為發酵反應器增溫的低位熱源，解決現有沼氣工程冬季加溫能耗高、熱流失大、用能重等行業共性問題，為嚴寒地區沼氣工程冬季運行提供一種節能、環保、經濟的增溫技術。
3.1外部增溫換熱技術
圖2所示為采用外部循環換熱形式的增溫系統示意圖。換熱器內主要有三條主管路，即沼液循環管路、熱媒循環管路、加熱循環管路（鍋爐熱水）。蒸發器內經過風機作用產生一定負壓，熱媒以液體形式進人蒸發器，受熱后蒸發成氣體迅速吸收熱水管路中的熱量，然后以氣體形式通過熱媒管路至冷凝器端。冷凝器內經過風機作用產生一定正壓，熱媒進人冷凝器后液化成液體，同時迅速釋放出熱量為沼液循環管路中的物料加熱。其中，熱媒依靠的是風機的吹力和吸力進行循環，依次保持循環進行吸熱和放熱，使發酵反應器內物料加熱增溫。
3.2沼液余熱回收利用技術
如圖3所示為沼液余熱回收利用系統示意圖。同理，將蒸發器管路閥門切換至沼液排出口，冷凝器管路閥門切換至鮮牛糞進料口。此時，熱媒在蒸發器內吸收排出沼液中70%以上的熱量，傳輸至冷凝器中為新進物料進行加熱升溫，使物料在進入反應器之前，利用沼液的余熱回收熱能為其加熱增溫，降低后續的反應器加溫能耗。
4結論
設計的反應器外部換熱增溫技術，使反應器內物料的加熱增溫和新進物料的加熱增溫分時共用一套換熱裝置，降低設備成本，提高換熱器的使用頻率。采用外部換熱形式，利用冷媒的物理狀態改變進行熱量傳遞，增加換熱接觸面積，提升物料的增溫響應速度，換熱效率高于傳統的內換熱形式。同時，物料的外部循環也能起到一定的攪拌作用，有助于反應器內物料的混合接種及溫度的均勻傳遞。實際運行中，每天進、出料量相等，出料沼液溫度為35℃，新物料溫度約為10℃。理論上，將出料沼液中熱量回收，完全能夠滿足將新進物料溫度提升至35℃、新進物料不需要額外耗能就可以達到正常發酵溫度。如果能夠實現，發酵系統冬季將能夠節約將近一半的能耗。
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