0、 引言

沼氣池的運行效率直接關系到工程的運行收益,而溫度是沼氣發酵的關鍵性因素。發酵溫度降低,厭氧微生物酶活性也隨之降低,微生物的生長和代謝也降低,從而造成沼氣工程的綜合效益降低。Guo 等在實驗室利用 10 L 全混合反應器\\( CSTR\\) 對豬糞在 20、28、38℃ 條件產氣性能進行研究,建立熱適用性經濟模型,認為發酵液溫度大于 26℃才可獲得最佳的能源效益。與此同時,在厭氧生態系統中,產甲烷菌對溫度改變速率比較敏感,溫度小幅度變化,可對產甲烷細菌造成較大的影響; 一般認為,發酵液溫度突然變化超過 3℃,產氣會發生顯著的變化。

因此,如何保持發酵液溫度在適宜溫度和穩定性,是沼氣工程研究的重點。要解決這一問題需對沼氣池熱環境影響因素、熱流損失狀況、增溫方式和熱過程進行綜合分析考慮,本文通過對相關研究進展進行綜述分析,以期為沼氣池的熱傳遞過程研究和工程的熱工優化提出參考。

1、 沼氣池熱環境影響因素及熱損失

影響發酵溫度的因素較多,熊昌國等采用自制試驗裝置—發酵容積為 0. 75m3的反應器,在實驗室進行探索性試驗,研究環境溫度、發酵料液溫度、保溫層厚度、保溫材料種類和加熱方式對增溫保溫性能的影響。結論認為影響順序為: 環境溫度、發酵料液溫度、保溫層厚度、保溫材料種類和加熱方式。采用中溫發酵工藝、罐內底部加熱方式、發酵罐保溫層厚度200mm,以及保溫材料為聚氨酯發泡層的工程參數配置是推廣應用的較佳方案。該研究為沼氣池的熱環境影響因素指明了方向,但是缺乏熱工基礎理論分析作為支撐。Paquin 和 Liang 通過對沼氣池空間與加熱潛力研究,分析提升發酵溫度節省反應器空間和提高產氣效率的影響,認為即使在熱帶地區沼氣池環境溫度也是沼氣供熱量需要的最關鍵因素,增加增溫保溫措施仍然能夠為沼氣工程帶來顯著的投入回報比。

相關學者對沼氣池系統的熱流損失分析表明,主要損失為發酵剩余物排出時帶走的熱量。邢慧娟等根據哈爾濱的逐時氣象參數分析了一個大中型沼氣工程的熱工行為,確定中溫發酵所需的動態耗熱量,表明: 中溫發酵用于加熱進料的熱量占沼氣工程耗熱的90% 以上。El - Mashad 等以10m3沼氣池為研究對象,采用熱泵回收發酵剩余液的熱量,加熱進料物料,與利用太陽能共同作用確保發酵液溫度維持在50℃。李金平等為了提高太陽能恒溫沼氣系統的能源利用率,回流利用發酵液的熱量,30℃ 發酵條件下,每天回熱工作 41min,可把進料系統中的水由 5℃提升至 17. 5℃,節約太陽能集熱器面積 24. 8m2,降低能耗到原系統總能耗的 67. 7%。同樣,Yiannopou-los 等也認為發酵熱的熱量回收對沼氣池的熱平衡有重要作用。研究表明,用于發酵物料原料升溫的能耗投入占沼氣工程總耗投入的比例最大,優化發酵工藝、回收剩余液能源,是沼氣工程能源有效利用的一個重要途徑。

2、 沼氣工程的增溫方式

提高發酵液溫度最直接的方法就是通過外加熱源進行增溫,以彌補發酵液的熱量散失。隨著沼氣工程的發展,出現了各種因地制宜的增溫方式,包括了發酵罐內增溫和發酵罐外增溫兩種,如: 加熱膜增溫、太陽能增溫、化石能源熱水鍋爐增溫、沼氣鍋爐增溫、太陽能聯合沼氣鍋爐增溫、太陽能溫室聯合增溫、沼氣鍋爐余熱增溫、沼氣發電余熱增溫、燃池式增溫和地源熱泵式增溫等方式。有試驗研究報道,發酵罐內加熱方式優于發酵罐外側壁加熱方式; 但其試驗介質為水,傳熱特性和流體力學性能與發酵液存在差距,且增溫過程和保溫過程應統籌考慮,增溫相對于過程是一個短時間量。因此,還需對發酵周期內的熱過程進行整體分析,以確定適宜的增溫方式。

罐內增溫的研究多集中在添加盤管加熱,在工程中也得到廣泛應用。Axaopoulos 等在地上式沼氣池頂部設置平板型太陽能,通過交換器直接把熱量傳遞到發酵液中,建立熱傳遞模型計算認為該方法可較少沼氣池的熱量損失,對工程的熱平衡有促進作用。王麗穎等在模擬實驗系統條件下,發現太陽能沼氣池熱交換器循環介質溫度越高,有效換熱效率越大。

盤管加熱也存在弊端性———隨著沼氣發酵過程進行,發酵物料在盤管上沉積形成污垢,換熱效率將逐步降低。相關報道在食品工業中研究較多,沼氣行業的分析報道較少,Cunault 等利用發酵液 18 天換熱過程分析換熱器的性能,認為污垢是影響熱交換的最大因素。Ren 等對利用太陽能對沼氣池增溫進行文獻綜述后認為,專門用于沼氣池的換熱器幾乎沒有,開發熱轉化效率高、耐腐蝕性能好的熱交換器,才能有效地確保沼氣池的穩定運行。這說明發酵罐外增溫相對于罐內有其優越性,且有利用于提高能源利用效率。王麗麗等基于有限元穩態熱平衡模型,針對黑龍江省某大型沼氣工程,得出日均溫降小于 1℃時發酵罐內料液及發酵罐各部分熱損失比例,認為在酸化罐與產氣罐之間設置熱交換器來替代常規發酵罐體內的加熱盤管,可避免加熱盤管出現的結殼、腐銹漏水等問題,并可節省能源投入。景全榮等設計連續干式厭氧發酵系統,在發酵罐外壁設置加熱盤管,并采用巖棉材料進行強化保溫,5 天后,溫度達到55℃ 后恒溫運行,每日溫度波動范圍在 ± 0. 5℃ 以內,實現了發酵物料的均勻傳熱。

因此,增溫方式的選擇,應該根據沼氣工程的發酵工藝,分析熱傳遞過程,掌握熱量分布規律后綜合分析,同時還應考慮不同地區的資源稟賦情況。如:裴曉梅等針對太陽能地源熱泵沼氣池最優太陽能集熱面積的研究,從經濟和能源環保兩方面進行分析,比較得出: 有效容積 69. 3m3的沼氣池,在電價低于0. 5元/\\( kW·h\\) 時,單獨地源熱泵系統經濟高,電價 0. 5~ 1. 0 元 / \\( kW·h\\) 系統的最優太陽能集熱面積為 24m2。

3、 不同方法對傳熱過程的分析

隨著發酵過程的進行,消化器內的發酵液近似呈現出理想牛頓流體的物質特性,傳熱過程也近似于理想牛頓流體。相關學者也在此基礎上,建立熱傳遞過程模型,以期分析熱傳遞過程。

3. 1 理論推理模型分析

理論推理模型多以一維傳熱模型為基礎,雖然存在一定的計算誤差,但普遍被學者所認同。

劉建禹等基于穩態傳熱理論,建立一維穩態傳熱模型,分析一體式的全地上反應器傳熱過程,結論與實際值沒有明顯差異,認為可用于反應器耗熱量的計算。沙微等針對一體式全地上立式圓柱型反應器,用穩態傳熱原理分別對反應器的頂、壁和底部進行分析,用黑龍江省雞西市蘭嶺鄉大型沼氣工程中實際工程監測值數據進行驗證,認為頂部散熱是反應器整體散熱主要部位。Perrigault 等根據一維傳熱原理,基于時間節點建立熱傳遞模型,在溫室大棚沼氣池內進行分析,得出模型預測數據與監測數據溫差的偏離為0. 47℃ ,誤差為 2%。Merlin 等利用有效容積為46m3的 UASB 反應器對證明了環境溫度對反應器產氣率的影響,并基于穩態傳熱原理,建立熱傳遞模型,假設熱交換率為 0. 7 ~0. 8,預測沼氣工程的能量平衡過程,但計算結果與實際測量結果仍然存在 10% 的誤差。

馬飛和劉宇把厭氧反應器的罐壁簡化為無限大平壁,平壁兩側分別為流動原料和流動空氣,反應器由內向外熱傳遞過程依次為: 物料與內壁的對流換熱、壁及保溫層導熱、保溫層與空氣的對流換熱 3 個過程。建立傳熱模型,計算進料周期系統得熱量和散熱量,其過程分析較為完善; 但模型假設發酵液得到充分攪拌、溫度均勻分布,與實際情況有所出入,計算結果的準確性有待進一步驗證。

陳志光等將戶用沼氣池土壤溫度變化看作半無限大物體周期性變化邊界條件,建立數學模型,對系統冬季運行情況進行計算分析,得出家用太陽熱水器對沼氣系統進行加熱,可有效提高沼氣池溫度; 但是在最冷季節沼氣池溫度基本維持在 15℃左右。

3. 2 數值計算方法分析

Andres 等對厭氧消化過程研究構建的相關模型、參數估計方法和模型驗證手段進行歸納總結后認為,簡單而有效的模型,才能正確指導沼氣工程的高效運行。利用數值計算方法可把繁重的計算過程交給計算機,有利于減少人力投入,提高計算精度。

王麗麗等以 Vensim 和 Ansys 等分析軟件為分析工具,應用系統動力學和有限元熱平衡分析方法,分析沼氣池能量供需平衡,結果表明: 罐體散熱損失、水分蒸發熱損失、沼氣排出帶走的顯熱損失、管路熱損失占發酵系統總熱損失的比例分別為 85. 59% ~90. 22% 、2. 05% ~ 8. 42% 、3. 93% ~ 4. 78% 、2. 06%~ 2. 96% ,認為提高加熱配料熱水的熱效率,可減少牛糞與熱水混合攪拌過程中的熱損失。

Muscio 等利用 MatLab 程序中的 Anaerobic PlantEmulator 工具箱對反應器熱傳遞過程進行分析,并用試驗數據對分析過程進行驗證,認為可用于工程指導。

Wu 和 Bibeau 以低溫情況下 2 000m3反應器作為模型,建立三維傳熱模型,用 Fluent6. 1 進行分析,表明三維傳熱模型與一維傳熱模型能夠較好的吻合,認為圓柱體罐體、池冠為平面、池底為平面的發酵罐熱流損失最小,最有利于冬季保溫; 同時也證明了一維穩態傳熱模型具有一定的普遍使用性。

賈玲等根據呼和浩特地區的氣象數據,設計換熱管進口溫度為 50℃,利用 Fluent 進行數值計算,認為6m3戶用沼氣池加熱到發酵溫度 35℃ 時,系統需要運行 4. 5h,對應的全真空管太陽能集熱器的面積為4. 25m。

綜上所述,沼氣工程采用不同的研究方法對熱傳遞過程進行了深入研究,在遵循基本熱工原理的基礎上建立個多種數學模型,各有優劣,具有重要的相互借鑒意義; 但基本上都沒有對沼氣池內的溫度場展做出詳細描述,相關研究還有待進一步開展。建議利用成熟的數值計算方法對熱傳遞過程進行分析,并結合工程運行數據的優化完善計算模型。

4、 總結與討論

1\\) 沼氣池環境溫度工程熱傳遞的最關鍵性影響因素; 保溫措施良好的沼氣池,熱流損失主要集中在發酵剩余物排出時帶走的熱量。

2\\) 外加熱源對發酵液增溫—發酵罐內增溫和發酵罐外增溫,各有其優越性,應根據具體的發酵工藝,在正確分析熱傳遞過程基礎進行綜合考慮。

3\\) 不同方法建立的熱傳遞相互都有借鑒意義,對工程有一定的指導意義,建議采用成熟的數值計算方法對熱傳遞過程展開研究,并根據工程實際優化完善出簡單、有效的模型。