0、 引言
沼气池的运行效率直接关系到工程的运行收益,而温度是沼气发酵的关键性因素。发酵温度降低,厌氧微生物酶活性也随之降低,微生物的生长和代谢也降低,从而造成沼气工程的综合效益降低。Guo 等在实验室利用 10 L 全混合反应器( CSTR) 对猪粪在 20、28、38℃ 条件产气性能进行研究,建立热适用性经济模型,认为发酵液温度大于 26℃才可获得最佳的能源效益。与此同时,在厌氧生态系统中,产甲烷菌对温度改变速率比较敏感,温度小幅度变化,可对产甲烷细菌造成较大的影响; 一般认为,发酵液温度突然变化超过 3℃,产气会发生显著的变化。
因此,如何保持发酵液温度在适宜温度和稳定性,是沼气工程研究的重点。要解决这一问题需对沼气池热环境影响因素、热流损失状况、增温方式和热过程进行综合分析考虑,本文通过对相关研究进展进行综述分析,以期为沼气池的热传递过程研究和工程的热工优化提出参考。
1、 沼气池热环境影响因素及热损失
影响发酵温度的因素较多,熊昌国等采用自制试验装置—发酵容积为 0. 75m3的反应器,在实验室进行探索性试验,研究环境温度、发酵料液温度、保温层厚度、保温材料种类和加热方式对增温保温性能的影响。结论认为影响顺序为: 环境温度、发酵料液温度、保温层厚度、保温材料种类和加热方式。采用中温发酵工艺、罐内底部加热方式、发酵罐保温层厚度200mm,以及保温材料为聚氨酯发泡层的工程参数配置是推广应用的较佳方案。该研究为沼气池的热环境影响因素指明了方向,但是缺乏热工基础理论分析作为支撑。Paquin 和 Liang 通过对沼气池空间与加热潜力研究,分析提升发酵温度节省反应器空间和提高产气效率的影响,认为即使在热带地区沼气池环境温度也是沼气供热量需要的最关键因素,增加增温保温措施仍然能够为沼气工程带来显著的投入回报比。
相关学者对沼气池系统的热流损失分析表明,主要损失为发酵剩余物排出时带走的热量。邢慧娟等根据哈尔滨的逐时气象参数分析了一个大中型沼气工程的热工行为,确定中温发酵所需的动态耗热量,表明: 中温发酵用于加热进料的热量占沼气工程耗热的90% 以上。El - Mashad 等以10m3沼气池为研究对象,采用热泵回收发酵剩余液的热量,加热进料物料,与利用太阳能共同作用确保发酵液温度维持在50℃。李金平等为了提高太阳能恒温沼气系统的能源利用率,回流利用发酵液的热量,30℃ 发酵条件下,每天回热工作 41min,可把进料系统中的水由 5℃提升至 17. 5℃,节约太阳能集热器面积 24. 8m2,降低能耗到原系统总能耗的 67. 7%。同样,Yiannopou-los 等也认为发酵热的热量回收对沼气池的热平衡有重要作用。研究表明,用于发酵物料原料升温的能耗投入占沼气工程总耗投入的比例最大,优化发酵工艺、回收剩余液能源,是沼气工程能源有效利用的一个重要途径。
2、 沼气工程的增温方式
提高发酵液温度最直接的方法就是通过外加热源进行增温,以弥补发酵液的热量散失。随着沼气工程的发展,出现了各种因地制宜的增温方式,包括了发酵罐内增温和发酵罐外增温两种,如: 加热膜增温、太阳能增温、化石能源热水锅炉增温、沼气锅炉增温、太阳能联合沼气锅炉增温、太阳能温室联合增温、沼气锅炉余热增温、沼气发电余热增温、燃池式增温和地源热泵式增温等方式。有试验研究报道,发酵罐内加热方式优于发酵罐外侧壁加热方式; 但其试验介质为水,传热特性和流体力学性能与发酵液存在差距,且增温过程和保温过程应统筹考虑,增温相对于过程是一个短时间量。因此,还需对发酵周期内的热过程进行整体分析,以确定适宜的增温方式。
罐内增温的研究多集中在添加盘管加热,在工程中也得到广泛应用。Axaopoulos 等在地上式沼气池顶部设置平板型太阳能,通过交换器直接把热量传递到发酵液中,建立热传递模型计算认为该方法可较少沼气池的热量损失,对工程的热平衡有促进作用。王丽颖等在模拟实验系统条件下,发现太阳能沼气池热交换器循环介质温度越高,有效换热效率越大。
盘管加热也存在弊端性———随着沼气发酵过程进行,发酵物料在盘管上沉积形成污垢,换热效率将逐步降低。相关报道在食品工业中研究较多,沼气行业的分析报道较少,Cunault 等利用发酵液 18 天换热过程分析换热器的性能,认为污垢是影响热交换的最大因素。Ren 等对利用太阳能对沼气池增温进行文献综述后认为,专门用于沼气池的换热器几乎没有,开发热转化效率高、耐腐蚀性能好的热交换器,才能有效地确保沼气池的稳定运行。这说明发酵罐外增温相对于罐内有其优越性,且有利用于提高能源利用效率。王丽丽等基于有限元稳态热平衡模型,针对黑龙江省某大型沼气工程,得出日均温降小于 1℃时发酵罐内料液及发酵罐各部分热损失比例,认为在酸化罐与产气罐之间设置热交换器来替代常规发酵罐体内的加热盘管,可避免加热盘管出现的结壳、腐锈漏水等问题,并可节省能源投入。景全荣等设计连续干式厌氧发酵系统,在发酵罐外壁设置加热盘管,并采用岩棉材料进行强化保温,5 天后,温度达到55℃ 后恒温运行,每日温度波动范围在 ± 0. 5℃ 以内,实现了发酵物料的均匀传热。
因此,增温方式的选择,应该根据沼气工程的发酵工艺,分析热传递过程,掌握热量分布规律后综合分析,同时还应考虑不同地区的资源禀赋情况。如:裴晓梅等针对太阳能地源热泵沼气池最优太阳能集热面积的研究,从经济和能源环保两方面进行分析,比较得出: 有效容积 69. 3m3的沼气池,在电价低于0. 5元/( kW·h) 时,单独地源热泵系统经济高,电价 0. 5~ 1. 0 元 / ( kW·h) 系统的最优太阳能集热面积为 24m2。
3、 不同方法对传热过程的分析
随着发酵过程的进行,消化器内的发酵液近似呈现出理想牛顿流体的物质特性,传热过程也近似于理想牛顿流体。相关学者也在此基础上,建立热传递过程模型,以期分析热传递过程。
3. 1 理论推理模型分析
理论推理模型多以一维传热模型为基础,虽然存在一定的计算误差,但普遍被学者所认同。
刘建禹等基于稳态传热理论,建立一维稳态传热模型,分析一体式的全地上反应器传热过程,结论与实际值没有明显差异,认为可用于反应器耗热量的计算。沙微等针对一体式全地上立式圆柱型反应器,用稳态传热原理分别对反应器的顶、壁和底部进行分析,用黑龙江省鸡西市兰岭乡大型沼气工程中实际工程监测值数据进行验证,认为顶部散热是反应器整体散热主要部位。Perrigault 等根据一维传热原理,基于时间节点建立热传递模型,在温室大棚沼气池内进行分析,得出模型预测数据与监测数据温差的偏离为0. 47℃ ,误差为 2%。Merlin 等利用有效容积为46m3的 UASB 反应器对证明了环境温度对反应器产气率的影响,并基于稳态传热原理,建立热传递模型,假设热交换率为 0. 7 ~0. 8,预测沼气工程的能量平衡过程,但计算结果与实际测量结果仍然存在 10% 的误差。
马飞和刘宇把厌氧反应器的罐壁简化为无限大平壁,平壁两侧分别为流动原料和流动空气,反应器由内向外热传递过程依次为: 物料与内壁的对流换热、壁及保温层导热、保温层与空气的对流换热 3 个过程。建立传热模型,计算进料周期系统得热量和散热量,其过程分析较为完善; 但模型假设发酵液得到充分搅拌、温度均匀分布,与实际情况有所出入,计算结果的准确性有待进一步验证。
陈志光等将户用沼气池土壤温度变化看作半无限大物体周期性变化边界条件,建立数学模型,对系统冬季运行情况进行计算分析,得出家用太阳热水器对沼气系统进行加热,可有效提高沼气池温度; 但是在最冷季节沼气池温度基本维持在 15℃左右。
3. 2 数值计算方法分析
Andres 等对厌氧消化过程研究构建的相关模型、参数估计方法和模型验证手段进行归纳总结后认为,简单而有效的模型,才能正确指导沼气工程的高效运行。利用数值计算方法可把繁重的计算过程交给计算机,有利于减少人力投入,提高计算精度。
王丽丽等以 Vensim 和 Ansys 等分析软件为分析工具,应用系统动力学和有限元热平衡分析方法,分析沼气池能量供需平衡,结果表明: 罐体散热损失、水分蒸发热损失、沼气排出带走的显热损失、管路热损失占发酵系统总热损失的比例分别为 85. 59% ~90. 22% 、2. 05% ~ 8. 42% 、3. 93% ~ 4. 78% 、2. 06%~ 2. 96% ,认为提高加热配料热水的热效率,可减少牛粪与热水混合搅拌过程中的热损失。
Muscio 等利用 MatLab 程序中的 Anaerobic PlantEmulator 工具箱对反应器热传递过程进行分析,并用试验数据对分析过程进行验证,认为可用于工程指导。
Wu 和 Bibeau 以低温情况下 2 000m3反应器作为模型,建立三维传热模型,用 Fluent6. 1 进行分析,表明三维传热模型与一维传热模型能够较好的吻合,认为圆柱体罐体、池冠为平面、池底为平面的发酵罐热流损失最小,最有利于冬季保温; 同时也证明了一维稳态传热模型具有一定的普遍使用性。
贾玲等根据呼和浩特地区的气象数据,设计换热管进口温度为 50℃,利用 Fluent 进行数值计算,认为6m3户用沼气池加热到发酵温度 35℃ 时,系统需要运行 4. 5h,对应的全真空管太阳能集热器的面积为4. 25m。
综上所述,沼气工程采用不同的研究方法对热传递过程进行了深入研究,在遵循基本热工原理的基础上建立个多种数学模型,各有优劣,具有重要的相互借鉴意义; 但基本上都没有对沼气池内的温度场展做出详细描述,相关研究还有待进一步开展。建议利用成熟的数值计算方法对热传递过程进行分析,并结合工程运行数据的优化完善计算模型。
4、 总结与讨论
1) 沼气池环境温度工程热传递的最关键性影响因素; 保温措施良好的沼气池,热流损失主要集中在发酵剩余物排出时带走的热量。
2) 外加热源对发酵液增温—发酵罐内增温和发酵罐外增温,各有其优越性,应根据具体的发酵工艺,在正确分析热传递过程基础进行综合考虑。
3) 不同方法建立的热传递相互都有借鉴意义,对工程有一定的指导意义,建议采用成熟的数值计算方法对热传递过程展开研究,并根据工程实际优化完善出简单、有效的模型。
