（农业生物环境与能源工程专业论文）寒区高效小型沼气工程的设计与试验研究.pdf

摘要 1_i 摘要 能源是人类赖以生存的重要资源之一。然而能源的短缺已成为世界性问题，特别是可再 生能源的短缺更显突出。化石能源的不断减少，导致其价格不断上涨。随着社会主义新农村 建设的深入开展，广大寒区农民迫切要求解决牲畜粪便污染、改善居住环境、提高用能品质 和方式，降低生活用能费用等问题。为此，本文提出建设寒区高效小型沼气工程，以解决上 述问题。 温度是制约沼气发酵的重要因素之一，北方寒区因为冬季气候寒冷，沼气发展受到一定 制约。1 本文采用燃池为沼气池增温的方式，使沼气池达到了中温发酵，在满足了农户生活用 能的同时还为猪舍提供了一个良好的温度环境，为田地提供了优质、高效的有机肥，一举多 得。因此设计适合寒区的高效小型沼气工程势在必行。 本课题选择黑龙江省拜泉县为试验基地，选择一农户为试验对象，为其设计小型沼气工 程。该农户房屋住宅面积为1 0 0 m 2 ，通过热能计算设计沼气池的容积为1 0 8 m 3 ，发酵温度为 2 5 - 3 0 ，产气率为0 4 m 3 ( m 3 d ) ，燃池为其增温方式。利用假设方法与传热学原理设 计燃池的容积为1 0 8 m 3 。在燃池与沼气池中共布置了1 3 个温度测试点，通过传感系统将测试 温度自动传输到计算机上并保存，利用沼气流量计测试每天产气量并通过传感系统自动传输 到计算机上并保存。通过对所测数据进行处理与比较得到以下结论： 本课题通过理论设计与实践测试，获得了大量有价值的数据，通过对数据的处理与分析， 为北方寒区高效小型沼气工程的设计提供了理论与实践依据，现阐述如下： 1 燃池在启动1 5 天左右时，进入稳定运行状态，沼气池的稳定性比燃池好； 2 通过控制燃池燃料的密实度、含水率和通风速度来控制燃池的燃烧速度及温度，进而 控制沼气池的发酵温度； 3 在高寒地区建设高效小型沼气工程可满足农户的冬季取暖或夏季照明、炊事所需能源， 提高了农户用能品质，为猪的生长提供了良好的温度环境； 4 此工程具有良好的经济、生态和社会效益； 5 此工程填补了黑龙江省空白，可为类似地区提供一种成功推广模式。 关键词：小型沼气工程；沼气池；燃池；寒区；增温；温度测试 a b s t r a c t d e s i g na n dt e x te x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eh i g h e f f e c t i v es m a l ls c a l e dm e t h a n e e n g i n e e r i n gi nt h e h i g h - - c o l dr e g i o n a b s t r a c t t h ee n e r g yi so n eo ft h ei m p o r t a n tr e s o u r c e s e st h a tt h em a n k i n d sr e l yo ne x i s t e n c e h o w e v e r , s e r i o u sc o n t a m i n a t i o na n ds h a r pd e c r e a s eo ff o s s i lf u e la r eag e n e r a lp r o b l e mi nt h ew h o l ew o r l d , w h i c hi sd u et oo v e r - u s a g e t h ee x p l o i t a t i o no fa l t e r n a t i v ee n e r g yh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nt o i nt h ew o r l d a sac l e a na n dr e g e n e r a t i v ee n e r g y , b i o g a sw i l lb eu t i l i z e da tal a r g es c a l o , b e c a u s ei t i sn o to n l yt or e s o l v ee n e r g ys h o r t a g eb u t a l s ot or e d u c et h ec o s to ff a m i l yc o o k i n ga n dh e a t i n g e x p e n s e s f o rt h es a k eo f t h e s e ，i t sp r o p o s e dt oc a r r yo ns m a l ls c a l e dm a r s hg a sp r o j e c t si nt h ec o l d r e g i o n t e m p e r a t u r ei so n eo ft h es i g n i f i c a n tf a c t o r sf o ra n a e r o b i cf e r m e n t t h ew e a t h e ri sc o l di n w i n t e rf o rn o r t h e ma r e a , w h i c hi sanl i m i t a t i v ef a c t o rt od e v e l o pm e t h a n ep r o j e c t h e n c e ，i t sv e r y n e c e s s a r yt od e s i g nas m a l ls c a l em e t h a n ep r o j e c tw h i c hi sf i tf o rt h ec o l dz o n ea n dc a nk e e pw a r m i nw i n t e rf o rt h ev i l l a g e r s b ym e a r l so fh e a tp r e s e r v a t i o nf r o mt h ef a e p o n d ，t h em e t h a n ec a n f e r m e n ta tm i d d l et e m p e r a t u r e c o n s e q u e n t l y , t h i sm e t h o dc a nn o to n l ys a t i s f yt h eu t i l i z a t i o nw i t h t h eh o u s e h o l d s ，b u ta l s os u p p yag o o dc o n d i t i o nf o rt h es w i n e t h i st o p i cc h o s eb a i q u a nc o u n t r ya st h ee x p e r i m e n t a lb a s e ，w h i c hi si nh e i l o n g j i a n gp r o v i n c e a n dt h e n , c h o s eap e a s a n th o u s e h o l da sa ne x p e d m e n t a lo b j e c t ，d e s i g n i n gs m a l ls c a l em e t h a n e e n g i n e e r i n gf o ri t a c c o r d i n gt ot h ea r e ao ft h eh o u s er e s i d e n c ei s 10 0m 2 ，d e s i g nt h em e t h a n ep o o l w h o s ea r e ai s1 0 8 m ，f e r m e n tt e m p e r a t u r er a n g ef r o m2 5t o3 0 c ，a n dt h er a t eo fg a sp r o d u c t i o n w a s0 4m s m “d 1 1 1 ef i r ep o n di st h ei n c a l e s c e n c em e t h o d m a k eu s eo fa s s u m p t i o nm e t h o da n d t r a n s m i th e a tt h e o r yt od e s i g nt h ef u ep o n d ，t h ea r e ab e i n g10 8m a r r a n g e 13t e m p e r a t u r et e s t s o r d e ri nt h ef i r ep o n da n dt h em e t h a n ep o o l ，c a r r yo nap r o c e s s i n gt ot h ed a t am e a s u r e da n d r e l a t i v e l yd r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 1 a r o u n d15c l a y s ，t h ef i r ep o n dg o ti n t os t a b i l i t yt oc i r c u l a t e t h es t a b i l i t yo ft h em e t h a n e p o o lw a sb e t t e rt h a nt h ef i r ep o n d j 。 2 c o n t r o lt h ef e r m e n tt e m p e r a t u r eo ft h em e t h a n ep o o l ，b ym e a n so fc o n t r o l l i n gt h ef i r ep o o l w i t ht h ep a r a m e t e r so fd e n s i t y , h u m i d i t yv e n t i l a t e di n t e n s i o na n d t e m p e r a t u r e 3 i nt h eh i g ha n dc o l dr e g i o n ，i tc a l ls o l v et h ee n e r g yn e e d sf o rc o o k i n g ，k e e p i n gw a r mi n w i n t e ra n di l l u m i n a t i n g ，c o n s t r u c t i n gas m a l ls c a l e dm e t h a n ep o o le n g i n e e r i n gf o rt h ep e a s a n t h o u s e h o i d s a d d i t i o n a l l y , i tc a ns u p p yag o o dc i r c u m s t a n c ef o rt h ep i g 4 t h i sp r o j e c tt a k e so no u t s t a n d i n ge c o n o m i cb e n e f i t 、e n v i r o n m e n t a lb e n e f i ta n ds o c i a l b e n e f i t i i i 东北农业大学工学硕士学位论文 5 t h i sp r o j e c tc a l lb eas u c c e s s f u lp a a e mf o ro t h e rs i m i l a ra r e a , k e yw o r d s ：s m a l ls c a l em e t h a n ee n g i n e e r i n g ；m e t h a n ep o o l ；f i r ep o n d ；h i g h - - c o l dr e g i o n ； c a l e f a c t i o n ；t e m p e r a t u r et e s t p o s t g r a d u a t e ：d a n gj i n x i a m a j o r ：a g r i c u l t u r a lb i o e n v i r o n m e n t & e n e r g ye n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：z h a ig u o x u n i v 学位论文独创声明和版权使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；翅逡直甚他益噩挂别重盟鲍：奎拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：咳夕分、缒日期：力唠年多月胳目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 哓仓鼹日期：西功年钐月归日 学位论文作者签名：嘧，佑琵日期：渺年易月廖日 导师签名： 绷动 日期：2 财年多月廖日 ， 绪论 ! ! ! ! ! ! ! 皇曼皇毫詈曼皇鼍! 皇! 詈! 皇詈皇! ! ! ! 曼! ! 曼! 詈鼍! 皇詈皇! ! 詈詈詈穹詈! ! 曼! ! ! ! 曼! 曼曼! ! 曼! 皇詈曼詈! 鼍曼鼍! 皇詈皇! 皇曼皇皇喜詈詈詈! 詈! ! 鼍。 1 绪论 1 1 引言 能源是人类赖以生存的重要资源之一。然而能源的短缺，己成为世界性的问题，特别是 可再生能源的短缺更显突出。虽然近年来加大了对地下能源资源( 煤炭、天然气等) 的开采 力度，然而这些不可再生能源数量有限，再加上供给价格昂贵，涉足农村市场困难较大，所 以延用多年的燃烧薪材取能仍是农村解决生活用能的主要手段。于是林草、植被成为砍伐燃 烧的主要对象，乱砍乱伐不仅造成植被的破坏，不利于生态环境的建设，使人类生存环境进 一步恶化，也不利于农村“脏、乱、差”环境的改善，直接影响农村生活质量的提升( 郜春 花，1 9 9 9 ) 。鉴此，人们在寻找、探索着新型能源的发现与利用，可再生能源以其特有的优势 引起人们的注意。于是，就如何挖掘、发挥能源潜能，切实缓解可再生能源紧缺的矛盾已成 为一不可忽视的问题。因此，以沼气为龙头，加大对风能、太阳能的开放利用，走可再生能 源发展之路是明智之举( 贺光强，2 0 0 6 ) 。 沼气是各种有机物质在一定的温度、湿度、酸碱度和隔绝空气的条件下，经过种类繁多、 数量巨大、功能各不相同的微生物作用而发酵产生的一种可然性气体( 吕映辉，2 0 0 6 ) 。随着 科学技术的发展和人类认识能力的提高，沼气的能源功能、生态功能和环卫功能越来越被人 类所认识，沼气已成为联结养殖和种植、生活用能和生产用肥的纽带，成为实现燃料、肥料 和饲料转化的最佳途径，起着回收农业废弃物能量和物质的特殊作用( 申光华，2 0 0 0 ) 。 发展沼气事业具有重大的意义，沼气工程的功能可以体现在以下六个方面( 朱洪光， 2 0 0 7 ) ： 1 能源功能：利用厌氧微生物的代谢作用，沼气工程在无氧条件下把有机质转化为沼气 和水。沼气是一种清洁高效的优质能源，其能量效率稍低于天然气，其主要成分是ch j ， 只是co2 浓度较高，如果加以纯化，和天然气相同。 2 环境治理功能：沼气工程能够把低密度有机物转化为气体直接释放，能使低密度有机 污染物得到治理。沼气工程已经成为高浓度有机废水治理最经济和最有效的途径，如养殖业、 食品加工等行业的排放废水治理均可利用沼气工程( 焦瑞莲，2 0 0 6 ) 。 3 卫生功能：沼气工程能够在厌氧条件下杀死粪便和垃圾中的有害微生物、寄生虫卵。 根据研究，灭活率都在90 以上。同时，沼气发酵后，粪便和垃圾的形态也得以改善，体 积和重量减少，因此是非常好的卫生处理手段。联合国在发展中国家大力推广沼气事业，其 中解决发展中国家落后地区的卫生问题，促进健康是其重要目标之一。 4 循环经济枢纽功能：在农业上，沼气工程的循环经济功能可以体现为沼气工程的积肥 作用，使营养物质在农业生产体系中获得循环，提高农业的综合生产效益：在工业上，沼气 工程的循环经济功能可以体现为废物能源转化和副产品生成，使工业经济内部原料在厂内得 到循环利用，延长了产业链，增加效益，增加就业机会。 、 5 安全食品生产促进功能；有机食品、绿色食品和无公害食品的生产都要求增加有机肥 使用，采用综合病虫害预防，减少化肥和农药的使用。沼气工程一方面提供优质有机肥，同 时沼液还有较好的病虫害防治效果。因此，发展沼气事业是促进有机食品、绿色食品和无公 东北农业大学工学硕士学位论文 害食品的重要技术支撑。 6 自然生态保护功能：沼气工程的能源生产可以减少森林等自然植被破坏，根据目前很 多地方政府的经验，发展沼气是近年来森林得以恢复的重要因素；其次，沼气工程促进种植 业有机肥的使用，使土壤活力得以增强。 随着沼气技术的不断发展，沼气池与其它建设设施相结合己成为现如今沼气技术发展的 新趋势，利用附加设施使沼气池达到理想的发酵条件也已成为当今沼气技术研发的新课题。 小型沼气工程主要利用燃池、沼气锅炉、太阳能热板与太阳能热水器为池体增温；大型 沼气工程主要利用发电机组的余热为发酵罐加温( 张茂成，2 0 0 4 ) 。 1 2 国内外沼气研究的动态与趋势 1 2 1 国外沼气发展状况 沼气的生成是一种古老的生物现象，自从人们在湖泊或沼泽发现了这种收集起来就可以 点燃的气体之后，人们对于沼气的认识与研究就在不断的进行着。- 1 7 7 6 年，意大利物理学家 a l e x a n d e rv o l t a 测出湖泊底部植物体腐烂所产生的气体中含有甲烷。1 8 5 9 年， “发酵之父” 法国科学家l o u i s p a s t e u r 用著名的p a s t e u r 实验，证明发酵现象是微小生命体进行的化学反应。 1 8 7 5 年，俄国学者p o p o f r 首先利用河泥加入纤维素物质，产生甲烷，并发现甲烷发酵是一 个微生物学过程，这引起了人们广泛的兴趣。1 8 9 6 年，英国在_ 个小城市里建起了一座沼气 池，用来处理生活污水所产生的污泥，所产生的沼气可以照明一条街道( 孙孝政，2 0 0 5 ) 。 1 9 1 4 年，美国有1 4 座城市建立了厌氧消化池。1 9 3 6 年，h a b a r k e r 发现沼气发酵分为产 酸和分解酸两个阶段产生甲烷。1 9 4 0 年，在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池，改善了 厌氧污泥与废水的混合，提高了处理效率。1 9 5 0 年，美国r e h u n g a t e 教授建立了厌氧技术， 沼气池也由开始时的简单化粪池发展到高速消化器。1 9 6 7 年布赖恩特分离纯化了沼气发酵微 生物中的产氢产乙酸菌和产甲烷菌，人们对沼气发酵的微生物学原理开始有了正确的认识 ( b r y a n t ，m ，p ，1 9 7 9 ) 。1 9 6 9 年，厌氧技术出现了突破性的进展，y o u n g 和m c c a r t y 发明了 厌氧滤池( j c y o u n g ，p l j m c c a r t y ，1 9 6 9 ) 。1 9 7 9 年，厌氧技术出现了重大的突破，荷兰 农业大学环境系l e t t i n g a 等研制成功了上流式厌氧污泥床( j c a l l a n d e ra n dj e b a r f o r d ，1 9 8 3 ， c t l e t t i n g a l9 8 0 ) 。这些新工艺使可溶性原料在池内发酵时间大大缩短( g r z o u t b e r g ，r f r a n k i n ， 1 9 9 6 ，w a n gk a i j u n ，1 9 9 8 ) ，使沼气发酵技术得到广泛的推广( s p e e c e r e ，1 9 8 3 ，g u n a s e e l a n vn ，1 9 9 7 ) 。 在英国，建立了甲烷的自动化工厂。据估计，英国利用人和动物的各种有机废物厌氧发 酵所产生的甲烷，可以替代整个英国2 5 的煤气消耗量。苏格兰己设计出一种小型甲烷发动 机，可供村庄、农场和家庭使用。英国以垃圾为原料实现了沼气发电，在今后1 0 年内，英 国还将投资1 5 亿英镑，建造更多的沼气发电厂。在丹麦，厌氧发酵工厂朝着大型化、集中 化方向来建造( 孙孝政，2 0 0 5 ) 。从1 9 9 6 年起已有1 8 个集中厌氧发酵厂，可以产生沼气 作为能源。在美国，一牧场兴建了一座工厂，主体是一个宽3 0 m 、长2 1 3 m 的密封池组成的 甲烷发酵结构，它的任务是把牧场厩肥和其他有机废物，由微生物转变成甲烷、二氧化碳和 干燥肥料。这座工厂每天可处理1 6 5 0 t 厩肥，每日可为牧场提供1 1 3 万m 3 的甲烷，足够l 2 绪论 万户家庭使用。目前美国已拥有2 4 处利用微生物发酵的能量转化工程( j o h ns t u m b o s ，2 0 0 1 ， g l e t t i n g a ，1 9 9 4 ) 。 世界许多国家如美国、德国等正利用沼气发电。1 9 2 7 年，德国开始用沼气发电。并用冷 却发电机组的热水来加热沼气池。1 9 4 8 年，在德国的o d e n w a l d 小镇出现了第一个沼气设备。 由于政府的鼓励与支持，德国沼气发电上网技术已经得到普及与广泛发展( 刘继芬，2 0 0 4 ) 。 加利福尼亚州已经在1 2 个大型奶牛场建立了沼气发电装置，这种沼气发电是指利用生物发酵 奶牛场排泄物生成沼气，再利用沼气发电。加州争取在2 0 1 0 年，利用废物发电量占总电力的一 2 0 ，4 0 的奶牛场拥有自己的小型沼气发电设备。 1 2 2 国内沼气发展的历史与现状 。 1 2 2 1 国内沼气发展的历史 中国沼气建设起步于2 0 世纪7 0 年代，已有3 0 多年的发展史，经历了三个阶段，步入了 新的发展局面( 朱云璋，2 0 0 3 ) 。 页户 ，i | 声 。 入。j 。 j 一 。| l 。一。 年份 图1 - i 中国农户沼气池历年发展态势 f i g1 - 1d e v e l o p i n gs i t u a t i o no f m e t h a n ep o o lo f c h i n e s ep e a s a n to v e rt h ey e a r s 1 9 7 3 年1 9 8 3 年：仓促发展与回落 1 9 8 4 年1 9 9 1 年：调整与重视科技 1 9 9 2 年1 9 9 8 年：回升与效益凸现 19 9 9 年至今：全面提升与快速发展 第一阶段是1 9 7 3 年到1 9 8 3 年的1 0 年间，为高速发展与回落阶段，政府急于解决农民生 活燃料严重短缺而在全国推广沼气，1 9 7 6 年形成了全国性的高潮，当年统计推广2 5 6 7 万户。 终因仓促上马、急于求成，缺乏坚实成熟的技术基础和支持，以及管理不善等原因，造成数 量上的高速发展，而紧跟着的大回落阶段，从1 9 7 6 年的7 0 0 多万户回落到1 9 8 2 年的4 0 0 万 户o 。 第二阶段是1 9 8 4 年到1 9 9 t 年的8 年间，为调整阶段。此阶段注重沼气技术系统的科研， 3 0 0 0 ) ) ) ) 似 掀 僦 萋! 量 蜘 矍| o “ e “ 8 6 4 2 东北农业大学工学硕士学位论文 修理病态池，放慢发展速度，8 年间新增池扣去报废池仅累计增加8 2 7 万户，平均每年增加 1 0 万多户。 第三阶段是1 9 9 2 年至1 9 9 8 年，为回升发展阶段。由于第二阶段科研与示范工作取得重 要成果，如户用高效沼气池技术、南方恭城模式、北方“四位一体”模式等沼气与生态建设 等有机结合( 邓可蕴，2 0 0 1 ) ，褶气建设综合效益日益明显，有回升发展，每年建池在5 0 万 户左右。 、“ 从1 9 9 9 年起农业部总结了北方“四位一体”、南方“猪一沼一果”、西北“五配套”等卓 有成效的沼气能源生态建设经验，提出了“能源环保工程”和_ 生态家园富民工程”计划( 王 锡吾，2 0 0 0 ) ，并于2 0 0 1 年和2 0 0 2 两年争取到小型公益农村沼气项目每年补助1 亿元的支持， 2 0 0 2 年农村基建2 亿元支持，并于2 0 0 3 年得到农村基础设施国债资金1 0 亿元的支持，使中 国沼气建设进入了一个全新的发展阶段。每年新建沼气池加速发展到2 0 0 3 年的2 1 0 万户，即 ，2 0 0 3 年新发展的农户沼气池为上个世纪中期每年新增5 0 万户的4 倍多，2 0 0 3 年沼气池保有 量为1 2 8 8 9 万户，是1 9 9 6 年保有量6 0 2 万户的翻一番多，2 0 0 3 年总产沼气量达4 5 8 亿m 3 ， 沼气建设进入快速发展的新阶段( 张艳丽，2 0 0 4 ) 。 2 0 0 3 年大中型沼气工程达到2 3 5 5 处，为1 9 9 6 年5 9 2 处的4 倍，其中处理农业有机废物 2 1 2 4 处，处理工业有机废物2 3 1 处。年产沼气1 8 4 亿m 3 。2 0 0 3 年生活污水净化沼气池发展 到1 3 1 万处，比1 9 9 6 年增长2 倍，年处理公厕、医院、居民楼及其他排放生活污水4 6 亿t 。 1 2 2 2 国内沼气发展存在的问题 根据、目前国内户用沼气池的发展状况，户用沼气池技术要达到重大突破，还面临着以下 的问题。第一，目前的户用沼气池建造成本相对比较高，这是影响户用沼气池技术进一步发 展的一个重要因素，因此必须改进建材和施工工艺，降低建池成本；第二，进出料难的问题 仍然没有行之有效的解决办法；第三，还须进一步提高原料产气率；第四，沼气池内料液结 壳问题严重，需要有效的搅拌措施；第五，对北方大部分地区来讲，保持相对稳定的、一定 量的产气量成为户用沼气池技术进一步发展的关键。这些技术问题牵扯到许多方面的因素， 要靠多方面的努力才有希望解决( 张水龙，2 0 0 0 ) 。 1 2 2 3 寒区沼气发展存在的问题 寒区主要指我国东北高寒地区，属大陆季风性气候，夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥。漫 长寒冷的冬季造成地温偏低，使普通水压式沼气池池温维持在8 1 5 之间，达不到最佳发 酵温度j 这种低温环境导致沼气发酵不佳、产气率低、粪便等有机物质降解不好，达不到沼 气池建设的目的。其存在的主要问题如下： 1 时间短、效益差 目前推广的水压式沼气池多为“三位一体”或“四位一体”模式。即把沼气池建在日光 节能温室或太阳能畜禽舍内，没有专门的保温或增温设施，仅依靠太阳能及其周围环境的能 量供给来满足沼气池内甲烷菌正常活动所需要的温度环境。在这样的条件下，沼气池能够正 常运行8 1 0 个月，多达四个月的时间无法正常运行，占全年总运行时间的1 3 ，降低了沼 气池的利用水平，影响了沼气池的综合效益。 2 池温低、产气少 普通水压式沼气池池温主要受季节气温及其周围环境的影响。沼气池池温随地温与气温 4 绪论 的变化情况如表1 i 所示： 表卜1 池温随地温和气温的变化 t a b l el 一1t h ep o o lt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n sw i t hg r o u d et e m p e r a t u r ea n da i r t e m p e r a t u r e( ) 从表l 中可以看出，2 4 月份地温最低，仅为6 7 ，沼气池池温在8 9 ，产气量 微弱；8 1 0 月份地温最高，为l o 1 1 ，沼气池池温在1 5 1 8 之间变化，产气率为0 0 7 0 1 m 3 ( m 3 d ) ，一个8m 3 沼气池产气量为o 5 6 0 8m 3 d 。 3 降解差、肥效低 降解是指在分解菌的作用下，把粪便等有机物质分解成结构简单的化合物的过程。降解 速度受发酵温度、浓度、酸碱度等多种因素的影响。其中，受温度变化的影响最大。从表1 1 中可以看出，冬季沼气池池温仅为8 左右，发酵原料在沼气池内的滞留时间多达1 2 0 天， 由于目前水压式沼气池为“连续进料、阶段出料”的结构形式，增加了沼气池内发酵料液的 浓度，降低了厌氧分解菌对于粪便等有机物质的分解能力，导致沼气池内发酵原料降解效果 差，使其中一部分发酵原料未经过发酵或完全发酵而投入使用，降低了沼肥肥力，严重影响 了绿色食品或无公害农产品的产量和品质( 王贵仁，2 0 0 6 ) 。 4 周期长、负荷小 沼气池的发酵原料大多为人畜粪便，我们把粪便等有机物质在沼气池内的滞留时间称为 发酵周期。发酵周期的长短直接影响沼气池负荷，即每单位池容积每天所能承受的有机物的 量( 在这里，我们用畜禽舍内饲养猪的头数的多少来衡量沼气池负荷的大小) 。普通户用沼 气池在2 - - 4 月份池内温度为8 左右，发酵周期长达1 2 0 天，有机物质在沼气池内过长的滞 留时间导致了发酵间效率下降，使产酸与产甲烷的速度平衡失调，发酵间效率下降，使分解 菌能够处理的畜禽粪便量减少，一个8 m 3 的沼气池只能够处理5 头猪的粪便量，导致沼气池 负荷偏小。 1 2 3 小型沼气工程的加温模式 1 利用燃池为沼气池增温：这一方式就是在沼气池外壁砌筑一圈燃池。在农村有大量的 废弃秸秆，稻壳等资源，因此利用这一资源作为燃池的原料，加热沼气池，提高沼气发酵温 度，缩短发酵周期、提高冬季产气率。 2 利用太阳能集热板为沼气池增温：这一方式就是利用太阳能集热板为沼气池增温，在 沼气池外壁与池底设置太阳能集热板，利用太阳能集热板收集的热量为沼气池增温。使其达 到中温发酵，缩短发酵周期、提高冬季产气率。太阳能、沼气能作为一种新能源，通过太阳 能转换促使农村废气物发酵，生产出大量甲烷气体，产生清洁能源。通过种植一养殖一太阳 能一沼气能等形式形成农业产业结构。 3 利用热管为沼气池增温：这一方式就是利用沼气为沼气池自身增温，在沼气池内壁与 5 东j 农馥大学工学磙士学位论交 1 l , i i i i i i ii i i i i i i i ih i l l i i i i i i i i 嬲皇! ! ! ! ! 苎嫩嬲詈! ! ! ! ! 苎懋燃詈! ! ! ! 苎燃 池底布置热管，利用沼气锅炉加热水，通过重力作用使热水在管内循环，从而达到为沼气池 增温的旨的。 1 3 燃池发展状况 燃池，t 是一稀十多年前在我国表j 部分地区兴怒躲冬季采暖设藏，盘当地传统民屠中的 “炕”演化而来，常见于农村中小学校平房式的教室中( 孟贵堂，1 9 9 9 ) 。燃池的主体位于 采暖建筑地面下的一个燃烧空间，它以植物残碎的根、茎、叶及锯末等为燃料，通过限制供 氧及淋水翻漫技术，使燃辩处予厌莽鬻燃状态，产生靛热量逶过项板的话导、辐射，失上面 的房间供暖。 从形态构成上来看，燃池通常包括位于地板下的池体燃烧空间、顶部散热板、进( 出) 料 疆、捧耀道、注水管、透风叠等六个部分。涟体燃烧空闫位子供暖房闻地板的下方，平瑟形 状呈长方形、正方形、圆形都可，面积一般为供暖房间室内面积1 6 ，池深在1 2 1 4 m 之间 为宜。燃池的四壁通常用砖来砌筑，顶板可以由钢筋混凝整体浇筑或钢簸混凝预制板搭 建。 l 。3 。l 燃池的原理 尽管燃池起源予“炕”，但也与“炕”存在着一些明显的区别。炕是突出于地面的寝具， 加热炕的燃料是快速的充分的燃烧，通常是利用炊事烟气的余热；而燃池隐形于地下，其正常 燃烧过程是阴燃。陵燃是一种燃料在缺氧装态下的、无火焰静、低速的燃烧过程。陵燃的优 点是燃烧缓慢，可以延长一次投料的燃烧时间，从而节省燃料并简化人工操作。用来控制燃 池内阴燃速度的措施包括两方砸：限制供氧以及淋水加湿。通过启闭通风口可以调节燃池内 静氧气浓度，麸丽控翻燃烧速度。燃涟肉的注承管孳| 自于叁采承管，淋水知漫可以防止燃料 过快过量燃烧。 燃池供暖的操作流程如下：冬季来临时由进( 出) 料口向燃池内送入燃料，然后用力将其挤 压密实并充满洼体空阁，燃料越密实泡体空闻盛料越多，燃烧时间就越长，而且燃料问隙受 的空气越少，阴燃的速度也越容易得到控制。燃料点燃后可以根据室内的温度要求对进气口 的进气量和注水管的喷水量进行调节( 吕爱民，2 0 0 5 ) 。 1 3 2 燃池的优势 与火炉、东赍璜暖气等其蚀采暖方式裰比，燃洮酶优势在予： 1 技术的简单性。燃池的原理和构成类似于东北传统民居中的“炕”，设备简隳，技术原 始，造价便宜，易于推广。 2 。运行的经济性。凡孚所鸯的植物稽秆及其碎寒都可作为燃渔的燃粉，这些燃料在农誊誊 可以就地取材、来源广泛、成本低廉，燃池在这方面比火炉、火炕和暖气更具优势，而燃烧 质的灰烬同样可以作为农业肥料。 3 。采暖懿舒适性。俗话说：寒放脚下垒。温暖的地板通常可以减少入体的辐射散热。因焉 燃池比火炉、暖气或空调等方式采暖的室内温度更均匀，让人感觉更舒适。 4 室内的清洁性。燃池不像火炉或者“炕”那样占据室内空间，相对能提高空间利用效 6 绪论 率，也不会产生室内的灰尘污染，非常洁净。 5 工艺的适应性。燃池之所以在东北地区的中小学校中最为多见，是因为学校为节省费 用需要间歇供暖，即白天使用，夜间关闭。水介质暖气在寒冷的夜晚会因为低温下水的冻涨 作用而毁坏管道设备。燃池昼夜阴燃，不怕冻涨，而且一次填充燃料管理得当可连续供热一 个月以上，特别适合当地的农村中小学校采用。 综上所述，燃池是一种具有特定适应性的生态的低技术采暖措施，它以可循环再生的生 物质能为燃料，在气候寒冷、能源紧张、经济欠发达的我国东北部分地区具有特定的适应性 和广阔的发展前景。 1 3 3 燃池的兴衰 燃池的兴盛时期大约为1 9 9 0 年前后，当地各处大面积的校舍新建和改扩建为人们寻找一 种成本低廉、工艺适合的采暖方式提供了契机。由于东北地区冬季寒冷漫长，校方办学经费 有限，而燃煤的火炉或者介质暖气往往因运行费用高而难以维系。燃池于是应运而生，它弥 补了已有采暖方式在经济性、工艺上、技术上的不足，显示了特有的综合技术经济优势，是 一种符合可持续发展要求的生态的适宜技术。 然而时过境迁，随着社会经济技术环境的变化，燃池的局限性逐渐暴露出来，在上个世 纪末就日趋衰落，其原因可以归结为以下三方面： 1 构造方面的瑕疵 由于燃池燃烧时内部充满了烟气且气压较高，如果顶部散热板、进( 出) 料口盖板、排烟 道等部分密封不好，除了可能引起池内燃烧速度加快，使室内温度控制失调，更有可能造成 烟气泄漏、导致室内空气污染甚至一氧化碳中毒。随着一批燃池的年久失修，燃池的密闭性 的技术问题日渐显现出来，部分燃池的混凝土散热盖板在长期的烘烤下出现细微的裂缝。烟 气混着水蒸气从燃池向室内泄漏，导致个别学校出现少数学生昏迷的现象，这也是燃池的致 命问题。引起了校方的极大不安，大量的燃池因此而纷纷停用。 ： 1 2 适用范围的局限 燃池适用范围的局限性主要在于它需要一个较大的池体空间，因而燃池通常仅仅能满足 单层建筑的供暖，这对于日趋楼房化的中小学校校舍建筑非常不适应，因而新建的多层教学 楼都不采用燃池供暖；同时，燃池也无法替代住宅中炊事和采暖功能合一的火炕。因燃池阴 燃产热的功率十分有限( 根据有关资料，成年人体在常态下的放热强度大约在8 0 w 左右) ，在 教室中众多的学生是重要的热源，而住宅中无此优势，很少被采暖需求最多的住宅采用。 3 其他技术的冲击 由于技术和经济的发展，介质暖气在当地日渐普及，某些新型的暖气介质比如油性介质 遇低温而不冻结，避免了夜间暖气管道的冻涨破坏问题，并开始应用到中小学的校舍建筑中， 这对燃池的应用领域是一个巨大的冲击。由于上述一些原因，已建的燃池绝大部分在2 年左 右已经被废弃，新建的校舍以楼房为主，大多开始配备介质暖气，风光一时的燃池就此走向 衰落。然而，燃池的经济性、舒适性依然时常让当地的人们留恋不已。 燃池的出现和一时兴盛证明了它在特定的社会经济环境中具有其他采暖技术不可替代的 优势，它所具有的技术简单、造价便宜、运行经济、能源再生的可贵品质在能源紧张、倡导 7 东北农业大学工学硕士学位论文 生态的当今社会仍然具有重要的现实意义，但是燃池要继续发展就必须针对当今的环境做出 相应的完善和改变。 1 3 4 燃池与其它建筑结合的研究状况 目前燃池与其它建筑结合的模式主要是：燃池与户用沼气池( 8 m 3 沼气池) 结合、燃池 与日光温室结合，其目的都是为其加温。 燃池与户用沼气池结合就是在沼气池周围建一圈燃池，在气温低的时候启动燃池使其为 沼气池加温，从而保证沼气池能正常产气( 郭继业，刘中秋，2 0 0 4 ) 。如图1 2 所示： 图1 2 燃池一沼气池示意图 f i g1 - 2t h es k e t c ho f f i r ep o o la n dm e t h a n ep o o l 燃池与目光温室结合就是在日光温室地下建燃池，通过燃池加热周围的土壤，使其适合 作物的生长( 白义奎，2 0 0 2 ，2 0 0 5 ，2 0 0 6 ) 。如图1 3 所示： i $ 1 n 日姗撕t l t l 啪2 嘲：如o 。蹦 暑 i i11l i n c l v - i 一 ， 州 i 葺房自 目 r 寓 i 厘l一熊1j 兰 - j f 谢 蘸 2 砖 l屠夸i 嚣= 皂) 帅呻口； 1 器 挖舞台 风矗 t 衄l 暇：聊l 一 ；毙 罱髓门 i 塞 ；童真i 蹴童 匹 ， 置造一 删脚啪： 舶一l 舶 6 瀑1 曼 肿务 l ，1 7。 慧y r 暑o r 品 口 一一 t 鬻叼1 6 s 9 0蝴 l 5 9 枷 k、，l矗 l ，； 图1 3 燃池与温室相结合平面图 f i g1 - 3l a y o u to ff i r ep o o la n ds o l a rg r e e n h o u s e 8 绪论 1 4 本课题研究的意义与主要内容 1 , 4 1 本课题研究的意义 能源是人类赖以生存的重要资源之一。然而能源的短缺己成为世界性问题，特别是可再 生能源的短缺更显突出。化石能源的不断减少，导致其价格不断上涨。随着社会主义新农村 建设的深入开展，广大寒区农民迫切要求解决牲畜粪便污染、改善居住环境、提高用能品质 和方式，降低生活用能费用等问题。为此，本文提出建设寒区高效小型沼气工程，以解决上 述问题。 沼气属可再生能源，发展沼气事业是目前解决可再生能源短缺的最有效手段。发展沼气 对生物质资源的充分利用和循环增值，以及有机物返还土壤，提高土壤有机质含量，一减少作 物病虫害，提高作物防寒抗旱能力等方面均有良好效果。另外，沼气、沼液、沼肥作为能源、 肥料、饲料的多层次综合利用，在保护生态环境，促进生态平衡方面亦有重要作用。沼气工 程不仅解决农村用能问题而且改变了农村“脏、乱、差”的环境。 沼气发展已经取得了显著成果，但也存在一定问题。最主要的就是温度问题，特别是北 方冬季气温低，沼气池无法正常发酵，产气率极低甚至停产。 本课题研究的目的就是设计出适宜在寒区推广的高效小型沼气工程。通过该沼气工程解 决农户取暖等生活用能问题，降低用能费用，同时为田地提供优质高效的有机肥，为猪舍提 供良好温度环境。在设计中，利用燃池为沼气池增温，保证沼气池达到中温发酵，冬季利用 沼气锅炉燃烧沼气取暖，在其余季节可以通过沼气发电机、沼气灶具燃烧大量盈余沼气解决 农户照明、炊事问题。 ， 解决沼气池的温度问题，不仅可以提高产气率，而且也提高了沼液的发酵效率，降低了 料液的滞留时间，提高了沼气池的承载能力，使同样大小的沼气池能够处理更多的牲畜粪便。 因此不仅解决了农村冬季用能问题，还提高了农户的经济收入，减轻了农民负担。沼气无污 染、干净便捷，不仅改善农户居住环境，而且也减少了大气污染，促进了农村物质文明、精 神文明以及农村经济可持续发展，具有良好的经济效益、生态效益和社会效益。 1 4 2 本课题研究的主要内容 1 根据实际情况进行整体的设计和布局 试验开始前，深入了解农户院落的整体布局情况，弄清农户住宅的格局，房屋保温状况， 畜禽舍的位置等。为试验的下一步设计奠定基础。详细如下： ( 1 ) 农户基本信息：了解农户冬季室内温度、房屋保温状况和面积、取暖耗能量等信息， 作为试验设计的第一手资料。 ( 2 ) 了解畜禽舍的位置，畜禽舍与厨房的距离，设计沼气池的坐落位置。 2 设计沼气池的容积和发酵温度 ( 1 ) 计算农户冬季住宅取暖耗能量。 ( 2 ) 根据取暖耗能量确定沼气池的发酵容积和发酵温度。 根据农户冬季住宅取暖耗能量计算出沼气需求量，将沼气池发酵温度设计在2 5 3 0 之间，沼气池产气率为0 3 - - 一0 5 i n 3 ( 沼气) i n 3 ( 池容) d ，从而确定沼气池的发酵容积。 9 东j 农鼗大学工学硕士学位论文 3 设计沼气池的增温方式 设计燃涟为沼气池增温。根据设计的沼气渣泡容大小、发酵温度、沼气池的散热损失、 燃池的热利用效率设计燃池的大小。 4 ，分析燃池对猪余温度的影响 燃泡在为沼气池增温的同时，通过地面向猪舍内散发了大量的热量，提高了猪舍的发酵 温度，为猪的生长提供了良