基于地下水源热泵的寒区沼气工程加热模式的探讨

合理选择节能环保型沼气发酵料液加热增温的模式和设备,是北方高寒地区发展大中型沼气工程必须解决的问题。该文提出了利用地下水源热泵对沼气发酵系统进行加热的模式,通过沼气工程应用实例与现场测试,验证了地下水源热泵加热系统对保持沼气中温发酵系统稳定运行的作用;获得了热泵机组的平均能效比为4.39,加热系统平均能效比为2.71;热泵机组一次能源利用系数为1.27,高于燃煤锅炉直接供热方式近1倍。同时通过对加热系统在2010-09-29—2011-02-25供热期内的实时跟踪监测,获得系统的实际能耗为4.79×108kJ,与燃煤锅炉直接供热方式相比,可节约标准煤10.8t,节约标准煤44%,减少二氧化碳排放量25.9t。结果证明地下水源热泵加热系统应用于沼气工程中是可行的,具有高效节能,运行稳定可靠,环境效益显著等优点,可为热泵技术在寒区沼气工程中的应用提供参考。     

太阳能与发电余热复合沼气增温系统设计

为了实现大中型沼气工程在北方寒冷地区的应用推广。该文针对北方寒冷气候特点,以哈尔滨双城市沼气工程为例构建了1套太阳能-发电余热中温厌氧发酵增温系统,阐述了该增温系统的设计原理,并对沼气发酵热负荷、发电机组余热回收利用率、太阳能集热装置热效率等关键参数进行了理论计算。计算得出该沼气工程全年平均每日热量的损失为6659.2 MJ,太阳能-发电余热中温厌氧发酵增温系统全年平均每日集热量为7017.6 MJ。通过对增温效果与该工程的热量损失进行对比,表明12、1、2月份系统需沼气发电机组额外提供372.2、369.4、208.3 kWh电量增温,其余月份系统可以实现发酵工程每日热量损失的补充,保证该工程的稳定运行。在8月份对示范工程的一次发酵罐体进行了增温效果测试,表明该增温系统在28 d左右可将该发酵罐内物料温度提升到中温发酵水平。该文为北方寒冷地区大中型沼气增温保温设备的配套建设提供参考。     

太阳能加温和沼液回用沼气工程的生态效益评价

为综合评价新型生态清洁技术应用下的规模沼气工程的综合生态效益,该文以北京市顺义区D沼气工程(同时应用沼液循环回用技术和太阳能-地源热泵增温保温技术)为研究对象,利用能量系统图和能值评价体系,从经济效益、环境效益和可持续性3个方面对该系统进行了综合性能值分析,分析了沼液循环回用和太阳能-地源热泵增温保温清洁技术的应用对规模化沼气工程生态经济效益的影响。结果表明:太阳能-地源热泵增温保温技术在规模化沼气工程中的使用,不可再生购买资源投入减少8.80%,系统可持续性提升18.75%,有效替代了化石能源的使用,生态经济效益明显。同时,沼液循环回用技术的应用,可使地下水投入减少65%,在沼气工程周边土地无法充分消纳该沼气工程产生沼液的条件下,可节省1.77E+05美元/a的农田消纳后的剩余沼液排污处理费,环境负荷率减小68.52%,能值可持续指标由0.03增为0.38,系统自我维持能力提升。因此,沼液循环回用和太阳能-地源热泵技术的应用对该沼气工程系统的经济、环境和生态效益有很大改善作用。     

寒区沼气工程地下水源热泵加热系统能效分析

在北方寒冷地区,沼气工程加热系统如何能有效、合理地利用能源,提高能源利用率,是沼气工程实现低能耗,高产能必须解决的现实问题。该文依据地下水源热泵加热系统在沼气工程中应用的实例,建立了以?效率、热效率以及能级系数为评价准则的沼气工程加热系统能效分析模型,并通过对加热系统实际运行参数的测试,得到了沼气工程用户系统?效率为97.8%,地下水源热泵机组系统?效率为13.4%,沼气工程加热系统总的?效率为13.1%;加热系统总的热效率为85.3%;沼气工程用户耗热量的能级系数为0.161,用户供给热量的能级系数为0.164,地下水源热泵机组的能级系数为0.567。结果表明,对于沼气工程低品位热能用户,采用低温水供热科学合理;热泵机组系统回收了地下水中低品位热能,节约了高品位电能,加热系统能的数量有效利用程度较高;但热源与用户之间供需能质存在差异,在能质利用方面还需进一步完善。该结论可为今后沼气工程选择合理的加热模式提供参考依据。     

基于系统动力学的北方大型沼气发电系统热平衡分析

该文应用系统动力学和有限元热平衡分析方法,针对黑龙江省某大型沼气发电工程,研究其能量供需平衡情况,并确定工程实际运行过程中的一些关键参数。研究结果表明：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%;通过对加热料液所需热量的分析确定了配料热水的加热温度,6、7、8月份为53℃,其它月份为65℃,其占沼气工程总需热量的73.13%～87.91%;通过对管路热损失的分析确定了不同外界气温条件下维持发酵罐35℃恒温发酵的日均加热时间;通过整个系统能量供需平衡的分析得出该工程发电回收的余热能够维持系统全年连续运转,为北方高寒地区大型沼气工程的应用及推广奠定了理论基础。     

基于沼液余热回收的沼气工程系统净产能特性

沼气发酵是目前最常用的有机废弃物处理方法。为研究发酵温度、进料挥发性固体浓度(volatile solid,VS)、沼液余热回收等对沼气工程系统净产能的影响,该文基于系统能量平衡模型,以能效比和净产能为评价指标,探讨了以猪粪尿为原料的小型沼气工程系统的净产能特性。研究表明:针对基准指标,进料VS浓度与发酵温度都存在一定的对应关系,且随系统运行模式的不同而不同。进料VS质量分数为4%时,若保证系统达到基准能效比,沼气锅炉加热模式下,发酵温度最大为28.9℃;实施沼液余热回收后,最大发酵温度增大为36.5℃。当系统取得最大净产能时,上述2种模式下对应的发酵温度分别为30和35℃。此外,同一进料浓度下,沼液余热回收前后最大净产能的增幅可达11.5%,其对应的能效比增幅为53.1%。因此,需综合考虑进料浓度、发酵温度、运行方式、净产能和能效比等因素确定合理的运行参数,确保沼气工程系统良好有序运行。     

第三方运营下规模化畜禽沼气工程运行与管理

沼气工程是畜禽养殖业粪污末端处理与资源再利用并重的全量化资源利用模式，长期以来养殖场自运营模式下沼气工程运行效率、稳定性及经济效益低。该研究提出引入第三方运营模式，以一大型沼气工程（总有效发酵容积为10 800 m3）为例，在20 a案例期内进行两种运营模式下该沼气工程的物质流、能量流分析、碳排放以及经济性评估等多视角分析，并采用基因表达式编程进行产气拟合，为优化发酵工艺提供了策略。结果表明，第三方运营模式能够提高工程效率和经济效益：物料处理量、沼渣垫料产量、沼气产量及沼气发电量分别提高52.00%、23.00%、51.94%、79.58%；热电联产总产能提高，但能耗比和能量回收率分别降低14.74%、12.73%，这主要是未进行余热回收造成的。财务分析表明，第三方运营模式项目税后财务内部收益率提高10.20个百分点，财务净现值提高3 566万元，投资回收期缩短10.42 a；财务敏感性分析指出提高下游产品的附加值是提高该沼气工程经济效益的关键因素。该研究为沼气工程乃至其他规模化废弃物处理的第三方运营模式推广应用提供了有价值的工程参考。     

京郊农村大中型沼气工程发展现状分析与对策研究

能源危机和可再生能源开发给中国农村大中型沼气工程的发展带来了宝贵机遇.大中型沼气工程作为农村生物质能源的一种,对解决农村用能和养殖业污染问题有重要意义.该文在对京郊农村大中型沼气工程发展现状进行实地调查的基础上,分析了北京市大中型沼气工程的分布、规模、发展特点、成功经验及存在问题.同时结合环境经济学中的外部性效益分析方法,提出了进一步促进北京大中型沼气工程发展的对策和建议,旨在为京郊养殖废弃物资源化利用提供理论参考.     

畜禽养殖场沼气工程厌氧消化技术优化分析

为推进畜禽养殖场沼气工程高效运行,提高其厌氧消化效率,该文选择了3座沼气工程,对其厌氧消化工艺、工程运行管理和投入产出情况进行分析探讨。在此基础上,提出中国畜禽养殖场沼气工程建设厌氧消化技术的优化运行方案：完全混合式厌氧反应器、升流式固体反应器和高浓度推流式反应器适用于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料的“能源生态型”沼气工程;与厌氧消化工艺相匹配的要素是沼气工程日常调控的重点;热电肥联产能够实现沼气工程效益的最大化;利用太阳能加热、沼液回用发酵可以节约能源,降低工程运行成本。     

带跟踪系统的太阳能加热装置促进沼气生产的研究（英）

该研究旨在探索如何利用太阳能增温系统促进沼气生产,研究对象为一个容积为100 m3的沼气发酵装置,该沼气装置位于陕西省淳化县润镇中学,用于处理该校公厕粪污。陕西省淳化县润镇1月的平均气温为-1.6℃,最低气温达-15℃,平均太阳辐射为4.5 kwh/m2,没有加热系统的沼气池在冬季基本停止产气,为解决这一问题,在润镇中学配套建设了由120 m2的日光温室和总面积为20 m2的热管太阳能集热器组成的太阳能增温系统,并配合使用电加热系统。在冬季,此太阳能系统每天可促进沼气发酵装置多生产12 m3沼气,产出的沼气可输送到学校厨房,具有较好的经济效益。此外,设计了带有自动跟踪系统的抛物面太阳能聚光器（PTC）和日光温室组合系统为沼气发酵装置增温,以期得到更好的增温效果和更高的沼气产量。     

东北地区沼气分户供暖的可行性初探

本文通过分析我国东北地区典型农宅供暖需求和沼气分户供暖试验情况,探讨了我国东北地区沼气分户供暖的可行性。入冬时将60 m3鲜牛粪一次性投入100 m3高浓度采暖型沼气池,在加热的条件下,此沼气池的产气量约为15 m3/d。而100 m2东北农宅供暖需12 m3/d沼气,沼气池加热需2 m3/d沼气。这说明采用高浓度、一次进料的采暖型沼气池可满足冬季沼气池自身加温和农宅供暖的需求,东北地区沼气分户供暖具有可行性。     

地上式户用太阳能恒温沼气池产气性能

为突破传统砖混沼气池产气不稳定、产气速率低、冬季不产气的问题,研发并搭建了新型地上式户用太阳能恒温沼气池,系统主要由集热面积为2.96 m2的全玻璃真空管太阳能热水器、2m×2m×3.2m保温室、3m3软体沼气池和3m3储气袋构成,试验研究了冬季条件下系统的产气性能,结果表明:39d内,当环境温度在-19.8~-10.0℃变化时,太阳能集热器可以保证恒温沼气池在(26±2)℃稳定运行,恒温沼气池累计产气42.520m3,平均日产沼气1.380m3,甲烷平均体积分数58.2%;系统可保证4~5口农户的生活燃气需求。地上式户用太阳能恒温沼气池对利用农村有机废弃物资源满足农民燃气需求有重要意义。     

太阳能双级增温沼气发酵系统的增温效果

温度是制约沼气发酵产气效率高低的关键因素,尤其在冬季提高并稳定沼气发酵系统温度是低成本中小型沼气工程面临的技术难题。为了解决这一技术难题,在地处东经107.39°、北纬34.53°的陕西省凤翔县范家寨中学农村生态校园沼气系统中,进行冬季太阳能双级增温技术实验研究。结果表明,采用太阳能双级增温系统,能实现较好的增温效果：1）沼气发酵系统保温室内的温度晴天比温室外平均提高11℃,阴天平均提高4.8℃;2）沼气发酵系统集热室内的温度晴天比温室外平均提高11.8℃,阴天平均提高4.6℃;3）太阳能双级增温沼气发酵池内料液的平均温度为10±0.5℃,比不采用增温措施的沼气发酵池内料液温度平均提高6±1.0℃。     

地源热泵式沼气池加温系统

沼气是适合在中国农村推广利用的可再生能源。为解决冬季沼气池产气量受低温影响的问题,该文分析了现有的几种沼气池加温保温方式,提出了一种地源热泵式的新型加温保温方法,并在实际工程上进行了运行试验。结果表明：地源热泵式加温保温方法能够使沼气池的发酵温度保持在(32±2)℃范围内,池容产气率保持在0.6 m3/(m3·d)左右,有时候可以达到1.1 m3/(m3·d)。系统运行期间,地源热泵机组制热效率保持在3.6左右,系统COP为2.7左右,一次能源利用系数可达到0.84;相对于电热膜加温系统,采用地源热泵式加温系统节能率达到63%,增加投资效益净现值为40 188.5元。与化石能源热水锅炉加温方式相比无污染,具体良好的环境效益。因此,地源热泵式沼气池加温是一种经济合理、环保节能的加温方式,具有开发应用潜力。     

辅热集箱式畜禽粪便沼气系统研究

设计了一种新型厌氧发酵系统——辅热集箱式畜禽粪便沼气系统，该系统采用太阳能和生物质辅助加热方式，由若干个集箱式发酵单元组成，可根据养殖规模集装成50、100、200、300、500 m³等不同规模的沼气工程。并在其应用示范工程上完成了运行试验和技术经济评价，结果表明，该系统池容平均产气率为0.80 m³/(m³·d)，所产沼气的热值为25.40 MJ/m³，处理后的猪粪污水COD浓度由36500 mg/L降至6500 mg/L，去除率达82.2%，悬浮物浓度由17000 mg/L降至1900 mg/L，去除率达88.8%；其净现值为183530.5元，静态投资回收期为3.58 a。该技术及其成套设备的技术经济可行性较高，具有商业化前景。     

干法发酵沼气工程无热源中温运行及效果

该文提出了覆膜槽干法发酵沼气工程在无热源条件下实现中温运行的方法：首先使固体生物质原料好氧发酵,利用好氧发酵产生的生物能,获得中温沼气发酵（20～45℃）上限的初始温度,通过加强反应器的保温,不用外加热源,实现干法发酵沼气工程中温运行。试验结果显示：物料温度的变化平缓,物料温度日下降幅度最大为0.5℃（第9天）,最小不到0.1℃（第3天）;发酵物料温度由初始时的40.6℃,逐渐下降为沼气发酵结束时的35.4℃,始终处于中温沼气发酵的较高温度范围内;平均容积产气率为0.598 m3/(m3·d),甲烷55%～60%。因此,利用好氧发酵的生物能,使物料获得中温沼气发酵范围内较高的初始温度,在沼气发酵过程中,通过加强保温,不用外加热源,实现干法沼气工程的中温运行是完全可行的。     

寒区低能耗厌氧发酵反应器热工性能参数研究

厌氧发酵反应器是沼气工程中的核心装置,研究寒区低能耗厌氧发酵反应器,不仅有助于降低沼气工程的能量损耗,提高耗能与产能的产出比,而且对大中型沼气工程在北方寒冷地区的推广与应用尤为重要。低能耗厌氧发酵反应器围绕的核心问题就是在保证反应器厌氧发酵功能的前提下,能的"量"和"质"合理有效利用程度。该文以建筑于地上全混合式厌氧发酵反应器为研究对象,采用能量分析和?分析方法,从反应器的体形、围护结构保温性能以及低?供热方式等方面对寒区低能耗厌氧发酵反应器节能特性进行了分析和研究,得到了低能耗厌氧发酵反应器最佳体形为高径比为1∶2的圆柱形;提出了哈尔滨、沈阳、北京地区在冬季室外计算温度下不同规模节能型反应器顶部、侧壁围护结构导热热阻的阈值;中温厌氧发酵反应器低?热水供热系统进出口温度分别为45和38 ℃,供热系统?效率为86%,反应器供能与用能间能级差为0.018,表明能级匹配合理,用能效率较高。该研究结论可为今后寒区低能耗厌氧发酵反应器的节能设计提供参考依据。