利用太阳能热水器加热沼气池的研究

利用太阳能热水器加热沼气池的研究

第39卷第1期
2010年3月
广西林业科学
Guangxi Forestry
Scienee
V01．39 No．1
Mar．2010
文章编号：1006—1126—2010(1)一0037—04
利用太阳能热水器加热沼气池的实验研究
谢列先
(广西农村能源办公室，南宁530001)
摘 要：利用小型实验性太阳能真空管热水器加热沼气池，所用的真空管太阳能热水器采光面积10 m2，沼气池
容积为8 m?。沼气池的加温效果明显，产气率提高。
关键词：太阳能热水器；沼气池；加热；产气率
中图分类号：s216．4：$214文献标识码：A
引言
温度是影响厌氧发酵的关键因素之一。目前农
村户用沼气池都是地埋式，气温和地温的变化会直
接影响沼气池的产气率。广西桂北的桂林和桂西的
河池、百色等市部分山区县，每年新建沼气池数量
占广西年推广量近一半，沼气池在全年大部分产气
量高，但在冬季时节有3～4个月时间池温低于
18℃，产气率很低，甚至不产气。提高发酵池温
度，激活菌种活性，提高产气率，成为这些区域推
广利用沼气池的重要课题之一。
理论研究表明，利用太阳能加热沼气池可以明
显提高沼气池的发酵温度，同时提高产气率。进一
步解决沼气池越冬问题。近几年我们在桂北的一些
县进行利用太阳能热水器加热沼气池的实验研究，
并积累了实验数据，为指导今后沼气池加温，提高
产气率提供实践基础。
1太阳能热水器对沼气池加热工作原理
1．1太阳能加热系统的设计
太阳能加热系统包括热交换系统[1】(即换热
器)，结构示意图如图1所示。主要由太阳能热水
器、热水缓冲器、换热器、循环泵、自动控制系统
和其它辅助部件组成。自动控制系统由温度传感
器、交流触电器、温控仪、电磁阀等构成。
热交换系统选用的换热器为自制换热器。换热
器采用谚25国标普通无缝钢管制造成外径700
mm
螺旋盘管，有6层圆排管，排管间距100 mm，钢
管壁厚5～6 mm。螺旋盘管总长13．19 m，总换热
面积约1
m2。为更好起到防腐(沼液腐蚀)作用，
换热器外壁采用多层环氧树脂涂层。
1．2太阳能加热系统工作原理
太阳能加热系统结构示意图，如图1所示。本
试验主要是利用太阳能集热加热水，通过循环管道
和热交换器把热量传导到沼气池，使池温上升，提
高产气量。当发酵池内的温度小于设定温度时，由
温度传感器反馈信号到温控箱，从而开启循环泵，
促使热水缓冲器中的热水流经发酵池中的螺旋盘管
换热器进行循环，对料液加热．提升池内料液温
度；当发酵池内温度达到设定温度时，再由温度传
感器反馈信号到温控箱。从而关闭循环泵，循环终

利用太阳能热水器加热沼气池的研究

止。本试验设计了热水缓冲器的主要功
能是为了控
制进入螺旋盘管换热器中水温。
热水缓冲器的工作原理存在2个水循环。
第1循环
·
热水缓冲器的温度高于55℃时，其循环路线：
热水缓冲器一循环泵一阀3一螺旋盘管换热器一阀
4一电磁阀3一热水缓冲器
此时，电磁阀1与电磁阀2关闭。切断与太阳
能热水箱的循环；电磁阀3打开．循环水直接通过
热水缓冲器进行循环，促使热水缓冲器中的温度降
低。
第2循环
热水缓冲器的温度低于43℃时，其循环路线：
基金项目：国家林业局。948”项目“林区沼气发电关键技术引进’(2006—4—124)
作者简介：谢列先(1965一)，男。高级工程师，主要从事沼气利用技术的研发工作。
万方数据38 广西林业科学 第39卷
热水缓冲器_+循环泵-+阀3_+螺旋盘管换热器-+阀
4．+电磁阀2-+太阳能热水器-+电磁阀l_热水缓冲
器
此时，电磁阀1与电磁阀2打开，联通与太阳
能热水的循环；电磁阀3关闭，从而促使热水缓冲
接室内自来水
阀1 I太阳能热水器
器中的温度升高。
太阳能加热系统设计总控装置以控制系统循环
泵。当太阳能水箱中的温度低于35。C时，关闭循
环泵，避免循环泵长时间连续工作，节省电能。
阀2 1温度控制器l
参心一接室内水池
温度传感器三=—丽=专度传感器l
燮唔一
皇氅! I屐却扩弋烈
电磁阀2
图1太阳能加热系统结构示意图
1．3沼气池的温度测试设计
1．3．1沼气池工作基本原理
农村户用沼气池一般8／113，采用水压式工作
原理。在水压式沼气池中，当发酵间产生的沼气逐
渐增多时，气体密度增加，气压随之增高，出料问
液面和池内液面形成压力差，将发酵问内的料液压
到出料间，直到内外压力平衡为止，这是“气压
水”。用户使用沼气时，池内气压减小，进出料间
的料液便返回发酵间内，以维持内外压力平衡，这
是“水压气”。这样，不断地产气和用气，使发酵
间和出料间的液面差不断升降，始终保持内外压强
平衡状态。
1．3．2沼气池发酵工艺
有机物之所以能够转化为沼气，这是一系列微
生物生命活动的结果，是微生物不断地进行新陈代
谢和生长繁殖的结果。而微生物的生命活动要求多
种条件，控制发酵过程的正常运行也需要
一定条
件，包括发酵原料、发酵温度和pH值等多种条
件。但更重要的是发酵温度控制。适宜的温度则细
菌繁殖旺盛，活力强，厌氧分解和生成甲烷的速度
加快，产气多，因此温度是产气的关键。
一般化学反应的速度常随温度的升高而加快，
每当温度升高10℃时，化学反应的速度可增加2—
3

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倍。沼气发酵过程是在微生物体内进行的生化反
应过程，在一定温度范围内也基
本符合这个规律。
沼气发酵有高、中温发酵和常温发酵，随自然
温度变化的发酵方式称为常温发酵。本试验控制在
中温发酵，温度30—46℃。
1．3．3 沼气池内温度测量
沼气发酵池温度测试点相对均匀布置于池内。
平均值能比较准确反应池内温度。本试验设计测试
点分上、下2层，采用封闭环形结构，层距450
nlln。上层环形等距离lO测温点。下层环形等距离
10测温点。下层环形测温点距底部150 mrll。
温度测量。利用测温电阻测量温度，所用的二次
仪表是北京自动化仪表五厂生产的XQC一300型自
动长图记录仪，每天定时或连续记录上述各点温度。
2实验结果及分析
本实验设置在4个独立单池容积8／1"13的沼气
池进行试验，其中选择2个为加热池，另2个为未
加热对比池。在酸碱度、进料量和常规条件基本相
同的情况下进行对比试验测试。
2．1酸碱度、进料量与产气量
酸碱度、迸料量和产气量数据利用恭城县
2006---2007年承担中国农科院“猪一沼一果”生
态农业模式及其关键技术标准研究课题[21测试数
据。使用处于正常运行状态的户用沼气池进行测
试。酸碱度、产气量等主要数据由县农村能源办技
术员测试、记录，一般数据如发酵原料、温度等由
农户按规定时间记录。
对沼气池进行测试，其测定的参数与测定的方
法为
1)池内、外温度采用酒精温度计测定；
2)池内酸碱度用pH值广泛试纸测定；
3)日产沼气量采用煤气流量计测量。
万方数据第1期 谢列先：利用太阳能热水器加热沼气池的实验研究 39
如图2所示，沼气池处于常温发酵状态，酸碱
度6．8—8．0，符合沼气池正常产气对酸碱度的要
求。把酸碱度pH值与日沼气产量作图形分析。结
果表明酸碱度与产气量有必然的内在联系。酸碱度
偏高或偏低，厌氧菌活性减弱，直接影响有机物的分
解，产气量会相应减少。偏离适宜发酵范围过大，活
性菌活性过小，甚至无活性，沼气池将不产气。
日进料量与日产气量作比较分析图，如图2。
从图中可以看出，在一定条件下，两者之间密切相
关。日进料量多，产气量也高。实验证明，在一定
条件下，进料量决定着沼气产量，料进得愈多，气
产
得愈多。
2．2沼气池增温效果
本实验采用采光面积10 1112真空管太阳能热水
器提供热量。供热实验断续进行。2007年11月
7—29日，12月1--23日每天向2个沼气池供热若
干小时，使池温度恒定在一定的发酵温度。2008
年4月1一15日为本地雨季，太阳光少，太阳能

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热
水器只对一个沼气池加温。
图3给出热水缓冲器及2个已加温沼气池的温
度变化情况。沼气池池温是测温电阻测量各温度
点
和的平均值，为近似温度值。
图2酸碱度、迸料量与产气量对比图
1．热水缓冲器温度
7 9
ll
13
15
17 19 21 23 25
27 29
由图3(a)可以看到，2007年11月7—29日
加热池1和池2的温度比未加热池l和池2的温度
提高5一10℃。试验阶段以晴天为主，太阳能热水
器能够正常提供热能，沼气池池温稳定，仅在
13一16日4天晴闻少云天气，太阳能辐射较弱，
太阳能热水器不能维持高温度供热，沼气池池温下
降2—3℃。17日晴天之后晴朗天气，热量供应正
常，沼气池池温逐渐升温至平稳。
图3(b) 热水缓冲器及沼气池的温度变化曲线
由图3(b)可以看到，2007年12月1---23日环
境温度逐渐降低，沼气池池温呈现降低趋势。加热
池1和池2的温度比未加热池1和池2的温度提高
8—10℃。12月10日以前晴天为主，太阳能热水器
能够正常提供热能，沼气池池温稳定，但是在1l一
13日全天阴天有小雨，太阳能热水器不能提供热
能，沼气池池温下降2—3。C。14日有少许阳光，有
热量供应，沼气池池温上升，15日之后天气逐渐转
晴，热量充足，沼气池温上升较快，沼气池池温逐渐
升温至平稳。为解决阴天无法提供热量的情况，可
以采用适度电加热，可以持续供热，保证沼气池温。
日期
111 3(c) 热水缓冲器及沼气池的温度变化曲线
图3(8)
热水缓冲器及沼气池的温度变化曲线
图3(c)为2008年4月l一15日环境温度升
万方数据广西林业科学 第39卷
温，沼气池池温明显上升。从图中可以看到，由于
该地区4月份属于雨季，以阴天下雨为主，偶有阳
光，太阳能热水器不能正常对2个沼气池提供热
能。太阳能热水器提供的热量只能对一个沼气池单
独加温。因此，选择沼气池l加热，作为未加热池
l的对比池。加热池温度明显比未加热池高10一
20℃。
上述实验结果表明，利用太阳能热水器加热沼
气池，增温效果明显，而且增温平稳。但是太阳能
热水器受制于天气影响，阴天无法提供热能，沼气
池池温将缓慢下降。
2．3沼气池产沼气量增加
2007年11月7-29日试验沼气池日产气量曲
线如图4(a)所示，每天向2个沼气池供热若干
小时，池温恒温
发酵。在酸碱度、进料量等发酵条
件满足的情况下，太阳能加热池比未加热池沼气产
量明显增加，并且产气稳定。
图4(a)
沼气池日产气量曲线
2008年1月12日至2月3日对2个沼气池同
时加温，沼气池日产气量曲线如图4(b)’所示，
太阳能加热池产量明显增加。其中沼气池2在2

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月
25日以后的曲线，是停止加热的产气情况。
日产量／(L／ms)
3结语
图4(b)
沼气池日产气量曲线
实验表明，利用太阳能热水器加热沼气池在技
术上是可行的，增
温效果明显，且平稳，可以提高
的产气率。如果要实现连续性供热，沼气池必需有
持续的热量供给。因此，除采用适度电加热补充热
能外，最有效的措施是采取增加太阳能集热器面
积，长期收集贮存大量热量，备较大容积的热水贮
存器，持续供热。
参考文献
[1]丁羽．太阳能加热沼气反应装置的设计及参数选择[J]．
农机化研究，2008(8)：69-71．
[2]邱建军，任天志．生态农业模式及其关键技术标准研究
[M]．北京：中国农业出版社，2008．
万方数据

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