摘要：设计了热风炉辅助加热沼气系统，该系统采用太阳能温室与热风炉辅助加热。运行试验结果表明，该系统池容平均产气率达到0.77 m3/（m3·d），沼气热值是25.38 MJ/m3，发酵液SS去除率为88.75%，BOD去除率为82.19%，COD去除率为82.46%，既促进了农村大量秸秆等废弃物的资源化利用，又解决了北方地区冬春季沼气池发酵温度低、产气率低等问题，成本低、效益高。
关键词：热风炉；辅助加热；沼气；温室
中图分类号：S216.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）12-3018-03
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.12.057
Study of Auxiliary Heating Biogas System of Hot Blast Stove
ZHANG Yana，FAN Zhen-shanb
（a.Department of Mechanical Engineering；b.Department of Automotive Engineering， Zhengzhou Technical College， Zhengzhou 450121， China）
Abstract： The auxiliary heating biogas system of hot blast stove was designed. This system used solar greenhouse and auxiliary heating of hot blast stove. The operating test results showed that the yearly average tank volume aerogenesis rate of the system was 0.77 m3/（m3·d）， thermal value of biogas produced from it was 25.38 MJ/m3， dislodging rate of SS was 88.75%， dislodging rate of BOD reached 82.19%，and dislodging rate of COD reached 82.46%. Not only promote the utilization of rural straw and other waste， but also to solve the low fermentation temperature and low aerogenesis rate of methane tank of northern region in winter and spring. It is low in cost and high in benefit.
Key words： hot blast stove； auxiliary heating； biogas； greenhouse
中国农村经济快速发展，能源消耗逐渐增多，沼气能源的开发利用有利于解决农村能源供应紧张问题，促进可持续发展，受到国家重视[1]。温度对于发酵非常重要，在8～60 ℃温度范围内都能发酵产沼气[2]，温度越高，微生物活动越旺盛，产气量越大。温度的突变会影响微生物的生命活动，使产气量下降[3]。从发酵的周期来看，温度越低，原料的发酵周期越长；温度越高，发酵周期越短[4]。在较为寒冷的冬春季，我国北方地区温度过低，会严重影响沼气池的产气率、产气量[5-7]。采用辅助加热可以为沼气发酵提供热量，有利于厌氧消化，同时，我国北方地区农村存在大量秸秆等生物质资源闲置情况[9]。本研究设计了热风炉辅助加热沼气发酵系统，该系统采用太阳能温室与热风炉辅助加热，解决了北方地区冬春季沼气池发酵温度低、产气率低等问题。热风炉利用生物质燃料，促进了农村大量秸秆等废弃物的资源化利用，成本低、效益高，改善了农村生态环境，形成新的经济增长点，促进了农民增收与农牧业的可持续发展。
1 热风炉辅助加热沼气系统的结构
热风炉辅助加热沼气系统的结构如图1所示，主要由温室、位于温室外的热风炉和设置于温室内的沼气池等部分组成。
1.1 温室
温室为左右纵向延伸，温室的左侧壁上设有换气口，换气口上设有可开合的开关门；温室设有通风口，通风口设置在温室的右侧顶壁上，温室右侧壁的底部设有管道插入口；温室还设有可供工作人员出入的出入口，出入口处设有门体；温室内共设置数个沼气池。
1.2 热风炉
1.2.1 炉体 热风炉为生物质成型燃料热风炉，炉体为立式炉体，炉体从上至下依次设有排烟口、集烟室、换热室和燃烧室。炉体还设有进风室，炉体内设构成燃烧室的燃烧室侧壁、覆盖于燃烧室侧壁顶口上的水平分隔墙以及间隔设于分隔墙上方的上分隔板。上分隔板上侧的炉体内腔室为集烟室，上分隔板分隔墙之间的炉体内腔室为换热室，分隔墙下侧的炉体内腔室为燃烧室，排烟口设置于炉体的顶端，排烟口位于集烟室上侧并与集烟室连通。
1.2.2 燃烧室 燃烧室内设有前后延伸的炉排，燃烧室内炉排上侧的区域为炉膛。炉体对应炉排设有进料口，炉体对应燃烧室设有出灰口。进料口位于出灰口的上侧，炉排下侧的燃烧室内设有可从出灰口中取出的拉灰车。拉灰车上设有接灰盒，拉灰车包括底座和底座上设置的车轮，接灰盒设置在底座上，拉灰车的一端设有可封堵出灰口的挡板，挡板与底座固定连接，挡板面向炉体外的外板面上设有拉手，出灰口为矩形，挡板也为矩形，挡板的长、宽尺寸分别与出灰口的长、宽尺寸相匹配。
1.2.3 换热室 换热室的室壁上设有热风出口，换热室的室壁即换热室处的炉体壁，热风出口与换热室相连通，热风出口位于换热室上部。换热室内设有竖直的换热管，换热管设有数根，换热管的底管口与燃烧室连通、换热管的顶管口与集烟室连通，上分隔板对应换热管顶管口设有插接口，分隔墙对应换热管底管口也设有插接口，换热管的顶管口插接入上分隔板相应的插接口内，换热管的底管口插接入分隔墙相应的插接口内。
换热室内从上至下依次间隔设有3个热风折流板，热风折流板从上至下依次交替与燃烧室左、右侧室壁间隔设置，最上侧的热风折流板左端固定设在燃烧室左侧室壁上、右端与燃烧室右侧室壁之间设有间隙；中间的热风折流板右端固定设在燃烧室右侧室壁上、左端与燃烧室左侧室壁之间设有间隙；最下侧的热风折流板左端固定设在燃烧室左侧室壁上、右端与燃烧室右侧室壁之间设有间隙。换热管与其经过的热风折流板之间为插接，热风折流板上设有用于插接相应换热管的插孔。
1.2.4 进风室 进风室环绕设置于燃烧室室壁的外围，进风室未覆盖进料口和出灰口，进风室顶端设有顶口，换热室底端设有环绕在分隔墙外圈的底口，换热室顶口与换热室底口相对并连通，进风室顶端与换热室底端连通。进风室内设有冷风折流板，冷风折流板共设置上下两个，冷风折流板为环形，上侧的冷风折流板外端与进风室的室壁之间设有间隙、里端固定设在燃烧室侧壁上，下侧的冷风折流板外端固定设在进风室的室壁上，里端与燃烧室侧壁之间设有间隙。进风室室壁为进风室处的炉体壁，进风室的室壁设有冷风进口，冷风进口位于下侧冷风折流板的下侧。
1.3 热风炉与温室的连接
温室通过热风管与换热室连通，热风管一端管口与热风出口对接、另一端管口与通风口对接，通风口内设置可将热风吹入温室内的第一风机。温室通过冷风管与进风室连通，并且冷风管的其中一端管口与冷风进口对接，冷风管另一端通过管道插入口伸入温室内，冷风管伸入温室内的端部管口与通风口分别位于温室内的纵向两侧，即通风口位于温室的右侧顶壁上，冷风管伸入温室内的端部管口位于温室左下侧，并且冷风管内设置有可将温室内空气吸入进风室的第二风机，第二风机位于冷风管的伸入温室内的端部管口内。
2 热风炉辅助加热沼气系统的工作过程
在工作时，生物质燃料从进料口放置在炉排上，并在燃烧室内燃烧，产生的烟气依次从换热管、集烟室和排烟口排出，换热室、温室和进风室依次连通并构成一个空气循环系统，热风炉的供风温度可达45～60 ℃，使温室内的空气能快速循环加热，该沼气发酵系统适宜在环境寒冷条件下使用，并可提高沼气产量。
3 热风炉辅助加热沼气系统的运行性能试验
3.1 试验指标测定
沼液温度：搅拌混合后沼液，取平均值，贝克曼温度计；沼气池产气量：燃气流量计；pH：电位计测定法；悬浮物（SS）：重量法[10]；BOD：BOD5[11]；COD：重铬酸钾滴定法[12]；沼气成分：气相色谱法[13]；沼气热值：理论计算法[14]。
3.2 试验结果
从表1～3可知，系统池容平均产气率达到0.77 m3/（m3·d），比国家标准规定值[0.2～0.4 m3/（m3·d）]高；所产沼气热值25.38 MJ/m3，满足沼气燃具对气体质量要求；发酵液SS去除率为88.75%，BOD去除率为82.19%，COD去除率为82.46%。
4 结论
热风炉辅助加热沼气系统采用太阳能温室与热风炉辅助加热，解决了北方地区冬春季沼气池发酵温度低、产气率低等问题，热风炉利用生物质燃料，促进了农村大量秸秆等废弃物的资源化利用，成本低，效益高，易于改善农村生态环境，形成新的经济增长点，促进农民增收与农牧业的可持续发展。
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