高寒地区沼气发酵料液加热增温装置传热特性.pdf

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1、第27卷第2期2982011年2月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVbl.27No.2Feb.201l高寒地区沼气发酵料液加热增温装置传热特性刘建禹,樊美婷,刘科(东北农业大学工程学院,哈尔滨150030)摘要:在北方高寒地区,为了保证沼气厌氧发酵所需的稳定温度,同时考虑到沼气生产的成本和能量平衡等因素,本研究提出以沼气生产系统自身产出的沼气为燃料,以沼气热水锅炉为热源,通过水一发酵料液换热器对进入发酵反应器的料液进行加热增温的模式,并应用威尔逊图解法,对加热增温系统所选用的水一发酵料液浸没蛇管式换热器的传热特性进行了试验研究,得到

2、了换热器壳侧水的表面传热系数、管内侧发酵料液的表面传热系数等参数的变化规律。该研究结果将为今后加热发酵料液用浸没蛇管式换热器的理论计算和结构设计提供依据。关键词:发酵料液,加热增温,浸没蛇管式换热器,表面传热系数doi:10.3969/j.issn.1002—6819.2011.02.051中图分类号:U473.2+3文献标志码:A文章编号:1002—6819(2011)-02—0299—04刘建禹,樊美婷,刘科.高寒地区沼气发酵料液加热增温装置传热特性[J】.农业工程学报,2011,27(2)g298—301.LiuJianyu,FanMeiting,

3、LiuKe.Heattransfercharacteristicsofwarmingmethanefermentationliquidheatingdeviceinalpineregion[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(2):298--301.(inChinesewithEnglishabstract)0引言随着石化燃料的日趋紧张和环境污染的不断加剧,人们已经认识到开发利用生物质能的重要性。沼气发酵是生物质能高层利用的良好途径之一,它是利用有机废弃物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生产出来的一种清洁、高效的新型能源。在沼

4、气的生产过程中,温度是影响沼气厌氧发酵的关键因素之一。据研究表明,对于一个厌氧发酵反应器来说,其操作温度以稳定为宜,波动范围一般一天不宜超过士2℃。中温或高温厌氧发酵允许温度变化范围为士(1.5~2℃)。当温度有士3℃的变化时,就会抑制厌氧消化速率,有士5℃的急剧变化时,产气量会显著降低,若变化过大则会停止产气,同时使有机酸大量积累而破坏厌氧消化【I。3】。在北方高寒地区,由于冬季天气寒冷,室外气温较低,如果不对沼气发酵料液采取增温和保温措施,势必不能保证厌氧发酵所需要的温度,使沼气发酵周期长,产气率低,原料降解慢,甚至还会出现结冻等问题,发酵系统难以实

5、现全年连续正常运行。沼气发酵料液的增温和保温同时也带来了能量的消耗。合理选择沼气发酵料液加热增温的模式和设备,是沼气厌氧发酵在北方高寒地区能否正常运行和推广的关键所在。在国外,如丹麦、瑞典、德国、奥地利等国大型畜牧场利用CHP(combinedheatandpower,动力与供热复合收稿日期:20104)4-10修订日期:2010-12.20基金项目:黑龙江省。十一五”重大项目,高寒地区沼气生产工业化试验(GB068502)作者简介:刘建禹(1965一),男,黑龙江哈尔滨人,教授,主要从事农业生物环境与能源工程的教学和科研工作。哈尔滨东北农业大学工程学院

6、,150030.EmaihI“日y《lmcalL代h1.cn.装置)作为加热系统,在发电的同时给沼气发酵装置加热,以提高沼气的产气率。与国外相比,国内目前沼气发电机技术仍不很成熟,经济实用性不高。在国内,小型沼气工程多将沼气池建在目光节能温室或太阳能保温畜禽舍内,或者修建燃池式沼气池,利用太阳能或燃池对沼气池中料液进行加热保温,以达到冬季沼气发酵所需的温度。单纯依靠上述方式对沼气发酵料液进行加热保温,在北方高寒地区难以实现沼气工业化生产。国内许多大、中型沼气工程加热增温方式主要有2种:一是用热水或蒸汽直接通入发酵反应器或通入设在发酵反应器内的盘管进行间接

7、加热,这种方法存在着一些缺点如发酵料液的含水率会增加,局部料液受热过高及盘管外壁结壳等;二是发酵反应器外间接加热,即通过水.发酵料液换热器把发酵料液加热到足以达到发酵温度、补偿发酵反应器壳体及管道的热损失,这种方法的优点在于可有效加热并杀灭发酵料液中的寄生虫多p[4-51。目前以上2种加热方式采用的热源多为燃煤锅炉,这将增大沼气生产成本,能源效率低,不能保证正能输出,同时以发酵料液为流体的换热器传热特性的研究尚属空白。为此,本文提出了利用沼气生产系统自身产出的沼气为能源,对进入发酵反应器的料液进行加热增温的模式,并针对沼气发酵料液这一特殊的物料,选用浸没

8、蛇管式换热器作为发酵料液的增温设备,对其传热特性进行试验研究。1沼气发酵料液加热

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