裝配式住宅小型沼氣系統(tǒng)的技術(shù)研

1、裝配式住宅小型沼氣系統(tǒng)的技術(shù)研究適用北方溫帶季風(fēng)氣候農(nóng)村沼氣系統(tǒng)摘要 本文以裝配式住宅為基礎(chǔ)，從可進行產(chǎn)業(yè)化運作為出發(fā)點，闡述了如何在北方農(nóng)村地區(qū)推廣小型沼氣環(huán)保系統(tǒng)。并根據(jù)裝配式住宅的運作模式，從技術(shù)和市場運作角度設(shè)計新式沼氣系統(tǒng)并構(gòu)建完整產(chǎn)業(yè)鏈。最后以實際方案來說明沼氣產(chǎn)業(yè)鏈在裝配式住宅中的運作模式，為構(gòu)建新式農(nóng)村提供解決方案。關(guān)鍵詞 沼氣 新式 產(chǎn)業(yè)化 裝配式一、引言 城市地區(qū)住戶燃氣大部分采用管道天然氣，但是對于農(nóng)村住戶，由于居住以村落為主，大規(guī)模建造天然氣管道并不實際。所以多數(shù)用戶采用天然氣罐的方式使用燃氣。然而罐裝天然氣有著許多弊端，往往由于使用不當(dāng)發(fā)生火災(zāi)。 另外一部分農(nóng)村地區(qū)采

2、用自建沼氣池的方式提供生活用氣，同時解決糞便和有機生活垃圾的再處理，轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)肥。 這種自建沼氣池所用原料多是農(nóng)作物秸稈，入沼氣池前需要復(fù)雜的粉碎和堆漚處理。越來越多的農(nóng)村漸漸放棄了這種生產(chǎn)沼氣方式。而且占很大比重的有機生活垃圾的處理還是無法解決 以往的生活垃圾多是在村落外圍進行填埋處理，即污染水源也占用耕地。所以說在農(nóng)村地區(qū)推廣新式沼氣系統(tǒng)有著積極的意義。 隨著農(nóng)村住宅建造的方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，裝配式住宅為新式沼氣系統(tǒng)的推廣提供了便利條件。 本論文研究小型沼氣系統(tǒng)在模塊化裝配住宅中-融合太陽能系統(tǒng)和供水系統(tǒng)形成的新式沼氣系統(tǒng)-針對北方溫帶氣候的特點的組建技術(shù)。以期達到配合裝配住宅模塊推廣使用，達到標

3、準產(chǎn)業(yè)化。讓北方農(nóng)村地區(qū)可以使用便捷低成本的沼氣系統(tǒng)，改善農(nóng)村環(huán)境。大型沼氣系統(tǒng)中型沼氣系統(tǒng)小型沼氣系統(tǒng)沼氣池規(guī)模沼氣池規(guī)模日產(chǎn)沼氣量日產(chǎn)沼氣量Q（m/d）沼氣池容積沼氣池容積V（m）特大型Q 5000V 5000大型5000Q 5005000V 500中型500Q 1501000V 300小型150Q 5600V 20戶用型0.25Q 0.210V 8沼氣系統(tǒng)工程規(guī)模二. 北方農(nóng)村地區(qū)沼氣使用的實際情況1.據(jù)調(diào)查，農(nóng)村大型沼氣池使用率不高的原因主要有: (1).由于地理條件不同，修建一個10立方米沼氣池的成本一般在3500元。有一些經(jīng)濟差，想建沼氣池，但自身又投資不起； (2).大量勞動力涌

4、向城市，導(dǎo)致原來建起的沼氣池閑置；技術(shù)培訓(xùn)亟待加強、技工數(shù)量嚴重不足。 (3).重建設(shè)輕管理、技術(shù)服務(wù)不健全。許多農(nóng)戶都由于不重視冬季保溫管理，措施不到位，致使冬季沼氣運行不暢。沼氣池工程維修缺乏技術(shù)力量, 無人維修，存在著“重建輕管”的現(xiàn)象。 (4).沼渣、沼液綜合利用率不高。對沼氣的使用僅停留在照明和做飯上，并且僅僅在夏季56個月的正常使用上，利用時間短而且也沒有得到綜合利用。沼渣、沼液都白白丟棄，不僅浪費了優(yōu)質(zhì)資源，而且對農(nóng)村環(huán)境造成了二次污染。凡此種種，均影響了沼氣使用效果，使現(xiàn)有的沼氣池不能充分發(fā)揮其效益2.技術(shù)問題分析： 北方地區(qū)自建沼氣池在使用上還存在的問題包括： （1）.填充料

5、預(yù)處理受場地限制。 沼氣料入發(fā)酵池前要經(jīng)過堆料預(yù)發(fā)酵的過程。此過程需要開闊場地且氣味較大，住宅院內(nèi)顯然不適合進行此過程。做為主要產(chǎn)氣原料的秸稈往往需要粉碎和堆漚。沼氣容器的形式應(yīng)為可運輸罐，在統(tǒng)一的秸稈回收粉碎加工堆漚場地灌裝處理好的秸稈及發(fā)酵液，密封后再運到住宅轉(zhuǎn)配。產(chǎn)氣結(jié)束后的廢料可以同罐體一起運出施肥。（配圖） （2）.制氣過程受溫度影響大，供氣不穩(wěn)定。 沼氣池的溫度條件分為：常溫發(fā)酵 （也稱為低溫發(fā)酵）1030，在這個溫度條件下，產(chǎn)氣率可為01503 m3/m3d。 中溫發(fā)酵 3045，在這個溫度條件下，池容產(chǎn)氣率可達1m3 /m3d左右。高溫發(fā)酵4560，在這個溫度條件下，池容產(chǎn)氣率

6、可達225 m3/m3d左右。沼氣發(fā)酵最經(jīng)濟的溫度條件是35 ，即中溫發(fā)酵。 由于北方冬季氣溫較低，沼氣發(fā)酵自發(fā)熱難以維持最佳溫度。所以冬季產(chǎn)氣量極低甚至終止產(chǎn)氣。 （配圖） （3）.廢料處理勞動強度高。 傳統(tǒng)沼氣池的廢料需要人力掏挖，勞動強度大且氣味較大。農(nóng)村一般有專門從事此勞動的從業(yè)者。但對居民使用沼氣造成不便。無法隨時更換產(chǎn)氣料會造成暫時中斷供氣 。 （4）.難以形成良性產(chǎn)業(yè)鏈 。三.新的沼氣技術(shù)：（1）新型的間歇式干法沼氣發(fā)酵技術(shù)比起傳統(tǒng)的濕法技術(shù)有下述優(yōu)點：1）自身耗能低，冬季僅耗用自身產(chǎn)生的能量10-15%。而濕法要耗用30%左右的能量，在北方寒冷地區(qū)冬季甚至?xí)_到45%，因而大大

7、限制了沼氣技術(shù)在北方寒冷地區(qū)的推廣。 2）可以直接處理農(nóng)作物秸稈和城市垃圾等固體可發(fā)酵有機物，大大節(jié)省了預(yù)處理成本。 3）由于沒有攪拌器和管道，發(fā)酵不受干擾物質(zhì)如塑料、木塊、沙石等的影響，因而不需花費人力和設(shè)備將其在發(fā)酵前檢出。 4）在發(fā)酵罐室中沒有攪拌器等運動部件，因此系統(tǒng)的可靠性很高。 5）沼氣質(zhì)量高（含硫量遠遠低于濕法沼氣，只有50-300ppm，可以不經(jīng)洗氣直接供沼氣發(fā)動機使用），發(fā)酵物出氣率高。 6）發(fā)酵室為地面車庫型不透氣混凝土結(jié)構(gòu)，底部管道暖氣供熱，因而土建費用很低。 7）發(fā)酵室為模塊化結(jié)構(gòu)，易擴展。 8）建設(shè)和運營成本隨規(guī)模增長很慢，占地省，適于建設(shè)年處理可發(fā)酵垃圾一萬噸以上、

8、年產(chǎn)沼氣100萬立方米以上的大型沼氣工程。 9）進料出料可使用通用的裝載機等工程機械，設(shè)備效率高，通用性強。 10）因為發(fā)酵剩余物無濕法發(fā)酵的沼液，所以不用脫水處理，發(fā)酵剩余物經(jīng)簡單的過篩和短時間的堆肥即可用作園林肥料或農(nóng)作物肥料，因而存儲和后處理費用低，價值高。 11）耗水量比起濕法大大降低，幾乎沒有污水排放，大大節(jié)省了水費和污水處理費。 12）由于上述的原因，因而新型的間歇式干法沼氣發(fā)酵工藝的初期投資、運營成本和環(huán)境成本都遠遠低于濕法技術(shù)。 （2）關(guān)鍵技術(shù) 間歇式干法沼氣發(fā)酵技術(shù)與濕法沼氣技術(shù)相比,有兩個關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決： 1）發(fā)酵初期與發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵室沼氣濃度與空氣濃度達到臨界點1

9、5:85時的防爆安全，需要高度安全可靠的自動控制系統(tǒng)。2）發(fā)酵菌在發(fā)酵物中的繁殖速度保障。 因而，間歇式干法沼氣發(fā)酵技術(shù)是一項新技術(shù)含量很高的技術(shù)。裝配式住宅采用模塊化設(shè)計，這就為小型沼氣系統(tǒng)提供了非常便捷的優(yōu)勢： 1.可以模塊化設(shè)計，使小型沼氣系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化，節(jié)省制造及維修成本。 2.可以形成標準化安裝，組建沼氣系統(tǒng)如同安裝空調(diào)一樣簡單。 無需大興土木進行建設(shè)。 3.沼氣廢液處理更加便捷省力。采用單體可裝配沼氣罐，可以由用 戶自行進行裝料-產(chǎn)氣-廢料處理等操作，也可以以村落為單位配 套原料和廢料處理廠，使沼氣使用更加便捷環(huán)保。即解決了秸 回收加工，也解決了產(chǎn)氣后的廢料還田。所以說在裝配式住宅上推

10、廣小型沼氣系統(tǒng)有著積極的意義和便利的條件。四. 小型沼氣系統(tǒng)在裝配式住宅上的使用意義五. 小型沼氣系統(tǒng)構(gòu)建的技術(shù)方案1.理論數(shù)據(jù)研究(1).經(jīng)濟性審核：是否能夠達到預(yù)期經(jīng)濟效益； 常規(guī)農(nóng)村8m沼氣投入約為20002500元，加上勞力投入和灶具管材等初始投資3500元左右；建成過后每年維護投入125元左右。在農(nóng)村地區(qū)，居民能源消費可分為：電力、液化氣、煤炭和秸稈薪柴等。以8m沼氣池為例，年產(chǎn)氣量為300400m。取平均350m計算，沼氣的熱值20.908KJ/m。沼氣灶熱轉(zhuǎn)換值60%。得到沼氣池年熱值為4.39X10KJ。分別以電力、液化氣、煤炭和秸稈薪柴作為代替能源。按照以下公式計算： BEA

11、E =GH TEG AEP CVAE TE AE其中:BEAE 為沼氣能源替代效益;GH 為戶用沼氣平均低位發(fā)熱量, 值為 20,908KJ/ m;TEG 為戶用沼氣灶熱效率, 值為60%6 ;GH TEG代表戶用沼氣利用的有效熱值;AEP 為替代能源價格;CVAE 為被替代能源的平均低位發(fā)熱量;TEAE 為被替代能源對應(yīng)爐具的熱效率, CAVE TEAE 代表被替代能源利用的有效熱值?？傻谜託饫脤?yīng)的能源替代年收益值, 具體如表 1。 表 1 戶用沼氣利用的能源替代效益 1 項目 單位 電力 液化氣 煤炭 薪柴 秸稈熱值 KJ/KW .h 或KJ/KG 3.596 50.179 20.90

12、8 16.726 14.636熱效率 % 80 55 35 25 25單價 元/KW .h或元/KG 0 .6 4.8 1.2 0.2 0.2能源替代收益 元/年 915.74 763.64 720.00 210 .01 240 .00在被替代能源價格取值上,對于電力、液化氣、煤炭等商品能源以市場交易價格進行取值, 對于薪柴、秸稈等非商品能源, 由于其在農(nóng)村地區(qū)的可獲得性, 考慮到使用此類能源的農(nóng)村居民收入和勞動力機會成本都較低,其價值量取0.2 元/ KG 這一較低數(shù)值。以沼氣利用的使用期15年為基準, 在替代能源分別對應(yīng)電力、液化氣、煤炭的情況下, 內(nèi)部收益率分別為21.35%、16.37

13、%、14.88%, 在替代薪柴和秸稈的情況下, 其顯著不經(jīng)濟。具體指標見表2。 表2 沼氣利用的能源替代效益評價指標 2 項目 單位 替代電力 替代液化氣 替代煤炭 替代薪柴 替代秸稈能源替代年收益 元 915.74 763.64 720.00 210 .01 240 .00沼氣池初始投資 元 -3500 -3500 -3500 -3500 -3500沼氣池維護費用 元 -125 -125 -125 -125 -125沼氣池使用年限 年 15 15 15 15 15評價指標(IRR) % 21 .35 16.37 14.88 負值 負值 .從表2 可以看出, 在沼氣項目基準收益率不大于14%的

14、情況下, 對于使用電力、液化氣和煤炭等商品能源的農(nóng)村居民而言, 其具有一定的市場競爭力;但對于收入較低的使用非商品能源的農(nóng)村居民而言, 即使不考慮資金的時間價值, 其現(xiàn)金流出亦大于現(xiàn)金流入, 若在市場自發(fā)作用下, 該類農(nóng)村居民對投資建設(shè)沼氣項目會存在一定的市場障礙。結(jié)果分析: 能源替代效益存在顯著差異性。在戶用沼氣利用替代的能源類別不同時, 從能源替代效益評價指標IRR 可以看出, 能源替代效益存在顯著的差異性, 其大小依次為:電力(21.35%)、液化氣(16 .37%)、煤炭(14.88%)、薪柴和秸稈(負值), 從經(jīng)濟角度來看,對于不同的能源消費者而言, 其對沼氣的接受度相應(yīng)也就存在較大

15、的差異, 對沼氣接收程度從大到小依次為:電力消費者、液化氣消費者、煤炭消費者和薪柴和秸稈消費者。 (2).用氣量計算：根據(jù)房屋使用面積計算用氣量，結(jié)合現(xiàn)有沼氣系統(tǒng)計算發(fā)酵罐體積等參數(shù)，為模塊化設(shè)計提供標準；1.單桶體積60L, 裝滿重60KG左右,配合小車可以單人搬運。2.以單個家庭成員耗氣量1桶設(shè)計，根據(jù)家庭人數(shù)增加桶數(shù)。3.廚余和生活垃圾收集，單桶需要2周左右，所以產(chǎn)氣周期控制在2周左右。 (3).模塊設(shè)計：針對北方溫帶氣候，設(shè)計一體化小型沼氣系統(tǒng)。將太陽能系統(tǒng)、用水系統(tǒng)、垃圾處理系統(tǒng)等進行整合。以期將以往沼氣系統(tǒng)的弊端解決。提高沼氣系統(tǒng)經(jīng)濟性和實用性；單體發(fā)酵桶及運輸工具產(chǎn)氣恒溫室外觀產(chǎn)氣恒溫室內(nèi)部及安裝發(fā)酵桶方式儲氣罐（復(fù)合除水脫硫功能）太陽能加熱管保溫層采氣單向閥太陽能進出水管衛(wèi)生間糞便集料間外觀送桶坡道衛(wèi)生間糞便集料間剖面圖污水分離器戶