沼气工程中保温技术研究及经济分析

收稿日期：2014-10-14项目来源：江苏省农业自主创新资助项目（CX （12）1102-4）；江苏省科技支撑计划（BE2012775）作者简介：李瑞容（1984－），女，助理研究员，主要从事农业废弃物处理与资源开发技术研究，E-mail ：lrr006@163．com 通信作者：朱德文，

E-mail ：zdwww7009@sina．com 沼气工程中保温技术研究及经济分析

李瑞容，陈永生，曲浩丽，王鹏军，吴爱兵，朱德文

（农业部南京农业机械化研究所，南京210014）

摘

要：文章介绍了沼气工程中的保温方式、保温结构和保温材料，设计了发酵池的保温系统，对部分材料进行了

热物理性质参数测定，计算出单个池体实际散热量。在该保温系统下，单个池体的总散热量由56．45MJ ·d －1

降低到9．33MJ ·d －1

。通过经济分析，该保温系统的年费用为383．06元；在不考虑沼气锅炉的维修费、年折旧费、热损

失等大额费用的情况下，增温设备每年在发酵池散热损失花费需429．39元，可见，该发酵池的保温系统具有较高的经济效益，并进行了保温效果试验验证。

关键词：保温技术；经济分析；热物理性质参数；热量衡算中图分类号：S216．4

文献标志码：B

文章编号：1000－1166（2015）01－0079－05

Ｒesearch on Insulation Technology and Economic Analysis for the Biogas Project /LI Ｒui-rong ，CHEN Yong-sheng ，QU Hao-li ，Wang Peng-jun ，Wu Ai-bing ，ZHU De-wen /（Nanjing Ｒesearch Institute for Agricultural Mechanization ，Ministry of Agriculture ，Nanjing 210014，China ）

Abstract ：A insulation system was designed for a biogas project based on the thermal insulation and energy saving．The thermo-physical parameters of thermal insulation material were determined ，and the actual heat dissipation of unit digester was calculated．The results showed that the total heat lose was reduced from 56．45MJ ·d －1to 9．33MJ ·d －1under the de-signed insulation system．The economic analysis showed that the annual total costs of this thermal insulation system were just 383yuan．In contrary ，the calefacient device will cost 429yuan to satisfy the heat losses．Key words ：insulation technology ；economic analysis ；thermo physical parameters ；heat balance

我国畜禽粪便、

秸秆等农业废弃物资源丰富，但利用率较低，环境污染严重，影响农村卫生环境和农民生活质量

［1］

。沼气技术是解决农村环境污染、有效利用农业废弃物资源的重要途径，它可以将农业废弃物转化成清洁能源沼气和优质沼肥，实现废弃物无害化处理，减少温室气体排放

［2］

。我国冬季特

别是在北方地区，寒冷而漫长，制约处理畜禽粪污的大中型沼气工程发展的重要因素之一是厌氧发酵温度过低。如何能较为廉价地保持厌氧发酵温度，成为大中型沼气工程的关键问题

［3］

。针对这一亟待

解决的问题，本研究在新型保温节能沼气发酵装置设计基础上，选取了装置中的关键保温材料进行热物理性质参数试验，对发酵池进行热量衡算，以期为沼气保温技术发展及推广应用提供科学依据。1

沼气工程保温技术现状

1．1

沼气工程中的保温方式

目前，在沼气工程中采用的保温技术主要有以

下几种［4］

：1）高温堆肥和柴草覆盖保温方法；2）挖

环形沟保温法；3）塑料薄膜覆盖法；4）外部隔热材料保温法，该方法在沼气工程中使用得较为广泛，就是在地底、池四周加保温、隔热材料，中断沼气池与外界的热传导通道。其有两大好处：1）防止大地封冻、解冻过程因地温下降，池温降低；2）隔绝池体内热量向接壤的土层传导，有效保持池内温度。该技术只能延缓料液降温的速度，在冬季不能保证沼气工程运行，需要配套相应的增温措施。1．2

沼气工程中采用的保温结构目前，主要采用的是外部隔热材料保温法，保温

结构依次由主体结构层、保温层和装饰层组成，按照承重外壁和非承重外壁分为不同形式的保温结构。

其非承重外壁的保温结构主要有：1）外壁粘贴

保温材料和装饰面；2）外壁粘贴两种复合保温材料

和装饰面；3）外壁依次覆盖粘连砂浆、保温材料和抗裂砂浆。在发酵库四周的壁面将保温材料专用粘结砂浆按要求粘贴上，如有需要加固，可用膨胀螺钉加以锚固，然后在保温材料表面抹聚合物水泥砂浆，其中压入耐碱涂塑玻纤网格布加强以形成抗裂砂浆保护层，最后上装饰面。承重外壁采用的保温结构主要有：1）池底下方以混凝土做基地，填埋保温材料，涂刷抗裂砂浆；2）将底部的混凝土层加厚，并在池底堆积一定厚度的物料作为保温层。在发酵库底部以碎石做基地，在上面浇筑一定厚度的混凝土，然后依次按照上述步骤填充保温材料，形成混凝土、保温材料和库底的三明治保温结构。

1．3沼气工程中采用的保温材料

目前，沼气工程中采用的保温材料主要有聚氨酯泡沫板、挤塑板（连续挤出型聚苯乙烯泡沫塑料，XPS ）、苯板（膨胀型聚苯乙烯泡沫塑料，

EPS ）［5］。保温效果依次为：聚氨酯泡沫板﹥挤塑板﹥苯板；使

用寿命长短依次为：聚氨酯泡沫板﹥挤塑板﹥苯板；吸水率（性）依次为：挤塑板﹤聚氨酯泡沫板﹤苯板；价格高低依次为：聚氨酯泡沫板﹥挤塑板﹥苯板。2材料与方法2．1

试验装置

试验设计的中试实验沼气池主要用于秸秆和畜禽粪便的混合发酵，为矩形敞口结构，三分之一的池体在地面以上，三分之二的池体在地面以下。其内部尺寸为2．0m ?1．0m ?1．5m ，有效容积为3．0m 3；在发酵池底部设有渗滤液池，内部尺寸为0．5m

?0．3m ?0．3m ，有效容积为0．045m 3，发酵过程

中主要用于装载循环喷淋用的渗滤液，主要结构如图1所示。沼气池整体采用钢砼结构，在池底设防渗层，防治污水浸入地下污染地下水，顶部为敞口结构，覆盖红泥塑料覆皮用于收集沼气，寒冬季节在最外部覆有保温被。

内壁抹防水

以镀锌雨水盖板为承托

底部压铺20目尼龙网

0.05

0.05

0.05

300

0.05

图1沼气发酵池结构示意图

沼气发酵池在池子外壁和底板都敷设保温材料，设计的保温结构分别是：（1）发酵池底部。保温结构如图2所示，发酵库底部以碎石做基地，在上面浇筑200mm 的混凝土层，涂抹防水抗裂砂浆并将保温材料粘贴上，并压入耐碱涂塑玻纤网格布加强以形成抗裂砂浆保护层，在此基础之上浇筑发酵池的池底。（2）发酵池四壁部分。保温结构如图3所示，在厚度为200mm 的发酵池壁外将保温材料粘贴上，用膨胀螺钉加以锚固，然后在保温板表面抹聚合物水泥砂浆，并压入耐碱涂塑玻纤网格布加强以形

防水砂浆涂膜防水

C30P6砼

细石砼加无纱布保温板涂膜防水砼垫层碎石垫层原土夯实

图2

发酵池底部保温结构示意图

成抗裂砂浆保护层，

然后紧贴保温层砌120mm 的标准砖墙，外表层涂上防水抗裂砂浆。

C30P6砼保温板涂膜防水止水钢板

标准砖保温层防水砂浆粉刷图3发酵池四壁保温结构示意图

（3）管道部分。管道采用聚乙烯保温套管包

裹，并在外部用缠绕防水胶布。

（4）顶部。在红泥塑料储气膜上方架设保温被。

根据上述的保温方式，选取以下常用的建筑材料和保温材料进行热物理性质测试：混凝土块、红泥塑料覆皮、挤塑板（聚苯乙烯泡沫板挤塑型XPS ）、苯板（聚苯乙烯泡沫板膨胀型EPS ）和聚乙烯保温套管。2．2

实验方法采用DＲM-Ⅱ型导热系数测试仪进行测定，是

以非稳定导热原理为基础，在实验材料中短时间加

热，使实验材料的温度发生变化，根据其变化的特点，通过导热微分方程，计算出试验材料的导热系数、蓄热系数、导温系数和比热。根据非稳态导热原理建立的热工性能试验装置是由电源、测温仪表及一个面加热器和放置在加热器两侧相同材料的三块试件及测温热电偶组成。3结果与分析

3．1

各种保温材料的热物理性质实验时外部环境温度为10?，每种材料取样3

表1

各个材料的热物理性质实验平均值

名

称

导热系数W ·mk －1导温系数M 2·h －1容重kg ·M －3比热kj ·kg －1k －1

红泥塑料0．17640．000324551128．41．734混凝土块1．02680．002885832165．50．594挤塑板0．03140．002749930．82．610橡塑海绵0．03560．001709230．73．541苯板

0．0392

0．012982

11．6

2．383

组进行测试，

一次试验结束后，拆卸试件，待四小时后，按上述试验步骤再进行第二次试验，取平均值，实测值如表1所示。

从表1中可见，苯板的导热系数大于挤塑板，可见挤塑板的保温性优于苯板，价格也比苯板略高，因此，在本工程设计中采用挤塑板作为保温材料。3．2

发酵池散热损失的热量

厌氧生物发酵需要保持在合适的温度区间，我国采取最多的中温发酵，最适宜在33? 37?。将发酵池看作是个独立的单元体，在厌氧生物发酵过程中，每天进料带入的热量和供给升温的热量分别

用Q 1和Q 2表示；而料液升温能量转换损失、发酵

池和管道散热损失的热量分别用Q 3和Q 4表示，从能量平衡角度分析，前后两者是相等的，如下式：

Q 1+Q 2=Q 3+Q 4可见沼气发酵温度主要受Q 1，

Q 2，Q 3，Q 4这4个因素有关。其中发酵池和管道散热损失的热量Q 4是池体主要热量损失。

本沼气工程采用的是中温干式发酵，选取猪粪和稻秸秆作为发酵原料，原料采自附近的养殖场和农户，稻秸秆TS 为90．12%，VS 为77．25%，粉碎度

为5 10cm ；猪粪TS 为15．17%，

VS 为10．33%。一次性投放秸秆600kg 和猪粪245kg 后，顶部覆盖

红泥塑料进行产气试验，发酵期间无进出料，发酵周期按照30天计算，发酵温度为35?。

忽略沼气带走的少量热量以及发酵产生的少量生物热，沼气工程每天所需的热负荷主要由沼气池向环境的散热量。以冬季最差工况为基准计算，按照土壤温度8?，冬季最冷月份平均空气温度5?计算。

沼气池散热量为：

Q s =AK Δt 1K =

1Ｒ=11α1

+∑δλ+1α2=

1

1α1+δ1λ1+δ2λ2+1α2式中：A 为散热面积，

m 2；K 为总传热系数，W ·m －2?；Δt 1为发酵温度与环境温度的差值，?；Ｒ为总热阻，m 2?·W －1；α1为发酵池内壁与沼液的对流换热系数，

W ·m －2?；α2为发酵池外壁与空气的对流换热系数，

W ·m －2?；λ1为发酵池壁材料导热系数，

W ·m －1?；λ2为发酵池保温材料导热系数，

W ·m －1?；δ1为发酵池壁厚度，m ；δ2为发酵池保温层厚度，

m 。

根据沼气池建筑结构和用材的不同，可以将其分成4个部分进行计算：1）顶部红泥塑料储气袋；2）发酵池四壁在地面以上部分；3）发酵池四壁在地面以下部分；4）发酵池底部。表2为保温和未保温状态下发酵库各个部位散热量的比较。

表2保温和未保温状态下发酵库各个部位散热量的比较

发酵库部位面积

m2

未保温的散热量

MJ·d－1

保温的散热量

MJ·d－1

顶部红泥塑料储气袋219．202．91

发酵池四壁在地面以上部分323．702．15

发酵池四壁在地面以下部分610．163．20

发酵池底部23．391．07

总计1356．459．33

从表2中可以看出，在未采取保温措施的情况下，顶部红泥塑料储气袋的散热量占到总散热量的34%，发酵池四壁在地面以上部分占到总散热量的42%。因此，这两项是本工程保温系统设计重点，考虑在顶部红泥储气袋上架设保温被，并将地面以上的库体建造在温室大棚内，这样能极大程度的缓解发酵库的散热问题。

在采取外墙保温系统和顶部温棚的保温措施下，单个池体的总散热量由56．45MJ·d－1降低到了9．33MJ·d－1，大大减轻了寒冷季节增温设备的供热负担。

3．3管道散热损失的热量

管道散热损失的热量计算公式为［6］：

Q'=24?

T i －T

()

A /1/2πL

()λ?ln r

o

/r

()

i

+1/2πr

o

L

() []

α+

T O －T

()

A /1/2πL

()λ?ln r

o

/r

()

i

+1/2πr

o

L

() []

{}α式中：Q'为管道管道内向管道外散发的热量，kJ；T

A

为发酵池外部温度，5?；T i为进水管道温度，60?；T o为出水管道温度，40?；r o为保温层的外半径，60mm；r i为保温层的内半径，10mm；L为进出水管道长度，20m；α为罐外壁热转移系数，10 W·m－2?；λ为管道保温层导热系数，0．0356 W·m－1?。

经计算，Q'=1．35MJ·d－1。因此，每天沼气发酵池总的热损失为Q=Q s+Q'=10．68MJ。

3．4经济性分析

由于采用挤塑板作为保温材料，按照其保温结构，要考虑聚合物粘结砂浆、板材界面剂、挤塑板、聚合物罩面砂浆、防水涂料、低碱网格布、锚固钉、人工费的投入，100mm厚度的挤塑板按照600元·m－3进行计算，则容重为34kg·m－3的挤塑板外墙外保温系统每平方的造价为132．09元。单层砖墙考虑到砖、砂浆和人工费，每平方的造价约为47．12元。顶部尼龙布保温被，每平方重量2kg，使用寿命12 16年，每平方米造价为18元。

表3各个保温部位的造价

保温系统部位面积/m2单价/元合计/元

挤塑板保温层11132．091452．99

单层砖墙10．547．12494．76

顶部尼龙布保温被3．525．0087．50

总计——2035．25

从表3可知，发酵池的保温系统造价为2035．25元，考虑到5%工程损耗，实际造价为2137．01元。管道采用5mm的橡塑海绵保温套管，按照每立方米1890元进行计算，考虑人工费和其他材料费，每米的管道保温层造价约为10．56元，现有管道长度20m，总造价为211．2元。因此，单个发酵池保温系统的总造价为2348．21元。

文章采用费用年值对保温系统进行经济评价［7－8］。费用年值是将现值分摊到寿命期内各年的等额年值，因没有年运行费用，可用以下公式计算。

AC=PC

i1+

()i n

1+

()i n

[]

－1

式中：AC为费用年值，元；PC为费用现值，2348．21元；n为保温系统使用年限，10；i为年利率，取10%。

经计算，该套保温系统的费用年值为383．06元。

由于每天沼气发酵池总的热损失为10．68MJ，一整年的最大热损为3898．2MJ。现采用的是0．12 MW沼气锅炉加热，需要燃烧286．26m3的沼气才能满足热量的需求，按每立方米沼气1．5元计算，每年在发酵池散热损失上的花费429．39元（不包括沼气锅炉的维修费、年折旧费、热损失）。由此可见，该发酵池的保温系统具有比较高的经济效益。

4保温系统应用试验与结果

该沼气工程4月11日进料，5月20日出料，发酵周期40天。前4天逐步将17?的混合物料加热到35?后，关闭增温措施，观察池内温度的变化如图4所示。

40

35302520151050

温度/%℃

1%3%5%7%911%13%15%17%19%21%23%25%27%29%31%33%35%37%39

发酵周期/%d

1号发酵池

每日大气最高温

每日大气最低温

图4未增温情况下发酵池内温度变化曲线图

由图4可知，

增温停止后，池内混合物料温度随着发酵周期的推进而逐渐下降，虽然外部气温变化巨大，但池内的温度保持稳定，呈缓慢下降趋势，基本不受外界大气的影响。当发酵周期结束的时候，池内的温度由35?降低到20．6?。

在保温的状态下，池内的物料37天共降低了14．4?，试验可得物料实际总散热量为141．12MJ 。在该段发酵周期中，由散热量公式计算出单个池体在37天内的理论总散热量为130．56MJ 。理论值和实验值之间存在一定的误差，这可能是由于忽略了产生的沼气带走部分热量、保温被以及保温材料之间存在缝隙等问题造成。5

结论

（1）在未采取保温措施的情况下，顶部红泥塑料储气袋的散热量占到总散热量的34%，发酵池四壁在地面以上部分占到总散热量的42%。因此，顶部和地面以上的池体是本工程保温系统设计重点。

（2）在采取外墙保温系统和顶部温棚的保温措

施下，单个池体的总散热量由56．45MJ ·d －1

降低

到了9．33MJ ·d －1，大大减轻了寒冷季节增温设备的供热负担。

（3）该保温系统的费用年值为383．06元；在不考虑沼气锅炉的维修费、年折旧费、热损失等大额费用的情况下，每年在发酵池散热损失上的花费就需429．39元。由此可见，该发酵池的保温系统具有比较高的经济效益。参考文献：

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