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为了解决北方冬季大中型沼气工程发酵温度低造成的沼气产量大幅降低的问题,构建了太阳能与烟气余热互补加热的恒温沼气工程,利用太阳能与烟气余热对沼气工程供热,并以回热回质的方式,回收沼液中余热加热进料。该系统的构建,对现下北方冬季寒冷季节大中型沼气工程存在的低产能高供热成本问题提供了一种有效解决方案。本课题主要研究内容及结果如下:(1)以甘肃省兰州市红古区花庄已经运行10年的沼气热电联产工程作为研究对象,分析实际运行数据发现:该工程沼气发电机组效率在30%左右,余热利用率在33%左右,比设计工况下50%的余热利用率低17%;冬季低温环境使得发酵物料的温度降低,发酵供热负荷增大,烟气余热供热量不足以维持恒温发酵,发酵温度不断下降严重影响系统产能。故构建太阳能与烟气余热互补加热的恒温沼气工程,并加入沼液回热回质环节以维持发酵过程恒温运行进而提高产能。(2)为探究所构建系统中太阳能集热器阵列在冬季的集热效果,以55台全玻璃真空管太阳能集热器组成的集热器阵列为研究对象,由单台集热器积灰热性能对照试验,以及集热器阵列的日平均效率和平均热损系数测试可知:试验时单台集热器积灰一天后,集热器热水温度比除灰集热器水温低5.6℃,日得热量少了2.135MJ;集热器表面积灰量的累积与其日得热量呈负相关,试验6天后,除灰集热器日得热量是积灰6天的集热器的2.53倍;试验中前排集热器的摆放位置对后排集热器造成部分遮挡使其日得热量下降,未受遮挡和积灰双重影响的集热器日得热量最大时是对照组的3.23倍;对太阳能集热器阵列在环境低温均在-10℃以下时进行连续17天热性能测试,得到阵列日平均效率为41.96%,平均热损系数均值为1.64W/m2·℃。(3)设计沼液回热池使酸化池进料与发酵罐排出沼液进行换热,并将排料中30%的沼液直接回流进入物料,整个沼液回热回质环节对沼液中热量回收率在40%~41%之间;根据已有运行数据,对所构建系统的沼液回热回质环节进行相关初始条件假设并进行热性能分析,发现对沼液中热量回收,可将5℃的进料最高提升至24.0℃。(4)根据已有运行数据对构建的带有沼液回热回质的太阳能与烟气余热互补加热的恒温沼气工程进行经济性分析可知:在烟气余热增温的基础上,将沼液回热回质后,配置14台太阳能集热器即可在冬季寒冷季节维持沼气系统进行35℃恒温发酵;将花庄沼气工程改造为本文构建系统,投资回收期为1.76年,可为沼气系统每日节水14.4t。本课题创新点:构建了带有沼液回热回质的太阳能与烟气余热互补加热的恒温沼气工程,并做了相关热性能分析和节能经济性分析。