市政污泥、禽畜粪便、餐厨垃圾协同厌氧消化处理有机固废工艺，既可以将城市及农村的难处理有机物有效处理，缓解环境污染问题，又可以产生沼气能源。但当气温低于15℃时，厌氧消化反应速度受到抑制，沼气产气率降低，降低工厂的处理能力。随着太阳能技术的成熟，利用沼气锅炉和太阳能对厌氧反应器联合增温越发值得进行工程研究。
1. 技术路线的选择
寒区的厌氧消化反应器一般有两种布置方式：地上布置、半地下或地下布置，由于地上布置具有不易泄露、易维护、成本低、排渣便利等优势，目前绝大多数规模以上企业均采用这种方式。地上布置的缺点也是显而易见的，地上布置在寒区冬季散热较大，需要持续的供给外部热量以维持厌氧反应温度。目前，通常的做法是利用沼气锅炉产生热水供热。对于以沼气外售为主要销售收入的来源的项目，利用太阳能技术作为补充热源，无疑会节约厌氧反应器产生的沼气，从而获得更高的销售收益。
沼气锅炉技术相对成熟可靠，沼气锅炉根据工艺要求可以产生蒸汽或热水。
太阳能技术目前有太阳能光伏发电供热技术和太阳能真空管加热技术。太阳能光伏发电供热技术是利用光电转化原理，利用单晶硅或多晶硅太阳能板将太阳能直接转化为电能，电能暂存在储能装置中，需要利用时可通过电伴热带直接加热厌氧反应器罐体或加热热水锅炉产生热水供厌氧反应器罐体保温。太阳能真空管技术是利用光热转化原理，利用太阳能真空管将太阳能直接转化为热能加热水，再将热水送至厌氧反应器罐体用于保温。
太阳能真空管加热技术与沼气锅炉联合加热系统的设备组成比较复杂，除常规沼气锅炉所需的沼气锅炉、补水箱、锅炉循环水泵、软制备系统外，还需要太阳能真空管集热器、太阳能循环水泵、分水器、膨胀水箱、阀门、测点和自动控制设备等。锅炉加热系统和太阳能加热系统以并联的方式实行连接，以保证联合供热效果。在寒冷的冬季，要使用乙二醇等防冻液加入太阳能循环水系统，以确保在夜间系统因无法产生热量而冻结。太阳能真空管需要直接接入水箱加热，一般设置于屋面，屋面荷载较大，由于真空管比较脆弱且存在自爆率，所以在应用过程中维护工作量相对较大[2]。
太阳能光伏发电供热技术与沼气锅炉联合加热系统的设备组成有所不同。如选用电能加热热水模式，仅将上述太阳能真空管加热技术中的太阳能真空管集热器替换为太阳能光伏发电系统和电热锅炉，显然流程更长，设备更多更复杂，目前没有经济优势。如选用电能直接转换热能模式，即采用电伴热带直接加热厌氧反应器罐体的方法，无疑会简化加热系统，同样布置在屋面的太阳能光伏发电板的荷载非常小，现有屋面无需考虑加固措施，维护便捷工作量小，建成项目也更容易的进行技术升级，有着更加广阔的发展前景。
综上，本次市政污泥、禽畜粪便、餐厨垃圾协同厌氧消化处理有机固废工艺所设置的厌氧反应器的加热系统，选择屋顶太阳能光伏发电板电伴热和沼气锅炉联合供热的技术路线。
2. 联合增温系统设计
2.1 运行工况分析
对于太阳能光伏发电板电伴热和沼气锅炉联合供热技术而言，分析工况无疑对系统设备及管路的设计选型非常重要。太阳能加热系统对天气非常敏感，属于靠天吃饭，如何降低天气的影响是系统能否成功运行的关键。不同的季节同一个屋面上接受的太阳光不同；同一天的不同时间同一个屋面上接受的太阳光也不同；同一时刻晴朗的天空和阴暗的天空同一个屋面上接受的太阳光也不同。为了简化分析，我们把太阳能光伏发电系统划分为独立供热、联合供热、不供热三种工况。这三种工况可能随时发生，因为即使是天气晴朗的时候，飘来一片云彩也会使太阳能发电停止，无法提供加热所需的电力，为了满足厌氧发酵系统±1℃的温度变化要求，沼气锅炉供热系统需要有更快的反应，更少的滞后性，由于热系统较大，如何避免控制系统的振荡产生非常关键。
2.2不同工况下的控制策略
对于上节所提到的问题，一般的处理方法是设置蓄能系统予以解决，蓄能系统一般是蓄电池，以目前的技术而言，无疑将是一笔非常大的投资。蓄能技术还可以利用大电网来实现，发出的电先卖给国家电网，由电网消纳不稳定电力，再从电网回购，回购的电能不仅可以用于加热罐体，还可以用作其他用电设备供电，这种技术目前来说比较成熟可靠，但需要经过电力部门的批准，手续比较繁杂，这与笔者设计联合加热的初衷相违背。笔者在此提出一种控制策略，实现联合加热的同时，电能不上网，不用蓄能，从而最大限度的降低投资，提高性价比。
对于加热系统的热量输出，建议为额定需热量的70%，虽然更大的发电量是绝大多数人所追求的，除了需要更大规模的太阳能光伏发电板外[1]，缺无法不通过电力的分流实现沼气锅炉连续运行。沼气锅炉每天的经常性启停会周期性较大幅度改变沼气锅炉承压设备的温度，这对沼气锅炉承压设备的寿命影响不利，承压设备的使用时间实际上就是温度改变的次数，当温差大幅改变达到一定的次数时，承压设备的承压能力会急剧下降而无法继续服役。
上述的策略使沼气锅炉可以随时投入补充热量的工作中。如出现突然的乌云遮日，太阳能光伏发电板输出电流可能基本为零，此时如遇寒冬，厌氧反应器温度可能迅速下降，不及时补充热量，将严重影响细菌活性，严重使反应器酸化，无法挽救。因此有必要设置一套应急蓄热装置，可以在短时间内输出大量的热，以抵消锅炉升温所需时间的影响。蓄热系统采用高温热水蓄热，需热量满足20min的沼气输入热量要求，高温热水装置具有反应迅速，简单可靠的特点，该装置设在系统最高点，在需要时打开阀门，无需额外动力即可输送热水。
对于夜间及傍晚或阴雨天太阳光减弱到无法发电时，需要直接切断太阳能电源，仅通过沼气锅炉进行供热，由于沼气锅炉需要一定的加热时间，我们需要利用现有的气象系统进行统筹规划，锅炉升温与日出日落时间及实时天气预报系统连锁，从而实现弱光时热量供给的无缝对接。
对于晴朗的白天，太阳能光伏发电板的追光系统是必不可少的，它可以尽可能的增加阳光的照射，提供所需的电力。
2.实例计算和模拟设计
上述设计需通过实际应用进行验证。为此，将辽宁省某地级市的气候条件与地理位置作为设计输入。该地区冬季1月气温平均-11℃，最低可以达到零下20℃。厌氧反应器冬季平均需要供热量为42kW，因此，根据上节所述，太阳能光伏发电板的额定功率选定为30kW。选用单块300W多晶硅太阳能光伏发电板，尺寸1640*992*35mm，单重16kg，共100块，总面积约200m2。沼气锅炉选用LHS0.1-0.4-QY型立式沼气锅炉，热效率101.1%。根据前文所述搭建控制系统及仿真模型，经模拟运行测试该系统运行良好，实现了预期的设计目标。
结束语：综上所述，在模拟设计和实例计算研究后，证明了无蓄电池，离网运用沼气锅炉和太阳能联合加热厌氧反应器的系统可行性，为实际推广应用该技术提供了参考范例。
参考文献：
[1]王华,卢红标,蒋亮艳.乡村振兴 沼气先行——集中式秸杆太阳能沼气站推广应用的思考与对策[J].江苏建筑,2022(03):1-4+32.
[2]王异林,苏博生,方芳,等.太阳能驱动沼气重整的分布式供能系统热力性能研究[J].制冷与空调(四川),2022,36(02):209-219.
