【摘要】：沼氣工程在冬季發(fā)酵溫度較低,系統(tǒng)“病態(tài)”運(yùn)行已成為制約我國(guó)中小型沼氣工程發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。因進(jìn)出料所引起的熱量損失是導(dǎo)致該問(wèn)題的主要原因之一,因此利用沼液余熱加熱發(fā)酵原料,減少厭氧發(fā)酵工程增溫能耗對(duì)沼氣工程穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在沼液余熱回收利用方面進(jìn)行了相關(guān)研究,主要是通過(guò)“沼液-水-進(jìn)料”間接換熱的方式進(jìn)行回收利用。該方式換熱熱損較大,操作過(guò)程復(fù)雜,仍存在進(jìn)一步的改善空間。課題組前期提出了回?zé)峄刭|(zhì)理論,并研發(fā)出了“沼液-進(jìn)料”直接換熱的弓形回?zé)峄刭|(zhì)裝置。該裝置在一定程度上提高了沼液余熱利用效率,但是固液分離和回?zé)峄刭|(zhì)步驟較為復(fù)雜,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外,在最佳回質(zhì)比例方面沒(méi)有相關(guān)研究。最佳的回質(zhì)比例不僅能夠減少厭氧發(fā)酵工程產(chǎn)沼液量、回收沼液余熱和增溫發(fā)酵原料,還能夠提高厭氧發(fā)酵工程產(chǎn)氣效率。為了確定最佳回質(zhì)比例,在50 L連續(xù)進(jìn)料的濕式厭氧發(fā)酵裝置中模擬實(shí)驗(yàn)研究了長(zhǎng)期回流沼液對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵工程的影響,在中溫(37±1)℃條件下研究了不同沼液回流比例(0%、30%、40%、50%、60%)下日產(chǎn)氣量、甲烷體積分?jǐn)?shù)、pH值、SCOD含量和氨氮含量變化,并通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析回流對(duì)甲烷生產(chǎn)的促進(jìn)機(jī)理,確定了以牛糞為發(fā)酵原料的沼氣工程最佳回質(zhì)比例。為了減少沼液余熱回收過(guò)程換熱損失,提高沼液余熱利用率,研發(fā)了排料固液分離和回?zé)峄刭|(zhì)一體化裝置。在此基礎(chǔ)上理論計(jì)算了帶有回?zé)峄刭|(zhì)的太陽(yáng)能恒溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)全年熱負(fù)荷、最佳回質(zhì)比例條件下沼液余熱有效回收熱量、回收熱量占總熱負(fù)荷的比例和太陽(yáng)能集熱陣列集熱面積。為驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果,搭建了回?zé)峄刭|(zhì)試驗(yàn)平臺(tái)�；�?zé)峄刭|(zhì)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果較為一致,不僅驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性,同時(shí)表明了新的回?zé)峄刭|(zhì)裝置對(duì)提高沼液余熱利用率、簡(jiǎn)化系統(tǒng)操作有一定的優(yōu)化作用。最后采用能值分析法評(píng)價(jià)系統(tǒng)效益。本文結(jié)論如下:(1)40%的回質(zhì)比例對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵工程產(chǎn)氣效率提升最大�；刭|(zhì)比例為40%的試驗(yàn)組在回質(zhì)階段內(nèi)日產(chǎn)氣量逐漸增高并在108 d后趨于穩(wěn)定。在試驗(yàn)周期內(nèi)最高日產(chǎn)氣量達(dá)到62.45 L,容積產(chǎn)氣率為1.39 L/L。與回質(zhì)比例為0%的試驗(yàn)組相比最高日產(chǎn)氣量提高了25.46%,與回質(zhì)比例為30%的試驗(yàn)組相比提高了9.22%�；刭|(zhì)比例為50%、60%的試驗(yàn)組雖然在回質(zhì)階段內(nèi)日產(chǎn)氣量較回質(zhì)比例為30%、40%的試驗(yàn)組更快達(dá)到最高日產(chǎn)氣量62.29 L、62.40 L,但是試驗(yàn)組在第95 d和78 d日產(chǎn)氣量分別開(kāi)始降低,至試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí),日產(chǎn)氣量已經(jīng)低于40%試驗(yàn)組并繼續(xù)降低。(2)高回質(zhì)比例對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用�；刭|(zhì)比例為50%、60%的試驗(yàn)組pH值、SCOD含量隨著回質(zhì)運(yùn)行天數(shù)的增加而升高,但仍在厭氧發(fā)酵適宜的濃度范圍內(nèi),對(duì)產(chǎn)氣效果無(wú)抑制影響。氨氮含量隨回質(zhì)運(yùn)行天數(shù)的增加不斷累積升高,在達(dá)到1500 mg/L后試驗(yàn)組產(chǎn)氣受到抑制,產(chǎn)氣量逐漸降低。因此,以牛糞為原料的沼氣工程利用沼液回質(zhì)時(shí),應(yīng)選擇40%的回質(zhì)比例或在回質(zhì)前降低沼液中的氨氮含量。(3)對(duì)沼液回質(zhì)影響厭氧發(fā)酵的促進(jìn)機(jī)理進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,得出合適的回質(zhì)比例能夠提高體系的單位基質(zhì)產(chǎn)甲烷率,提高單位容積產(chǎn)氣率,這是由于回質(zhì)的沼液中攜帶了大量的產(chǎn)甲烷菌重新進(jìn)入到厭氧發(fā)酵體系中,提高了基質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率。(4)發(fā)酵罐在采取良好保溫措施條件下,加熱進(jìn)料負(fù)荷占系統(tǒng)總熱負(fù)荷的89.3%?93.2%。在40%的回質(zhì)比例條件下理論計(jì)算了全年不同月份回?zé)峄刭|(zhì)有效回收熱量。通過(guò)回?zé)峄刭|(zhì)試驗(yàn)驗(yàn)證可得:在環(huán)境溫度為18℃的條件下,回?zé)峄刭|(zhì)可將溫度為16.2℃的進(jìn)料加熱至26.6℃,占維持37℃恒溫發(fā)酵所需熱量的51.94%。在冬季條件下,回?zé)峄刭|(zhì)可將溫度為2.5℃進(jìn)料加熱至18.9℃,占冬季系統(tǒng)維持37℃恒溫發(fā)酵所需熱量的47.23%。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析的沼液余熱回收效率一致。(5)系統(tǒng)維持37℃恒溫發(fā)酵所需熱量由回收沼液余熱和14組總集熱面積為53.9 m~2太陽(yáng)能集熱陣列提供,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了100%的可再生能源供熱,可以保證沼氣工程在冬季37℃恒溫發(fā)酵。與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐加熱相比,初投資增加了61%,年凈效益高130287元;與太陽(yáng)能和燃煤鍋爐聯(lián)合加熱相比,初投資減少了7.28%,年凈效益高116077元。因此具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
【圖文】：

第 1 章 緒 論背景來(lái)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，中國(guó)成為世界上能前已探明的化石能源儲(chǔ)量不斷減少，因此能為制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵因素[2,3]。據(jù)中國(guó) 2017 年能源消費(fèi)總量占全球能源消費(fèi)總能源消費(fèi)增長(zhǎng)的 33.6%。中國(guó)連續(xù) 17 年穩(wěn)居力提高可再生能源發(fā)展，降低化石能源占比中國(guó)太陽(yáng)能消費(fèi)增長(zhǎng)最快，2017 增長(zhǎng) 76%，國(guó)的二氧化碳排放量增長(zhǎng) 1.6%，較過(guò)去十年平年中國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示：

圖 1.2 厭氧發(fā)酵四階段產(chǎn)甲烷途徑our-stage methanogenesis pathway in anaerobic fer階段。厭氧發(fā)酵技術(shù)原理即是發(fā)酵原料中的烷，但發(fā)酵原料中脂肪、纖維素、淀粉等高被消化利用，，只能在產(chǎn)酸細(xì)菌的分解作用下和揮發(fā)性脂肪酸等小分子化合物。因此產(chǎn)酸反應(yīng)效率較低，同時(shí)也抑制了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階厭氧發(fā)酵過(guò)程的限速步驟[14]。第二階段即酸厭氧菌的作用下進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)并在新陳代謝作等揮發(fā)性脂肪酸和酮醇類(lèi)物質(zhì)、乳酸、二氧即產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。揮發(fā)性脂肪酸、酮醇類(lèi)下降解為乙酸、氫氣和二氧化碳，同時(shí)耗氫成乙酸[15]。第四階段即產(chǎn)甲烷階段。嚴(yán)格厭二氧化碳經(jīng)過(guò)代謝轉(zhuǎn)化生成甲烷。厭氧發(fā)酵自氫氣、二氧化碳的還原。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：S216.4

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