能源與環(huán)境是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。以不可再生的化石燃料為基礎(chǔ)的能源消費(fèi)正在加劇破壞人類賴以生存的環(huán)境,威脅人類的可持續(xù)發(fā)展。開發(fā)利用對(duì)環(huán)境友好的可再生能源已經(jīng)成為必然。 太陽(yáng)能和生物質(zhì)能是資源量大、分布很普遍的兩種可再生能源。生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)和低溫太陽(yáng)能集熱技術(shù)是目前的兩種成熟技術(shù)。生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)有效地解決了農(nóng)村燃料短缺問題,實(shí)現(xiàn)了禽畜糞便的無(wú)害化處理及多層次資源化利用,因而受到各國(guó)的普遍關(guān)注。然而,厭氧發(fā)酵過程受溫度影響嚴(yán)重,發(fā)酵溫度過低或波動(dòng)過快,都會(huì)影響厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣速率以及沼氣中CH4的含量。現(xiàn)有沼氣池增溫保溫方法有些利用生物質(zhì)、煤炭、電等能源,熱能轉(zhuǎn)化率低,容易產(chǎn)生污染,有些增溫保溫效果差,生物質(zhì)厭氧發(fā)酵過程很難控制。太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)性集熱溫度與恒溫厭氧發(fā)酵溫度的匹配提供了太陽(yáng)能集熱器與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵器集成的基礎(chǔ)。為此,本課題研發(fā)了太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣池。該系統(tǒng)是將太陽(yáng)能集熱器收集的太陽(yáng)能,以水為熱媒供給發(fā)酵罐,來滿足發(fā)酵所需的熱量,使之突破了晝夜、季節(jié)、氣候等不利因素的束縛,實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定供能。 為了研究發(fā)酵溫度、發(fā)酵原料對(duì)恒溫發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響、太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣池的產(chǎn)氣性能及其裝置性能和綜合效益,本課題進(jìn)行了以下研究工作。 1.在四個(gè)11.5L的發(fā)酵罐中并行批次實(shí)驗(yàn)研究了19℃、30℃、37℃和52℃下鮮牛糞、鮮牛糞與蓮花菜葉混合原料發(fā)酵過程,并用沼氣分析儀實(shí)時(shí)測(cè)量了沼氣中的甲烷、二氧化碳和硫化氫含量,發(fā)現(xiàn):(1)牛糞發(fā)酵濃度為8%時(shí),38天內(nèi)52℃、37℃、30℃和19℃下累積產(chǎn)氣量分別為173.12L、187.59L、153.41L和39.12L,發(fā)酵周期分別為22天、22天、27天和36天,發(fā)酵周期內(nèi)累積產(chǎn)甲烷量分別為90.44L、100.47L、79.35L和13.90L,池容產(chǎn)氣率分別為0.71m3/m3·d、0.76 m3/m3·d、0.51 m3/m3·d和0.10m3/m3·d。37℃時(shí)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量最大,產(chǎn)氣品質(zhì)最好。(2)牛糞發(fā)酵濃度為4%時(shí),22天內(nèi)30℃、37℃和52℃下累積產(chǎn)氣量分別為41.69L、52.30L和55.57L,發(fā)酵周期分別為16天、15天和14天,發(fā)酵周期內(nèi)池容產(chǎn)氣率分別為0.23 m3/m3·d、0.32 m3/m3·d和0.36 m3/m3·d,累積產(chǎn)甲烷量分別為19.07L、24.49L和25.22L,平均甲烷含量分別為51.07%、51.76%和50.63%。與其它溫度相比,盡管52℃下的發(fā)酵周期短,池容產(chǎn)氣率高,但沼氣品質(zhì)卻最差。(3)牛糞與蓮花菜葉VS質(zhì)量比為3、混合原料發(fā)酵濃度為8%時(shí),52℃、37℃和30℃實(shí)驗(yàn)組累積產(chǎn)氣量分別為201.83L、225.18L和195.76L,發(fā)酵周期分別為31天、42天和58天,池容產(chǎn)氣率分別為0.65 m3/m3·d、0.54 m3/m3·d和0.34 m3/m3·d,累積產(chǎn)甲烷量分別為99.31L、117.96L和102.10L,平均甲烷含量為49.20%、52.38%和52.16%。牛糞和蓮花菜葉混合厭氧發(fā)酵可以顯著地提高牛糞和蓮花菜葉的厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化率。在試驗(yàn)條件下,發(fā)酵周期內(nèi)30℃、37℃和52℃混合原料厭氧發(fā)酵比牛糞單一原料厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣量提高了7.00%、34.08%和22.16%。VS質(zhì)量比為3時(shí),最適發(fā)酵溫度為37℃;自然發(fā)酵無(wú)法啟動(dòng)混合原料發(fā)酵,應(yīng)減少蓮花菜的含量,減小VFA對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用,需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)pH。 2.在環(huán)境平均溫度為8.6℃下,太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣池能夠在30±2℃下穩(wěn)定運(yùn)行,總固體濃度為7%時(shí)產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第11天,產(chǎn)氣量高達(dá)2.059m3/d;最大料容產(chǎn)氣率0.86m3/m3·d,發(fā)酵周期為28天;若系統(tǒng)運(yùn)行正常,對(duì)4～5口之家,只需3m3的沼氣池即可滿足全天的燒水做飯需求。太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣裝置的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值NPV(i=10%)為8573元,內(nèi)部收益率FIRR為43.64%,益本比為2.80,動(dòng)態(tài)投資回收期為2.9年。根據(jù)目前甘肅省農(nóng)村的日常用能方式,則炊事時(shí)CO2年減排量可達(dá)2.35×107t,沼氣替代秸稈、薪柴和煤炭對(duì)CO2減排的貢獻(xiàn)分別為47.47%、40.80%和11.73%。 本課題的創(chuàng)新點(diǎn)在于:(1)實(shí)驗(yàn)研究了溫度對(duì)恒溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣能力的影響,發(fā)現(xiàn)了37℃時(shí)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)甲烷量最大,產(chǎn)氣品質(zhì)最高;(2)研發(fā)了新型的太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣池,該中試裝置在蘭州地區(qū)冬季工況下可以穩(wěn)定生產(chǎn)沼氣。 本課題研發(fā)的太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣池,突破了北方地區(qū)時(shí)間、季節(jié)、氣候變化對(duì)生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的束縛,有效地解決冬季沼氣產(chǎn)氣率低,產(chǎn)氣不穩(wěn)定的問題。與傳統(tǒng)沼氣池保溫增溫方法相比,太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣池更加節(jié)能和環(huán)保,對(duì)厭氧發(fā)酵過程可控性更好。本課題的研究成果有利于太陽(yáng)能加熱的恒溫沼氣池在北方地區(qū)大面積推廣應(yīng)用,進(jìn)而推動(dòng)了農(nóng)民生活方式向更加健康、文明、衛(wèi)生的方式轉(zhuǎn)變,推動(dòng)了新農(nóng)村的建設(shè),減少了對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴、擴(kuò)大了可再生能源的利用范圍,提高了可再生能源利用比重,實(shí)現(xiàn)了能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：S216.4
【部分圖文】：

自 20 世紀(jì) 30 年代以來，眾多學(xué)者對(duì)厭氧微生物和產(chǎn)氣條件之間的關(guān)了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)在厭氧發(fā)酵過程中，溫度對(duì)其影響尤為重要。事實(shí)證明上或生物學(xué)上的最適溫度并不等于實(shí)際生產(chǎn)中的最佳溫度，很多地區(qū)根據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)，結(jié)果造成人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。目前我國(guó)常用的戶用沼氣為 6～10m3，采用地下磚混土建的圓形水壓式沼氣池，普遍存在施工繁瑣長(zhǎng)，又易漏水漏氣，且在冬季不產(chǎn)氣或產(chǎn)氣量很小的諸多弊病，已成為制沼氣技術(shù)推廣的瓶頸[88-90]。因此，本課題組研制了一臺(tái)新型太陽(yáng)能加熱的氣裝置，并在 09 年 3～4 月在蘭州市西鐵機(jī)械加工廠進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為究奠定了基礎(chǔ)，有利于促進(jìn)農(nóng)村沼氣能源技術(shù)的推廣，提高農(nóng)村可再生能用率。3.1 實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)試指標(biāo)及方法3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

4.2.2 本裝置對(duì)甘肅省二氧化碳減排潛力的預(yù)測(cè)表 4.5 沼氣替代不同傳統(tǒng)能源二氧化碳減排潛力Tab 4.5 The CO2emission reduction potential of biogas燃料 秸稈 薪柴 煤炭能源消費(fèi)量 (×106t) 9.31 7.00 2.80二氧化碳排放量 (×107t) 1.16 1.00 0.42沼氣替代傳統(tǒng)能源二氧化碳減排量 (×106t) 0.47 0.47 1.41二氧化碳減排量 (×107t) 2.35截至到 2009 年 12 月 23 日，甘肅農(nóng)村戶用沼氣池已達(dá) 90 萬(wàn)戶[96]。以甘肅省90 萬(wàn)座戶用沼氣，若每年所產(chǎn)的沼氣全部替代秸稈、薪柴或煤炭，則 CO2減排量分別為 2.87×107t、2.46×107t 和 1.37×106t。根據(jù)目前甘肅省農(nóng)村的日常用能方式，所產(chǎn)沼氣替代秸稈、薪柴和煤炭的比例分別為 20%、20%和 60%，則炊事時(shí) CO2圖 4.1 不同條件對(duì)二氧化碳減排潛力的影響Fig 4.1 Effect of different situations on carbon dioxide reduction potential

(a)分體式系統(tǒng) (b)一體式系統(tǒng)圖1.2 裝置示意圖Fig 1.2 The schematic diagram of experimental equipment1.太陽(yáng)能集熱器 2.攪拌裝置 3.熱交換器 4.輔助加熱裝置 5.閥門 6.泵 7.余熱回收裝置 8.保溫外罩 9.沼氣收集區(qū)做了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明當(dāng)使用太陽(yáng)能加熱裝置及余熱回收裝溫度為 50℃時(shí)，一體式裝置的總熱量利用率可達(dá)到 95%；使用余熱回收進(jìn)料的溫度高于環(huán)境溫度 10～20℃；系統(tǒng)的日平均溫度波動(dòng)范圍可控，年平均溫度波動(dòng)可控制在±5℃內(nèi)；與傳統(tǒng)加熱方式相比，以上兩種裝性和經(jīng)濟(jì)性都有很大提高。G. Kocar[68]等設(shè)計(jì)了 5m3太陽(yáng)能加熱的沼氣罐
【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 李金平;高海濤;馮榮;趙沁童;;新型太陽(yáng)能恒溫沼氣池性能實(shí)驗(yàn)研究[J];甘肅科學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

2 李金平;馬思聰;刁榮丹;冷小超;王春龍;;新型農(nóng)村綠色建筑的構(gòu)建與能耗分析[J];中國(guó)沼氣;2012年06期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 沈佳悅;太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化研究[D];蘭州理工大學(xué);2012年

2 尹冬雪;豬糞、牛糞發(fā)酵過程中微生物群落數(shù)量分析及光照時(shí)間對(duì)其影響研究[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2012年

3 韓成付;有機(jī)固廢高效好氧—厭氧聯(lián)合反應(yīng)能源回收與利用研究[D];南京理工大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2844196