《太阳能恒温沼气产气性能研究论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能恒温沼气产气性能研究论文（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 理工大学硕士学位论文太阳能恒温沼气产气性能研究The Research on performance of biogas production of solar thermostatic biogas byBAI JianhuaB.E.(LanzhouUniversity of Technology) 2008A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofMaster of Engineeringin Thermal Engineeringin the GraduateSchool
2、ofLanzhouUniversity of TechnologySupervisorProfessor LI JinpingOctober,2011理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部
3、门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权理工大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录第1章绪论71.1课题背景71.1.1能源危机71.1.2环境危机71.2太阳热能和沼气利用概况81.2.1太阳热能利用81.2.2沼气利用91.3太阳能沼气的研究现状111.4国外研究现状总结与对本课题的启示141.4.1国外研究现状总结141.
4、4.2国外研究现状对本课题的启示141.5本课题研究的目标、思路、容与意义141.5.1 研究目标151.5.2研究思路151.5.3研究容151.5.4研究意义15第2章沼气发酵基本原理与发酵工艺条件152.1沼气发酵基本原理152.2厌氧发酵工艺条件172.2.1严格的厌氧环境172.2.2温度条件172.2.3 pH值182.2.4固含率(TS)192.2.5发酵原料配比192.2.6接种物202.2.7搅拌202.2.8有毒物质212.3本章小结22第3章不同发酵温度对厌氧发酵产气性能的影响实验223.1实验装置、测试指标与方法233.1.1实验装置233.1.2 实验仪器253.1.
5、3实验测试指标与方法253.2发酵浓度为8%实验结果与讨论283.2.2发酵原料理化性质293.2.3产气性能分析293.3发酵浓度为4%实验结果与讨论343.3.1实验控制条件343.3.2发酵原料理化性质343.3.3产气性能分析343.4不同发酵温度对牛粪与甘蓝菜叶混合产气性能的影响实验383.4.1实验控制条件383.4.2发酵原料理化性质383.4.3实验结果与讨论383.5本章小结42第4章太阳能恒温沼气中试试验434.1实验装置、测试指标与方法434.1.1实验装置434.1.2测试指标与方法454.2实验结果与讨论454.2.1发酵原料理化性质454.2.2料液温度变化和沼气产
6、量454.2.3典型日温度变化464.2.4累积产气量474.3本章小结47第5章沼气化学能储存太阳能的综合效益分析485.1系统的经济效益评价485.1.1 投入效益485.1.2产出效益495.1.3 计算方法495.2系统的环境效益评价515.2.1不同发酵温度下二氧化碳减排分析515.2.2本装置对省二氧化碳减排潜力的预测525.3系统的社会效益评价535.4本章小结53结论与展望53结论53创新点54尚待解决的问题54展望55参考文献55致61附录A 攻读学位期间发表的论文62附录B 攻读学位期间申请的专利63附录C 攻读学位期间申请的科创基金项目64摘 要能源问题和环境问题是当今世
7、界普遍关注的热点，太阳能和生物质能是可再生能源中，资源量最大、分布最普遍的，由于生物质厌氧发酵技术不仅能解决燃料短缺问题，而且实现了禽畜粪便无害化处理与多层次资源化利用,因而受到各国的普遍关注。太阳能恒温沼气即利用太阳能集热系统生产的热水来加热料液，使料液升温进行恒温发酵，突破冬季气温、地温低，发酵温度波动大等不利因素的束缚，实现太阳能和生物质能的高效稳定规模利用。本文以实验为主，首先就不同发酵温度对牛粪与牛粪和莲花菜混合发酵的影响进行了实验研究；其次通过中试试验研究了太阳能恒温沼气装置的稳定性、产气性能、经济性和二氧化碳减排潜力。（1）在自行设计的四个11.5L的发酵罐中并行实验研究了19、
8、30、37和52下，发酵浓度为8%时的鲜牛粪恒温厌氧发酵过程，38天，52、37、30和19下发酵罐的累积产气量分别为173.12L、187.59 L、153.41 L和39.12L ；52、37和30下厌氧发酵周期分别为22、22和27天；池容产气率分别为0.71m3/m3d、0.76 m3/m3d和0.51 m3/m3d。37时厌氧发酵的产气量和产气品质都是最大的。 （2）并行实验研究了30、37和52下，发酵浓度为4%时的鲜牛粪恒温厌氧发酵过程，30、37和52下厌氧发酵周期分别为16、15和14天；累积产气量分别为41.69L、52.30L和55.57L；发酵周期池容产气率分别为0.2
9、3 m3/m3d、0.32 m3/m3d和0.36 m3/m3d。虽然52下发酵周期和池容产气率较其它发酵温度下占优势，但是沼气品质却最差，从实验可以看出在37下具有更大的产甲烷潜力。（3）牛粪与甘蓝菜叶VS质量比为3混合发酵时，52、37和30实验组发酵周期分别为31天、42天和58天，累积产气量分别为201.83L、225.18L和195.76L，池容产气率分别为0.65m3/m3d、0.54 m3/m3d和0.34m3/m3d，干物质产气率为0.42 m3/、0.47 m3/和0.41 m3/，平均甲烷产量为49.20%、52.38%和52.16%。牛粪和甘蓝叶混合厌氧发酵可以显著的提高
10、牛粪和甘蓝菜叶的厌氧发酵转化率。在试验条件下，周期30、37和52混合原料厌氧发酵比牛粪单一原料厌氧发酵累积产气量提高了7.00%、34.08%和22.16%。VS质量比为3时，最适发酵温度为37，较低或较高发酵温度不利于混合发酵；自然发酵不能使其启动，应减少甘蓝的含量，减小VFA会对产甲烷菌的抑制作用，或者实时调节pH。（4）太阳能恒温沼气装置能够在302下稳定运行，总固体浓度为7%时，产气量最高达到2.059m3/d；最大料容产气率0.86 m3/m3d，发酵周期为28天。太阳能恒温沼气装置的益本比为3，净现值（NPV）为9531元，动态投资回收期为2.68a，根据目前省农村的日常用能方式
11、，则炊事时CO2年减排量可达2.35107t，沼气替代秸秆、薪柴和煤炭对CO2减排的贡献分别为47.47%、40.80%和11.73%。有利于促进农村沼气能源技术的推广，提高农村可再生能源的利用率。关键词：太阳能；沼气；恒温发酵；产气性能；AbstractKeyWords：Solar; Biogas; Thermostatic fermentation;Performance of biogas production第1章 绪论1.1课题背景能源问题和环境问题是当今世界普遍关注的热点。世界化石能源面临枯竭, 以化石燃料为基础能源的生产和消费正在加剧污染人类赖以生存的地球环境,二氧化碳、甲烷等温
12、室气体排放导致气候变化, 威胁全球安全与发展1-3。通过科技创新, 开发新能源取代石油、煤炭等传统能源；发展以可再生、无污染为特征的清洁能源是发展经济、改善环境的重要方向4-8。世界各国都在积极研究开发新能源，特别是可再生能源，主要有：太阳能、生物质能、核能、氢能、地热能、风能、潮汐能等。太阳能和生物质能是可再生能源中，资源量最大、分布最广的9-14，由于生物质厌氧发酵技术不仅能解决燃料短缺问题，而且实现了禽畜粪便与农业废弃物无害化处理与多层次资源化利用,因而受到各国的普遍关注15-19。1.1.1能源危机能源是经济发展和社会进步的重要基础资源。从历史上看，人类对能源开发利用的发展过程也是不断
13、推动人类社会文明进步的过程；能源也是实现国民经济现代化和提高人民生活水平的物质基础，而能源的利用程度和能源的人均占有是衡量各国经济发展和人民生活水平的一项综合性指标，是一个国家技术进步程度的体现，因此能源在现代化国家建设中具有举足轻重的地位。我国是世界上能源生产和消费大国，但我国能源资源有限，常规能源资源占世界总量的10.7%，人均能源资源占有量远低于世界平均水平。随着我国经济的快速发展，对能源的需求量越来越大，预计到2020年，我国一次能源需求量将达2533亿吨标准煤，将是2000年的2倍，能源供需矛盾将日益显现。由于国石油和天然气资源缺乏，预计2020年之后，石油供给的对外依赖性将超过60
14、%，天然气对外依赖性将超过40%。在各种可再生能源中，太阳能是最重要的基本能源，也是地球上分布最广泛的能源，每年地球表面接受到的太阳辐射能量约27万亿吨标准煤，是目前世界能源消费总量的2000多倍。沼气是人类利用历史最悠久的能源，它的利用在不断的扩大，太阳能和沼气的联合使用是集能源建设和环境建设于一体的，具有显著的经济、社会、生态等综合效益，符合可持续发展的战略。1.1.2环境危机进入21世纪，随着农业结构的调整，畜牧业迅猛发展，增加了农民的收入，改善了人们的饮食结构，提高了人们的生活水平。但畜牧业的发展，特别是规模集约化的养殖大量集中，畜禽粪便给环境带来了严重的污染。绝大多数畜禽场在兴建时由
15、于资金、技术、设备等方面的原因，对生产过程中产生的大量粪便、污水的处理措施考虑不够，大量的畜禽粪便与污水未经处理随意排放，不仅破坏了养殖场周边地区的生态环境，而且通过空气、水体、土壤等媒介污染和破坏居民的生存环境，直接或间接影响了人体健康，同时也给畜牧场自身发展以与畜牧业的可持续发展带来了不利影响。我国畜牧业废弃物产量居世界前列，其中农作物秸杆年产量达5亿多吨(干重)，畜禽粪便与污水的年产生量超过10亿吨.如果管理不善，每年25%的畜禽粪便与污水流失到水体中，也就是说有8.7吨COD，6.2吨BOD释放到水里，相当于具有一定规模的工业污染物的排放量。美国每年畜牧业产生的固体粪肥约有20亿吨，其中50%来自集约化畜牧业。欧盟每年产生的农业废物是污泥的3倍，城
