太陽(yáng)能加熱的回?zé)峄刭|(zhì)型三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)性能研究

【摘要】：太陽(yáng)能和生物質(zhì)能是農(nóng)村可廣泛獲取的可再生能源，它們的高效低成本利用對(duì)改善農(nóng)村人居環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和滿(mǎn)足農(nóng)村多層次的能源需求有重要作用。 基于太陽(yáng)能經(jīng)濟(jì)性集熱溫度（65℃）與生物質(zhì)高效恒溫厭氧發(fā)酵溫度（30℃、37℃和52℃）相匹配的特點(diǎn)，本團(tuán)隊(duì)前期提出了太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)并進(jìn)行了性能研究。研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：發(fā)酵原料在進(jìn)入恒溫發(fā)酵罐前，通常需要用水稀釋到一定濃度，然后用太陽(yáng)能加熱到發(fā)酵溫度（30℃、37℃和52℃）；而在排料時(shí)，一方面，很大一部分熱量會(huì)隨著排料損失掉，另一方面，大量水分也隨著系統(tǒng)排料損失掉，不僅增加了沼液的存儲(chǔ)成本，而且浪費(fèi)大量水資源。 為了充分利用太陽(yáng)熱能并回收利用水資源，本課題提出了太陽(yáng)能加熱的回?zé)峄刭|(zhì)型三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，其原理是利用沼氣系統(tǒng)30%的沼液替代自來(lái)水稀釋發(fā)酵原料，并盡可能回收利用沼液沼渣中的余熱。實(shí)驗(yàn)研究了在30℃、37℃和52℃牛糞TS為8%的恒溫厭氧發(fā)酵機(jī)理，對(duì)太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)和添加回?zé)峄刭|(zhì)器后的新系統(tǒng)做了全年熱損失模擬，并應(yīng)用相似原理設(shè)計(jì)了1/5倍回?zé)峄刭|(zhì)器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。本課題主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下： （1）實(shí)驗(yàn)研究了在30℃、37℃和52℃牛糞TS為8%的恒溫厭氧發(fā)酵機(jī)理。恒溫厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：30℃、37℃和52℃發(fā)酵條件下，累積產(chǎn)氣量分別為153.41L、187.59L、173.12L；37℃日產(chǎn)氣量在第10天達(dá)到峰值7.32L，而對(duì)37℃和52℃的發(fā)酵罐，前期日產(chǎn)氣量幾乎沒(méi)有下降就分別在第3天和第6天達(dá)到了產(chǎn)氣高峰，分別是17.02L和13.91L，之后由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，日產(chǎn)氣量逐漸下降。相對(duì)于常溫發(fā)酵，30℃具有最優(yōu)的產(chǎn)氫菌活性，所以沼氣產(chǎn)量相對(duì)較好，52℃具有最優(yōu)的產(chǎn)甲烷菌活性，所以產(chǎn)氣量大，37℃兼有兩者特點(diǎn)。根據(jù)以上特點(diǎn)，由于52℃有著更快的產(chǎn)氣速率和更高的產(chǎn)氣峰值，當(dāng)發(fā)酵原料充足時(shí)，首選52℃發(fā)酵。從系統(tǒng)能耗角度考慮，則應(yīng)該結(jié)合不同季節(jié)和不同地區(qū)氣候特點(diǎn)，選擇合適的溫度進(jìn)行發(fā)酵。 （2）設(shè)計(jì)了回?zé)峄刭|(zhì)器，并結(jié)合蘭州地區(qū)的年溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)和添加回?zé)峄刭|(zhì)器后的新系統(tǒng)做了性能研究。新系統(tǒng)在回用30%沼液條件下，每日節(jié)水0.405m~3，全年節(jié)約145.8m~3。全年日平均環(huán)境溫度在-11.8~26.9℃之間變動(dòng)時(shí)，回?zé)峄刭|(zhì)器在30℃、37℃和52℃發(fā)酵條件的換熱時(shí)間分別為41min、38min和27min，每級(jí)原料初始溫度由5℃分別提高到了17.5℃、21.0℃和28.5℃，排料溫度相應(yīng)的從30℃、37℃和52℃降低到了17.5℃、21.0℃和28.5℃。在30℃、37℃和52℃發(fā)酵條件下，新系統(tǒng)全年熱損失分別為45948.4MJ、44230.1MJ和74143.3MJ，全年回收能量分別為28711.2MJ、36750.5MJ和53972.9MJ；日節(jié)能率分別為30.3%~48%、31.8%~44.8%、33.8%~41.6%，全年節(jié)能率分別為39%、38.3%和37.7%。原系統(tǒng)正常運(yùn)行需要的太陽(yáng)能集熱器最小面積為71m~2，可保證12月到2月系統(tǒng)運(yùn)行在30℃，3月份運(yùn)行在37℃，4月份開(kāi)始升溫至52℃，5月到8月運(yùn)行在52℃，9月到11月三個(gè)發(fā)酵罐分別運(yùn)行在30℃、37℃和52℃。添加回?zé)峄刭|(zhì)器后，新系統(tǒng)正常運(yùn)行需要的太陽(yáng)能集熱器最小面積降低到了47.4m~2。按照原系統(tǒng)71m~2的集熱器面積，除1月份外，其余月份新系統(tǒng)的三個(gè)發(fā)酵罐均可運(yùn)行在52℃。 本課題的創(chuàng)新點(diǎn)在于：提出了太陽(yáng)能加熱的回?zé)峄刭|(zhì)型三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)并揭示了其熱力學(xué)經(jīng)濟(jì)性。 本課題研究結(jié)果對(duì)恒溫沼氣工程降低生產(chǎn)成本和使用成本有很大的指導(dǎo)作用，尤其對(duì)于類(lèi)似甘肅等寒冷干旱地區(qū)，保障冬季沼氣工程正常運(yùn)行有很大的意義。 本課題研究得到了國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAD15B03）、國(guó)家科技部星火計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2010GA860004）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51166008/E0607）、甘肅省教育廳項(xiàng)目（0803-06）、“隴原青年創(chuàng)新人才扶持計(jì)劃”項(xiàng)目（09-0165）、甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（JK2010-29）和蘭州理工大學(xué)“紅柳杰出人才計(jì)劃”（Q201101）的資助。 【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能 三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng) 回?zé)峄刭|(zhì)器 相似原理 熱力學(xué)經(jīng)濟(jì)性
【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】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：S216.4
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第1章 緒論12-20
• 1.1 課題背景12
• 1.2 余熱利用現(xiàn)狀12-15
• 1.3 回?zé)峄刭|(zhì)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀15-18
• 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)及對(duì)本課題的啟示18
• 1.4.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)18
• 1.4.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)本課題的啟示18
• 1.5 本課題研究的目標(biāo)、思路、內(nèi)容及意義18-20
• 1.5.1 研究目標(biāo)18
• 1.5.2 研究思路18
• 1.5.3 研究?jī)?nèi)容18-19
• 1.5.4 研究意義19-20
• 第2章 沼氣系統(tǒng)恒溫發(fā)酵實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果20-31
• 2.1 太陽(yáng)能沼氣發(fā)酵國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-22
• 2.2 恒溫沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)結(jié)果22-24
• 2.3 恒溫沼氣發(fā)酵在 30℃、37℃和 52℃產(chǎn)氣機(jī)理分析24-30
• 2.3.1 三種發(fā)酵溫度數(shù)據(jù)圖分析24-25
• 2.3.2 產(chǎn)氫菌與產(chǎn)甲烷菌協(xié)同作用對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響25-27
• 2.3.3 硫酸鹽還原菌降解硫酸鹽對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響27-28
• 2.3.4 細(xì)胞自身生長(zhǎng)利用的碳源28
• 2.3.5 發(fā)酵罐內(nèi)溫度梯度分層對(duì)甲烷產(chǎn)量的影響28-29
• 2.3.6 選擇 30℃、37℃和 52℃發(fā)酵溫度的原因29-30
• 2.4 本章小結(jié)30-31
• 第3章 太陽(yáng)能加熱的回?zé)峄刭|(zhì)型三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)性能研究31-66
• 3.1 太陽(yáng)能恒溫沼氣系統(tǒng)熱損失計(jì)算33-44
• 3.1.1 沼氣系統(tǒng)寒冷月份熱損失計(jì)算33-35
• 3.1.2 沼氣系統(tǒng)高溫月份熱損失計(jì)算35-38
• 3.1.3 沼氣系統(tǒng)溫暖月份熱損失計(jì)算38-43
• 3.1.4 太陽(yáng)能加熱的三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)全年熱損失小結(jié)43-44
• 3.2 添加回?zé)峄刭|(zhì)器后新系統(tǒng)性能研究44-57
• 3.2.1 回?zé)峄刭|(zhì)器回?zé)釘?shù)學(xué)模型建立及計(jì)算45-48
• 3.2.2 寒冷月份新、舊系統(tǒng)能耗對(duì)比48-50
• 3.2.3 高溫月份新舊系統(tǒng)能耗對(duì)比50-51
• 3.2.4 溫暖月份新舊系統(tǒng)能耗對(duì)比51-57
• 3.3 新舊系統(tǒng)全年運(yùn)行方案選擇57-60
• 3.3.1 原系統(tǒng)在各種運(yùn)行條件下所需集熱器面積58
• 3.3.2 原系統(tǒng)運(yùn)行方案確定58-59
• 3.3.3 新系統(tǒng)在各種運(yùn)行條件下所需集熱器面積59
• 3.3.4 新系統(tǒng)運(yùn)行方式確定59-60
• 3.4 應(yīng)用相似原理設(shè)計(jì)回?zé)峄刭|(zhì)器模型60-65
• 3.4.1 應(yīng)用相似原理的前提60-61
• 3.4.2 建立回?zé)峄刭|(zhì)器相似模型61-64
• 3.4.3 對(duì)保溫層厚度的選取及回?zé)峄刭|(zhì)器加工模型64-65
• 3.5 本章小結(jié)65-66
• 結(jié)論與展望66-69
• 結(jié)論66-67
• 創(chuàng)新點(diǎn)67-68
• 尚待解決的問(wèn)題68
• 展望68-69
• 參考文獻(xiàn)69-73
• 致謝73-74
• 附錄 A 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文74

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2004年部分沼氣企業(yè)(非農(nóng)口)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)情況    

以農(nóng)村沼氣為載體建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村    陳芳;

云南省農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用模式探討    張霞;阮建雯;蔡宗壽;

加快沼氣開(kāi)發(fā) 發(fā)展沼氣產(chǎn)業(yè)    湯建華;

生態(tài)養(yǎng)牛模式的構(gòu)建    王惠生;王俊鵬;邱凌;

紅泥塑中溫發(fā)酵沼氣池的管護(hù)    鄧樹(shù)元;

淺談農(nóng)村沼氣建設(shè)    馮志國(guó);賈文姝;張雷;

沼氣池的日常管理和安全使用    寧炎龍;張超虹;

建管用一條龍服務(wù) 國(guó)債項(xiàng)目效益佳    鄺繼云;張昌權(quán);何秋蘭;

我市三萬(wàn)多農(nóng)戶(hù)釜底抽薪用沼氣    李晨光　記者　 王軍政

沼氣唱主角 電器退二線    記者 曾艷實(shí)習(xí)生 莫蓉 通訊員 晉新

四川“泥瓦匠”變成技術(shù)員    四川省農(nóng)村能源辦公室

曲靖沼氣年創(chuàng)收近3億元    唐炳慶

五個(gè)旗縣區(qū)農(nóng)民今年將用上沼氣    記者 王利巖

河南：小沼氣引領(lǐng)大節(jié)約    本報(bào)記者 王偉 通訊員 張國(guó)強(qiáng)

力爭(zhēng)“十一五”末沼氣用戶(hù)占農(nóng)戶(hù)總數(shù)達(dá)1/3    記者　 何紅衛(wèi) 通訊員　 謝先哲 張敏

平谷李家峪告別“煙熏火燎”    李永明

商水農(nóng)民：沼氣改變俺的生活    趙建昌 黃長(zhǎng)見(jiàn) 魏紅

小沼氣變成“錢(qián)罐罐”    本報(bào)通訊員 師正偉

    John Kangwa

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?xún)?yōu)化研究    沈佳悅

太陽(yáng)能加熱的回?zé)峄刭|(zhì)型三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)性能研究    翟盼盼

基于三級(jí)恒溫沼氣生產(chǎn)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)性能分析    岳華

晉北農(nóng)村沼氣推廣影響因素及發(fā)展?jié)搫?shì)研究    侯向娟

“四位一體”能源生態(tài)模式研究    李惠斌

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