太阳能加热的回热回质型三级恒温沼气生产系统性能研究

【摘要】：太阳能和生物质能是农村可广泛获取的可再生能源，它们的高效低成本利用对改善农村人居环境、生态环境和满足农村多层次的能源需求有重要作用。 基于太阳能经济性集热温度（65℃）与生物质高效恒温厌氧发酵温度（30℃、37℃和52℃）相匹配的特点，本团队前期提出了太阳能加热的三级恒温沼气生产系统并进行了性能研究。研究过程中发现：发酵原料在进入恒温发酵罐前，通常需要用水稀释到一定浓度，然后用太阳能加热到发酵温度（30℃、37℃和52℃）；而在排料时，一方面，很大一部分热量会随着排料损失掉，另一方面，大量水分也随着系统排料损失掉，不仅增加了沼液的存储成本，而且浪费大量水资源。 为了充分利用太阳热能并回收利用水资源，本课题提出了太阳能加热的回热回质型三级恒温沼气生产系统，其原理是利用沼气系统30%的沼液替代自来水稀释发酵原料，并尽可能回收利用沼液沼渣中的余热。实验研究了在30℃、37℃和52℃牛粪TS为8%的恒温厌氧发酵机理，对太阳能加热的三级恒温沼气生产系统和添加回热回质器后的新系统做了全年热损失模拟，并应用相似原理设计了1/5倍回热回质器实验模型。本课题主要研究内容和结果如下： （1）实验研究了在30℃、37℃和52℃牛粪TS为8%的恒温厌氧发酵机理。恒温厌氧发酵实验结果表明：30℃、37℃和52℃发酵条件下，累积产气量分别为153.41L、187.59L、173.12L；37℃日产气量在第10天达到峰值7.32L，而对37℃和52℃的发酵罐，前期日产气量几乎没有下降就分别在第3天和第6天达到了产气高峰，分别是17.02L和13.91L，之后由于营养物质减少，日产气量逐渐下降。相对于常温发酵，30℃具有最优的产氢菌活性，所以沼气产量相对较好，52℃具有最优的产甲烷菌活性，所以产气量大，37℃兼有两者特点。根据以上特点，由于52℃有着更快的产气速率和更高的产气峰值，当发酵原料充足时，首选52℃发酵。从系统能耗角度考虑，则应该结合不同季节和不同地区气候特点，选择合适的温度进行发酵。 （2）设计了回热回质器，并结合兰州地区的年温度和太阳辐射强度统计数据，对太阳能加热的三级恒温沼气生产系统和添加回热回质器后的新系统做了性能研究。新系统在回用30%沼液条件下，每日节水0.405m~3，全年节约145.8m~3。全年日平均环境温度在-11.8~26.9℃之间变动时，回热回质器在30℃、37℃和52℃发酵条件的换热时间分别为41min、38min和27min，每级原料初始温度由5℃分别提高到了17.5℃、21.0℃和28.5℃，排料温度相应的从30℃、37℃和52℃降低到了17.5℃、21.0℃和28.5℃。在30℃、37℃和52℃发酵条件下，新系统全年热损失分别为45948.4MJ、44230.1MJ和74143.3MJ，全年回收能量分别为28711.2MJ、36750.5MJ和53972.9MJ；日节能率分别为30.3%~48%、31.8%~44.8%、33.8%~41.6%，全年节能率分别为39%、38.3%和37.7%。原系统正常运行需要的太阳能集热器最小面积为71m~2，可保证12月到2月系统运行在30℃，3月份运行在37℃，4月份开始升温至52℃，5月到8月运行在52℃，9月到11月三个发酵罐分别运行在30℃、37℃和52℃。添加回热回质器后，新系统正常运行需要的太阳能集热器最小面积降低到了47.4m~2。按照原系统71m~2的集热器面积，除1月份外，其余月份新系统的三个发酵罐均可运行在52℃。 本课题的创新点在于：提出了太阳能加热的回热回质型三级恒温沼气生产系统并揭示了其热力学经济性。 本课题研究结果对恒温沼气工程降低生产成本和使用成本有很大的指导作用，尤其对于类似甘肃等寒冷干旱地区，保障冬季沼气工程正常运行有很大的意义。 本课题研究得到了国家科技支撑计划课题（2011BAD15B03）、国家科技部星火计划重点项目（2010GA860004）、国家自然科学基金项目（51166008/E0607）、甘肃省教育厅项目（0803-06）、“陇原青年创新人才扶持计划”项目（09-0165）、甘肃省建设科技攻关项目（JK2010-29）和兰州理工大学“红柳杰出人才计划”（Q201101）的资助。 【关键词】：太阳能 三级恒温沼气生产系统 回热回质器 相似原理 热力学经济性
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题背景12
• 1.2 余热利用现状12-15
• 1.3 回热回质系统研究现状15-18
• 1.4 国内外研究现状总结及对本课题的启示18
• 1.4.1 国内外研究现状总结18
• 1.4.2 国内外研究现状对本课题的启示18
• 1.5 本课题研究的目标、思路、内容及意义18-20
• 1.5.1 研究目标18
• 1.5.2 研究思路18
• 1.5.3 研究内容18-19
• 1.5.4 研究意义19-20
• 第2章 沼气系统恒温发酵实验室研究结果20-31
• 2.1 太阳能沼气发酵国内外研究现状20-22
• 2.2 恒温沼气发酵实验结果22-24
• 2.3 恒温沼气发酵在 30℃、37℃和 52℃产气机理分析24-30
• 2.3.1 三种发酵温度数据图分析24-25
• 2.3.2 产氢菌与产甲烷菌协同作用对甲烷产量的影响25-27
• 2.3.3 硫酸盐还原菌降解硫酸盐对甲烷产量的影响27-28
• 2.3.4 细胞自身生长利用的碳源28
• 2.3.5 发酵罐内温度梯度分层对甲烷产量的影响28-29
• 2.3.6 选择 30℃、37℃和 52℃发酵温度的原因29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 太阳能加热的回热回质型三级恒温沼气生产系统性能研究31-66
• 3.1 太阳能恒温沼气系统热损失计算33-44
• 3.1.1 沼气系统寒冷月份热损失计算33-35
• 3.1.2 沼气系统高温月份热损失计算35-38
• 3.1.3 沼气系统温暖月份热损失计算38-43
• 3.1.4 太阳能加热的三级恒温沼气生产系统全年热损失小结43-44
• 3.2 添加回热回质器后新系统性能研究44-57
• 3.2.1 回热回质器回热数学模型建立及计算45-48
• 3.2.2 寒冷月份新、旧系统能耗对比48-50
• 3.2.3 高温月份新旧系统能耗对比50-51
• 3.2.4 温暖月份新旧系统能耗对比51-57
• 3.3 新旧系统全年运行方案选择57-60
• 3.3.1 原系统在各种运行条件下所需集热器面积58
• 3.3.2 原系统运行方案确定58-59
• 3.3.3 新系统在各种运行条件下所需集热器面积59
• 3.3.4 新系统运行方式确定59-60
• 3.4 应用相似原理设计回热回质器模型60-65
• 3.4.1 应用相似原理的前提60-61
• 3.4.2 建立回热回质器相似模型61-64
• 3.4.3 对保温层厚度的选取及回热回质器加工模型64-65
• 3.5 本章小结65-66
• 结论与展望66-69
• 结论66-67
• 创新点67-68
• 尚待解决的问题68
• 展望68-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 附录 A 攻读学位期间发表的论文74

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