带有回热回质的太阳能恒温厌氧发酵系统性能研究

发布时间：2020-04-30 08:15

【摘要】：沼气工程在冬季发酵温度较低,系统“病态”运行已成为制约我国中小型沼气工程发展的瓶颈问题。因进出料所引起的热量损失是导致该问题的主要原因之一,因此利用沼液余热加热发酵原料,减少厌氧发酵工程增温能耗对沼气工程稳定运行具有重要的作用。目前国内外学者在沼液余热回收利用方面进行了相关研究,主要是通过“沼液-水-进料”间接换热的方式进行回收利用。该方式换热热损较大,操作过程复杂,仍存在进一步的改善空间。课题组前期提出了回热回质理论,并研发出了“沼液-进料”直接换热的弓形回热回质装置。该装置在一定程度上提高了沼液余热利用效率,但是固液分离和回热回质步骤较为复杂,增加了系统的复杂性。此外,在最佳回质比例方面没有相关研究。最佳的回质比例不仅能够减少厌氧发酵工程产沼液量、回收沼液余热和增温发酵原料,还能够提高厌氧发酵工程产气效率。为了确定最佳回质比例,在50 L连续进料的湿式厌氧发酵装置中模拟实验研究了长期回流沼液对牛粪厌氧发酵工程的影响,在中温(37±1)℃条件下研究了不同沼液回流比例(0%、30%、40%、50%、60%)下日产气量、甲烷体积分数、pH值、SCOD含量和氨氮含量变化,并通过动力学分析回流对甲烷生产的促进机理,确定了以牛粪为发酵原料的沼气工程最佳回质比例。为了减少沼液余热回收过程换热损失,提高沼液余热利用率,研发了排料固液分离和回热回质一体化装置。在此基础上理论计算了带有回热回质的太阳能恒温厌氧发酵系统全年热负荷、最佳回质比例条件下沼液余热有效回收热量、回收热量占总热负荷的比例和太阳能集热阵列集热面积。为验证理论计算结果,搭建了回热回质试验平台。回热回质试验结果与理论计算结果较为一致,不仅验证了理论计算的准确性,同时表明了新的回热回质装置对提高沼液余热利用率、简化系统操作有一定的优化作用。最后采用能值分析法评价系统效益。本文结论如下:(1)40%的回质比例对牛粪厌氧发酵工程产气效率提升最大。回质比例为40%的试验组在回质阶段内日产气量逐渐增高并在108 d后趋于稳定。在试验周期内最高日产气量达到62.45 L,容积产气率为1.39 L/L。与回质比例为0%的试验组相比最高日产气量提高了25.46%,与回质比例为30%的试验组相比提高了9.22%。回质比例为50%、60%的试验组虽然在回质阶段内日产气量较回质比例为30%、40%的试验组更快达到最高日产气量62.29 L、62.40 L,但是试验组在第95 d和78 d日产气量分别开始降低,至试验周期结束时,日产气量已经低于40%试验组并继续降低。(2)高回质比例对厌氧发酵产生抑制作用。回质比例为50%、60%的试验组pH值、SCOD含量随着回质运行天数的增加而升高,但仍在厌氧发酵适宜的浓度范围内,对产气效果无抑制影响。氨氮含量随回质运行天数的增加不断累积升高,在达到1500 mg/L后试验组产气受到抑制,产气量逐渐降低。因此,以牛粪为原料的沼气工程利用沼液回质时,应选择40%的回质比例或在回质前降低沼液中的氨氮含量。(3)对沼液回质影响厌氧发酵的促进机理进行动力学分析,得出合适的回质比例能够提高体系的单位基质产甲烷率,提高单位容积产气率,这是由于回质的沼液中携带了大量的产甲烷菌重新进入到厌氧发酵体系中,提高了基质的转化效率。(4)发酵罐在采取良好保温措施条件下,加热进料负荷占系统总热负荷的89.3%?93.2%。在40%的回质比例条件下理论计算了全年不同月份回热回质有效回收热量。通过回热回质试验验证可得:在环境温度为18℃的条件下,回热回质可将温度为16.2℃的进料加热至26.6℃,占维持37℃恒温发酵所需热量的51.94%。在冬季条件下,回热回质可将温度为2.5℃进料加热至18.9℃,占冬季系统维持37℃恒温发酵所需热量的47.23%。试验结果与理论分析的沼液余热回收效率一致。(5)系统维持37℃恒温发酵所需热量由回收沼液余热和14组总集热面积为53.9 m~2太阳能集热阵列提供,该系统实现了100%的可再生能源供热,可以保证沼气工程在冬季37℃恒温发酵。与传统的燃煤锅炉加热相比,初投资增加了61%,年净效益高130287元;与太阳能和燃煤锅炉联合加热相比,初投资减少了7.28%,年净效益高116077元。因此具有良好的生态效益和经济效益。
【图文】：

一次能源消费

第 1 章绪论背景来的工业经济飞速发展，中国成为世界上能前已探明的化石能源储量不断减少，因此能为制约中国经济稳定发展的关键因素[2,3]。据中国 2017 年能源消费总量占全球能源消费总能源消费增长的 33.6%。中国连续 17 年稳居力提高可再生能源发展，降低化石能源占比中国太阳能消费增长最快，2017 增长 76%，国的二氧化碳排放量增长 1.6%，较过去十年平年中国一次能源消费结构如图 1.1 所示：

厌氧发酵,阶段,酮醇,二氧化碳

图 1.2 厌氧发酵四阶段产甲烷途径our-stage methanogenesis pathway in anaerobic fer阶段。厌氧发酵技术原理即是发酵原料中的烷，但发酵原料中脂肪、纤维素、淀粉等高被消化利用，，只能在产酸细菌的分解作用下和挥发性脂肪酸等小分子化合物。因此产酸反应效率较低，同时也抑制了产氢产乙酸阶厌氧发酵过程的限速步骤[14]。第二阶段即酸厌氧菌的作用下进入细胞内并在新陈代谢作等挥发性脂肪酸和酮醇类物质、乳酸、二氧即产氢产乙酸阶段。挥发性脂肪酸、酮醇类下降解为乙酸、氢气和二氧化碳，同时耗氢成乙酸[15]。第四阶段即产甲烷阶段。严格厌二氧化碳经过代谢转化生成甲烷。厌氧发酵自氢气、二氧化碳的还原。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S216.4

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