生态型气肥耦联发酵工艺模式与技术研究

发布时间：2017-05-25 19:16

  本文关键词：生态型气肥耦联发酵工艺模式与技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在能源和环境问题的双重压力下,开发利用可再生的清洁能源尤为重要。生物质能作为一种可再生的新能源日益受到重视。在各种利用生物质的方法中,进行微生物发酵制沼气是一种较为有效的途径。然而,在利用生物质发酵制沼气的同时,也产生了大量的沼液,沼液含水率较大,不易运输和处理,而沼液以及沼渣中富含各种氨基酸,正是做有机肥料的基质。如何在保证沼气产量和沼肥质量的前提下,实现沼气相沼气沼肥耦联生产的发酵工艺生态化,已成为亟需要解决的重要课题。本文着眼于生态型发酵气肥耦联生产工艺及其应用模式研究,研制出温室隧道式气肥联产装置,并完成了生产性运行实验研究;进行了生态型发酵温室系统能量平衡分析,绘出生态型发酵温室系统的能流图,优化出生态型发酵经济温度;开展了生态型发酵沼液沼渣的预处理技术及其肥效相关实验研究;针对位于南水北调中线工程水源保护区的河南省西峡县农业产业区域特色,提出西峡县猕猴桃产区生态发酵气肥联产技术及其应用模式,主要研究结果如下:(1)研制出一种生态型发酵沼气气肥联产装置-温室隧道式气肥联产装置,对高效沼气气肥联产装置的结构和功能进行了优化和研究,对气肥联产装置的发酵单元、太阳能温室、辅助加热单元等进行了设计和优化。设计的温室隧道式气肥联产装置,发酵单元有效容积1000m3,将智能化太阳能温室与隧道式发酵系统相结合,提高沼气发酵温度,采用原料回流与气体搅拌提高原料利用率,池容产气率达到0.8m3/m3·d,原料产气率达到0.3m3/kg,发酵周期30天,月产沼气1800m3。(2)对生态型发酵温室进行热平衡分析,建立以沼气技术为纽带的生态型发酵沼气工程温室能量流动的数学模型,通过对整个系统能量流动过程进行模拟研究,从理论上确定该系统的能量流动的稳定性。尽可能提高太阳能和辅助能量转化利用效率,以增加温室系统的产出。通过温室热平衡的分析和计算,可以发现系统结构是否合理和生产过程中的薄弱环节,从而提出改进措施。(3)依据能量守恒定律和物料平衡原理,核算加热成本,对生态型沼气反应器进行系统分析,建立生态型发酵经济温度的数学模型,确定出经济效益最优化时的温度,即经济发酵温度,为生态型发酵沼气工程运行的PID控制提供科学参考。(4)提出沼液产品加工工艺和沼渣制肥工艺,提出采用负压蒸发的办法浓缩沼液,设计了相应的负压蒸发装置,并进行了相关的实验研究。结果表明:在加热浓缩沼液时,期望沼液温度越低越有利于避免沼液中氮磷钾等元素的流失,同时真空度越大,越容易蒸发,当真空度在0.065Mpa时沼液的浓缩率可达到26.5%。采用所提出的沼渣制肥工艺所制得的有机肥产品合格。(5)基于生态农业产业系统的价值链分析,结合实际情况构建了基于价值链的生态型猕猴桃产区气肥联产模式,既实现气肥联产的功能性、又保障猕猴桃生产的品质和经济性,为生态农业的开展提供了崭新的创新模式参考,实现气肥联产系统和猕猴桃种植系统以及农业大生产系统、环境大系统的良性协调运行。实际运行分析表明:生态猕猴桃的气肥联产设计合理,原料预处理考虑周密得当,产气集中,运行稳定,管理方便,是一种适合规模化运行和推广的创新模式;施用沼肥后的猕猴桃营养价值较高;采用生态发酵模式可带来较好的经济和社会效益。
【关键词】：气肥耦联 经济发酵温度 负压沼液浓缩 生态模式
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 致谢4-9
• 摘要9-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.1.1 我国发展生物质能源的必要性11
• 1.1.2 生物质资源的利用技术11-12
• 1.2 生物质发酵综合化利用研究现状12-17
• 1.2.1 生物质制沼气12-14
• 1.2.1.1 生物质厌氧发酵产沼气原理12
• 1.2.1.2 影响沼气发酵工艺的因素12-14
• 1.2.2 沼液的利用14-16
• 1.2.2.1 沼液成分14-15
• 1.2.2.2 沼液的用途15
• 1.2.2.3 我国沼渣沼液综合利用存在诸多问题15-16
• 1.2.3 生物质气肥耦联模式16-17
• 1.2.3.1 当前主要模式16-17
• 1.2.3.2 当前模式存在的不足17
• 1.3 本文研究目的与内容17-19
• 1.3.1 本文研究目的17
• 1.3.2 本文主要研究内容17-19
• 2 生态型气肥耦联发酵工艺设计19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 温室隧道式沼气气肥耦联工艺设计19-28
• 2.2.1 厌氧发酵系统的设计20-24
• 2.2.2 温室隧道式沼气气肥联产成套设备24-28
• 2.3 运行实验28-29
• 2.3.1 试验测试目的和依据28
• 2.3.2 实验条件及其日期28
• 2.3.3 试验测试参数与结果28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 生态型发酵关键工艺参数分析30-56
• 3.1 引言30
• 3.2 生态型发酵温室的热平衡分析30-39
• 3.2.1 温室热交换的基本原理30
• 3.2.2 温室系统及其子系统的能流图30-33
• 3.2.3 温室热负荷的计算33-39
• 3.2.3.1 污水进出温室时携带的生物能33-34
• 3.2.3.2 温室内吸收的太阳辐射热量34-36
• 3.2.3.3 通过围护结构材料的传热量36-37
• 3.2.3.4 地面传热量37
• 3.2.3.5 渗透热损失37-38
• 3.2.3.6 沼气离开温室时携带的生物能38-39
• 3.2.3.7 太阳能集热器的采光面积39
• 3.3 生态型发酵经济温度确定39-50
• 3.3.1 数学模型39-44
• 3.3.1.1 温度与产气量的关系40
• 3.3.1.2 反应器的能量平衡分析40-41
• 3.3.1.3 反应器的总散热量41-43
• 3.3.1.4 反应器的加热量43
• 3.3.1.5 加热的经济成本43-44
• 3.3.2 工程案例验证44-49
• 3.3.2.1 工程案例简介44
• 3.3.2.2 发酵温度与沼气产气量的关系44-45
• 3.3.2.3 散热量与料液温度的关系45-47
• 3.3.2.4 加热量与经济成本的关系47-49
• 3.3.3 分析49-50
• 3.4 秸秆粉碎尺度对其厌氧发酵的影响50-55
• 3.4.1 材料与方法50-51
• 3.4.1.1 试验材料50
• 3.4.1.2 试验装置50
• 3.4.1.3 分析测试与计算方法50-51
• 3.4.2 结果与分析51-55
• 3.4.2.1 原料粉碎尺度对沼气产率影响51-53
• 3.4.2.2 原料粉碎尺度对PH的影响53
• 3.4.2.3 粉碎尺度对原料化学组分变化的影响53-54
• 3.4.2.4 原料粉碎尺度对微生物分布的影响54-55
• 3.5 本章小结55-56
• 4 生态型发酵沼肥工艺56-76
• 4.1 引言56
• 4.2 沼液产品加工工艺设计56-59
• 4.3 沼液的负压蒸发浓缩59-74
• 4.3.1 系统结构组成59-62
• 4.3.2 工作原理62-63
• 4.3.3 装置主要参数的设计63-69
• 4.3.3.1 设计方案的确定63
• 4.3.3.2 各项设备的参数设计63-69
• 4.3.4 负压蒸发浓缩沼液装置实验69-74
• 4.3.4.1 实验目的69
• 4.3.4.2 实验设计69
• 4.3.4.3 不同温度下沼液理化性质实验69-73
• 4.3.4.4 负压蒸发浓缩沼液实验73-74
• 4.4 沼渣制肥工艺流程设计74-75
• 4.5 本章小结75-76
• 5 生态型气肥耦联发酵工艺模式76-95
• 5.1 引言76
• 5.2 模式的理论基础76-77
• 5.2.1 价值链76
• 5.2.2 生态产业链76
• 5.2.3 发展新的沼气生态农业模式的条件76-77
• 5.3 模式构建与特征分析77-79
• 5.3.1 模式总体结构77-78
• 5.3.2 系统要素组成78-79
• 5.3.3 模式特征79
• 5.4 模式的具体体现形式79-84
• 5.4.1 殖沼果模式79-80
• 5.4.2 殖沼电果模式80-81
• 5.4.3 多品种综合生态模式81
• 5.4.4 绿色能源为主模式81-83
• 5.4.5 循环农业为主模式83
• 5.4.6 立体农业循环经济模式83-84
• 5.5 生态型猕猴桃种植中沼肥应用84-92
• 5.5.1 沼肥在生态型猕猴桃种植中的应用技术研究84-90
• 5.5.1.1 沼液水肥一体化关键技术84-87
• 5.5.1.2 基于沼肥的生态型猕猴桃种植技术87-90
• 5.5.2 生态型猕猴桃种植中的能量平衡90
• 5.5.3 猕猴桃种植采用沼肥后的效果90-92
• 5.6 生态发酵模式推广应用情况、经济效益和社会效益92-94
• 5.6.1 推广应用情况92-93
• 5.6.2 近三年直接经济效益93
• 5.6.3 社会效益与间接经济效益93-94
• 5.7 本章小结94-95
• 6 结论及展望95-97
• 6.1 本文的主要结论95-96
• 6.2 展望96-97
• 参考文献97-102
• 攻读博士学位期间公开发表的学术论文102
• 攻读博士学位期间参与的科研项目102-103
• ABSTRACT103-105

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本文编号：394741