【正文】 0億立方米，相當于 5700萬噸標準煤。大約 50座新建沼氣工程將在 20xx年運行，平均裝機 500kW。綠色證書系統(tǒng)要求電力提供商每年增加可再生能源發(fā)電所占的份額， 20xx． 20xx年度為％， 20xx年將達到 15． 4％。 1929年夏季在汕頭開設(shè)了我國第一個沼氣商號叫中國天然氣瓦斯燈行，后來在十幾個省建立了分行。 90年代以來通過對沼氣發(fā)酵的科學原理和應(yīng)用技術(shù)進行大量的科學研究與實驗，取得了許多出色的研究成果。本系統(tǒng)可以充分利用西北地區(qū)豐富的生物質(zhì)能和太陽能資源，冬季采用太陽能集熱裝置加熱厭氧發(fā)酵裝置生產(chǎn)沼氣，滿足農(nóng)戶用能需求；夏季池溫較高，太陽能熱水可以直接用于農(nóng)戶生活需要。 C，每 1立方米池容，一般日產(chǎn)氣量為 0． 10． 25立方米。 沼氣微生物的核心菌群 —— 產(chǎn)甲烷菌是一種厭氧性細菌，對氧特別敏感，它們在生長、發(fā)育、繁殖、代謝等生命活動中都不需要空氣，空氣中的氧氣會使其生命活動受到抑制，甚至死亡。 攪拌 靜態(tài)發(fā)酵沼氣池原料加水混合與接種物一起投進沼氣池后，按其比重和自然沉降規(guī)律，從上到下將明顯的逐步分成浮渣層、清液層、活性層和沉渣層。熱水緩沖器的工作原理分為兩個循環(huán)。） 發(fā)酵周期： 20d 發(fā)酵溫度 ： 25℃ 發(fā)酵料液密度估算 查資料 [1]可得， 豬糞中干物質(zhì)含量與密度有顯著關(guān)系，糞中干物質(zhì)（ DM（ f） ）和密度 (SG)的回歸方程為 DM（ f）=(R2=,(b)=,P) 式中： DM（ f） 糞中干物質(zhì)含量， % SG糞便密度， g/cm3 已知 DM（ f） =8%,帶入上式得 8%=， 計算得 9 9 8 5 0 6 6 %85 4 0 6 4SG ??? g/cm3= kg/m3 發(fā)酵罐容積計算 查資料 [2]知， 發(fā)酵罐 有效容積 =每天原料量247。但強度高的材料，塑性、韌性一般較低，制造困難。 K1） 碳鋼 1400～ 1500 ～ 罐體壁厚 的計算 厚度計算 罐體作為壓力容器承受內(nèi)壓力作用時在壁上將產(chǎn)生 3個互相垂直的主應(yīng)力，它們是環(huán)向應(yīng)力或稱周向應(yīng)力徑向應(yīng)力和縱向應(yīng)力因罐體的壁厚 d與其內(nèi)徑 D的比值小于 1／ 20所以反應(yīng)罐可以按照薄壁壓力容器進行計算。 圓筒的有效壁厚 )()( 21e ??????? CCn?? 。這種結(jié)構(gòu)使擠塑板在吸水率、蒸汽滲透系數(shù)以及導熱系數(shù)等方面均低于其它的板狀保溫材料，同時抗壓強度卻很高，因此具有優(yōu)越的保溫隔熱性能，良好的抗水性能和高抗壓性能。由此，則可假設(shè)發(fā)酵罐中氣體空間和發(fā)酵原料溫度均處于相同的溫度； 假設(shè) 2：發(fā)酵罐設(shè)計了攪拌裝置，因此假設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)物料由于經(jīng)常攪拌而各點溫度均勻一致； ． 假設(shè) 3：在原料溫降小于 5℃／ h的保溫結(jié)構(gòu)中，物料各點溫度變化緩慢，可將其內(nèi)部溫度看成穩(wěn)態(tài)溫度場‘ 741。 通過公式進行計算： )( 21 ttCmQw ?? [7] （ ） 式中： C一料液的比熱， J／ （ kg在這段 學習時間中 ， 我 在 郜老 師的諄諄教導下完成了 這個課程設(shè)計 ，以此為 化工設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計這門課 的學習劃上一個完滿的句號?！?)； 1? 一罐體鋼板厚度， m； 2? 一保溫材料厚度， 。因此，一天內(nèi)的能量平衡方程可以簡化為以下公式： ws Q ??[4] 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 24 發(fā)酵罐 置于空氣之中，因此時刻在通過外壁向外界空間進行散熱。保護層一般緊貼絕熱層安裝。復(fù) 檢0 . 2 5 m %%6 ?????n? ，故最后取 1C =。 表 碳鋼物理特性表 【 4】 材料 密度（ g/cm3） 熔點（℃） 比熱值（ J 在設(shè)計過程中，首先應(yīng)該考慮材料的物理、力學性能。 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 17 厭氧發(fā)酵罐尺寸 的設(shè)計 設(shè)計參數(shù) 發(fā)酵料液處理量： 40t/d，且料液為豬糞發(fā)酵料液 發(fā)酵料液濃度： 8%（發(fā)酵料液濃度是指原料的總固體 (或干物質(zhì) )重量占發(fā)酵料液重量的百分比。 太陽能加熱恒溫系統(tǒng)的工作原理 當 反應(yīng)罐內(nèi)的溫度小于設(shè)定溫度時，由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而開啟循環(huán)泵，促使熱水緩沖器中的熱水流經(jīng)反應(yīng)罐中的螺旋管式換熱器進行循環(huán)，對液料進行加熱，提升反應(yīng)罐內(nèi)的溫度；當反應(yīng)罐內(nèi)的溫度達到設(shè)定溫度時，再由溫度傳感器反饋到溫控箱，從而關(guān)閉循環(huán)泵，循環(huán)終止。所以，在新池裝料前，要收集一定量的接種物。從營養(yǎng)學和代謝作用角度看，沼氣發(fā)酵細菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25~30倍。 人工制取沼氣必須具備兩個條件：第一，必須具備嚴格的厭氧環(huán)境；第二，具備充足的發(fā)酵原料和足夠的沼氣接種物，而且具有適宜的發(fā)酵濃度、溫度和酸堿度等。而太陽能也是 一種可再生能源，所以在結(jié)合這兩種能源來提高沼氣池的利用率。隨著戶用沼氣池的發(fā)展， 70年代后期也建了一些大中型沼氣工程，這些工程以工業(yè)廢水和禽畜糞便為原料，以獲取沼氣 能源為主。丹麥的沼氣用于發(fā)電，電并入國家電網(wǎng)，農(nóng)場主就地利用發(fā)電余熱。 以前英國是歐洲生產(chǎn)與利用沼氣最多的國家，處于歐洲沼氣的領(lǐng)頭羊位置，20xx年，這一位置 被德國取代。 (2)奧地利 根據(jù)歐盟的要求， 20xx年制訂了《綠色電力法》，鼓勵建設(shè)消化能源作物與畜禽糞便的沼氣工程，不鼓勵消化有機廢棄物的沼氣工程。沼氣是一種高熱值、高品位的能源，它是最合理利用、多次利用和綜合利用生物質(zhì)能的最有效形式，可以將植物機體的肥料、《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 8 飼料、熱能 3種機能充分發(fā)揮出來。在各種可再生能源中，太陽能是最重要的基本能源，也是地球上分布最廣泛的能源，每年地球表面接受到的太陽輻射能量約萬億噸標準煤，是目前世界能源消費總量的 20xx多倍。據(jù)預(yù)測 2020年全球能源需求量將達到 1 50億噸標準煤，消耗的煤炭、石油和天然氣將分別達到 3 53和 35億噸標準煤。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 4 目錄 1 前言 …………………………………………………………………………………… １ 研究背景 ……… …………………………………………………………………… 1 能源狀況 沼氣概況 國內(nèi)外 沼氣 發(fā)展概況 ………………………………………………………………… ２ 國外 沼氣技術(shù) 發(fā)展概況 ………………………………………………………………… ２ 國內(nèi) 沼氣 發(fā)展 歷史及 概況 ……………………………………………………………… 3 研究目的和意義 …………… ……………………………………………………… 4 2 沼氣發(fā)酵的基本原理 ……………………………………………………………… 5 沼氣發(fā)酵原理 ……………………………………………………………………… 5 沼氣發(fā)酵工藝條件 ………………………………………………………………… 6 3 太陽能加熱的沼氣發(fā)酵裝置設(shè)計 ………………………………………………… 8 太陽能加熱恒溫系統(tǒng)的組成 ………………………………………………… 工藝流程 ……………………………………………………………… 厭氧發(fā)酵罐尺寸 的 設(shè)計 ……………………………………………………………… 8 發(fā)酵罐罐體的 材料 選擇 …………………………………………………………… 9 罐體壁厚的計算 ………………………………………………………… 10 內(nèi)壓封頭設(shè)計 ……………………………………………… …………… 12 罐體保溫層設(shè)計 4 發(fā)酵裝置能量平衡分析 …………………………………………………………13 發(fā)酵罐罐體熱損失計算 …………………………………………………………… 13 加熱料液需要的熱量計算 ………………… ………………………………………… 13 5 結(jié)論 …………………………………………………………………………………… 18 參考文獻 …………………………………………………………………………………… 19 致謝 ………………………………………………………………………………………… 附圖 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 5 摘要 國內(nèi)的沼氣一直是農(nóng)村能源的重要部分，但在寒冷地區(qū)，冬季氣溫低、地溫低，沼氣池存在產(chǎn)氣率低、使用率低等問題，甚至會出現(xiàn)裂沼現(xiàn)象，從而嚴重限制了其應(yīng)用。 作者簽名： 日 期： 《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 3 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。縱觀人類社會發(fā)展的歷史，人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。 70年代引發(fā)的世界石油危機使得越來越多的國家開始關(guān)注可再生能源的發(fā)展。 沼氣是有機物質(zhì)在一定溫度、濕度、 pH值和隔絕空氣條件下經(jīng)微生物發(fā)酵而產(chǎn)生的可燃性氣體。一次產(chǎn)生的沼渣相當于 300斤氮肥、 250斤磷肥、 200斤鉀肥，含有 17種氨基酸和多種微量元素，對 40多種農(nóng)作物病蟲害有顯著的防治效果 。對厭氧消化生產(chǎn)沼氣，主要有三方面的激勵機制： (a)對沼氣項目的研究、開發(fā)、示范項目進行支持。在 20xx年底，瑞典建設(shè)世界上最大的沼氣工程，來自市政污水處理廠的沼氣經(jīng)凈化后作汽車燃 料，沼氣產(chǎn)量 1600m3／ h。 70年代初，中國農(nóng)村一些地方農(nóng)戶生活用能出現(xiàn)嚴重短缺。目標到 20xx年，全國將有 4000萬農(nóng)戶用上沼氣，達到適宜農(nóng)戶的 30％左右。這是沼氣產(chǎn)生的基本原理，即厭氧機理，其發(fā)酵的生物化學過程，大致可分為 3個階段 ,如圖 : 第一階段 (液化階段 )：在微生物胞外酶的作用下，將多糖分解成單糖蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化成肽和氨基酸，脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)楦视秃椭舅?。根?jù)沼氣發(fā)酵原料的化學性質(zhì)和來源，可以分為以下幾類： 富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽糞便，這類原料經(jīng)過了人和動物腸胃系統(tǒng)的充分消化，一般顆粒細小，含有大量低分子化合物 —— 人和動物未吸收消化的中間產(chǎn)物，含水量較高。 農(nóng)村戶用沼氣池發(fā)酵初期由于產(chǎn)酸菌的活動，池內(nèi)產(chǎn)生大量的有機酸，導致pH下降。機械攪拌是通過機械裝置運轉(zhuǎn)達到攪拌目的； 氣體攪拌是將沼氣從池底部沖進去，產(chǎn)生較強的氣體回流，達到攪拌的目 的；液體攪拌是從沼氣池的出料問將發(fā)酵液抽出，然后從進料管沖入沼氣池內(nèi)，產(chǎn)生較強的液體回流，達到攪拌的目的。 工藝流程 輔熱集箱式厭氧發(fā)酵及沼液、沼渣處理工藝流程如圖 2所示，豬場產(chǎn)生的糞便經(jīng)過預(yù)處理后，經(jīng)排糞槽流入預(yù)加熱發(fā)酵池。《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》課程設(shè)計 18 采用此方法設(shè)計發(fā)酵罐罐體尺寸，可以使發(fā)酵罐罐體表面積最小，從而 達到減少熱損，減少罐體成本以及減少太陽能集熱器投資的目的。從表 3． 2中幾種材料的相對比價的對比可以看出，碳鋼與普通低合金鋼的價格比較低廉，在滿足設(shè)備力學性能的條件下應(yīng)首先選用。沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)氣體產(chǎn)生的最大壓力 39。據(jù)研究得出，短時間內(nèi)溫度升降 5℃沼氣產(chǎn)量明顯下降，波動的幅度過大時，甚至會停止產(chǎn)氣。假設(shè)系統(tǒng)采用連續(xù)進料方式，每天都有新物料進入，舊物料排出。℃ )； 2h 一保溫層外表面與環(huán)境間換熱系數(shù)， 2h = w／ (m2發(fā)酵周期 20天。 尚待解決的問題 由于研究時間和個人知識 的限制，本設(shè)計存在以下幾方面的問題沒有進行充分的探討，建議再以后 的研究中，對以下幾點進行更深入的研究： 1） 本套裝置的成本較高，投資回報期較長?！?)；對于非金屬保護層， 2h可取 ／ (m2由上述分析可 知，沼氣發(fā)酵罐的熱量平衡方程為： gwsb Q ????[7] 式中； Q —— 加熱裝置一天內(nèi)的熱負荷， J； bQ —— 每天由發(fā)酵過程產(chǎn)生的生物熱， J； sQ —— 罐體一天向周圍空氣的散熱量， J，一天按 16小時算 ； wQ —— 每天添加的物料升溫所需總熱量， J； gQ —— 沼氣所帶走的熱量 ， J。因此在設(shè)計消化罐時常采取