【正文】 關(guān)注。太陽能沼氣系統(tǒng)是將太陽能集熱與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵兩項(xiàng)技術(shù)集成，利用太陽能集熱器收集太陽能，以水為熱媒供給發(fā)酵罐，來滿足發(fā)酵所需的熱量，使之突破了晝夜、季節(jié)、氣候等不利因素的束縛，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定供能。系統(tǒng)完成了由不穩(wěn)定的、較低品位的太陽能和生物質(zhì)能向穩(wěn)定的、高品位的沼氣化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，從而相比傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)了恒溫高效產(chǎn)沼氣的過程。研究太陽能恒溫沼氣系統(tǒng)產(chǎn)氣性能，對于尋求太陽能集熱與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵優(yōu)化匹配技術(shù)，提高系統(tǒng)的熱力性能、產(chǎn)氣性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及環(huán)境效益,有利于促進(jìn)可再生能源技術(shù)的推廣，提高可再生能源的利用。國內(nèi)外對沼氣化學(xué)能快速高效儲存太陽熱能的機(jī)理研究并不多。G. N. TIWARI[27]等人通過在 8m3的沼氣池上面建太陽池來給沼氣池增溫，夜間用保溫材料覆蓋太陽池頂部以減少熱損，次日早上太陽池中水溫能夠保持在 30～35℃，在加料時用來稀釋物料提高溫度。 [28]等設(shè)計的一套簡易的太陽能加熱的發(fā)酵裝置，發(fā)酵原料為豬糞，發(fā)酵罐有效容積為 45m3，將其建在地下，太陽能集熱器傾斜安裝在發(fā)酵罐上方作為頂蓋。太陽能集熱器與一個浸入式熱交換器相連接，以水為熱媒向料液提供熱量。頂蓋下方的密封空間用于儲存沼氣。通過實(shí)驗(yàn)表明，將太陽能集熱器作為沼氣池的上蓋，不僅減少了發(fā)酵罐的熱損失，而且促進(jìn)了發(fā)酵罐的熱平衡。同時，將建立的數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果表明該數(shù)學(xué)模型可以精確地預(yù)測太陽能加熱反應(yīng)器的能量變化。2022 年，Hamed M. ElMashad[2930]等人在實(shí)驗(yàn)室用 8L 的發(fā)酵罐研究了 50℃和 60℃下牛糞的產(chǎn)氣性能，結(jié)果表明，白天在 50℃和 60℃下發(fā)酵 10 小時，晚上分別降低10℃，產(chǎn)氣量僅比 50℃和 60℃下恒溫發(fā)酵低 12%和 20%，并且分析了太陽能沼氣的能量利用情況。2022 年設(shè)計的兩種太陽能高溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)如圖 1 所示，反應(yīng)器為 10m3的完全混合型發(fā)酵罐(CSTR)。兩種裝置雖然結(jié)構(gòu)形式不同，但主要都是由太陽能集熱器、發(fā)酵器、輔助加熱裝置等構(gòu)成。并建立了數(shù)學(xué)模型，對裝置性能做了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明當(dāng)使用太陽能加熱裝置及余熱回收裝置，發(fā)酵溫度為 50℃時，一體式裝置的總熱量利用率可以達(dá)到 95%；使用余熱回收裝置可使進(jìn)料的溫度高于環(huán)境溫度 10～20℃；系統(tǒng)的日平均溫度波動范圍可控制在177。1℃，年平均溫度波動可控制在177。5℃內(nèi)；對比傳統(tǒng)加熱方式，(a)分體式系統(tǒng) (b)一體式系統(tǒng) 裝置示意圖碩士學(xué)位論文以上兩種裝置在環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性上都有很大提高。G. Kocar[31]等設(shè)計了 5m3的太陽能沼氣罐如圖 2 所示，在土耳其兩個城市研究了的最優(yōu)保溫厚度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用太陽能加熱可以將用于輔助加熱的沼氣減少到 19%，因而增加了沼氣的潛能。Andreas Ch. Yiannopoulos[32]等人設(shè)計了一種太陽能加熱的沼氣罐，采用夾套換熱，并建立了數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了在穩(wěn)定運(yùn)行階段沼氣罐中的溫度分布，驗(yàn)證了太陽能沼氣的可行性。 K. Vinoth Kumar[33]等人研究了一年內(nèi)太陽能溫室與沼氣池結(jié)合的運(yùn)行情況，結(jié)果表明在夏季發(fā)酵溫度最大可達(dá) 21～25℃，最小為 10～12℃，在冬季最大為 16～21℃，最小為 2℃，平均產(chǎn)氣率為 。在國內(nèi)胡效雷 [34]等人對整體式太陽能沼氣池進(jìn)行了傳熱分析。孫靜 [35]通過實(shí)驗(yàn)研究了沼氣池周圍土壤溫度、料液溫度以及換熱器加熱量的變化情況，同時，還計算出了鋼管換熱器的傳熱系數(shù)，驗(yàn)證了在嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽能加熱制取沼氣是可行的。司傳海 [36]設(shè)計了溫室和太陽能熱水器組合厭氧消化增溫裝置，如圖3所示,利用清水模擬了厭氧消化溫度控制實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:通過合理分配利用太陽能，可使厭氧消化反應(yīng)器溫度在高效段附近運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了在春秋季控制反應(yīng)器溫度在32～36℃，夏季在44～53℃，在清水模擬溫度控制試驗(yàn)可行的基礎(chǔ)上，進(jìn)行污泥中溫厭氧消化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)污泥TS負(fù)荷60gL 1時，與常溫發(fā)酵相比產(chǎn)氣時間縮短了3天，峰值出現(xiàn)提前了6天。累積產(chǎn)氣量提高了35%。甲烷累積產(chǎn)量提高了71%。多轉(zhuǎn)化利用的太陽能12492KJ，提高了24%。說明，由于太陽能的利用，大大提高了厭氧消化的效率和產(chǎn)氣量。丁羽 [37]等人介紹了一種新型太陽能加熱恒溫沼氣反應(yīng)罐的結(jié)構(gòu)組成及參數(shù)選擇；并通過組成原理分析具體的工作過程和工作特點(diǎn)，說明該罐能夠保持恒定的發(fā)酵溫度，消除氣候?qū)Πl(fā)酵的影響，創(chuàng)造良好的發(fā)酵環(huán)境，有效地提高產(chǎn)氣率。王曉超 [38]等人設(shè)計了太陽能熱管加熱系統(tǒng),通過對加熱系統(tǒng)工作熱效率和沼氣系統(tǒng)熱負(fù)荷的計算分析、對比，得出太陽能熱管加熱系統(tǒng)能夠保障沼氣系統(tǒng)對熱量的需求，℃，每年可供給，相當(dāng)于節(jié)約6547kg標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)約燃料費(fèi)用3274元。圖 太陽能加熱的沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)太陽能恒溫沼氣產(chǎn)氣性能研究李小驥 [39]等人通過自行設(shè)計的太陽能沼氣池，研究太陽能對沼氣發(fā)酵加熱保溫和消化液回流效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過太陽能給料液加熱保溫，與常溫相比，可使料液的溫度升高10℃左右，從而使沼氣產(chǎn)量增加26%，甲烷含量也有小幅提高。孫秀麗 [40]等人設(shè)計的太陽能沼氣裝置如圖4所示，建立了沼氣池、太陽能熱水器的熱力模型，針對池內(nèi)輔助加熱的熱力過程，考慮了系統(tǒng)控制運(yùn)行方式、循環(huán)水流量、保溫層厚度對整個系統(tǒng)加熱效果的影響，從而確定出較合理的系統(tǒng)配置。在實(shí)驗(yàn)方面，介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和設(shè)備的選取，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果，分析料液平均溫度、循環(huán)水溫度及換熱器加熱量的變化情況。同時，還計算出了適用于本工程的螺旋管換熱器的傳熱系數(shù)與傳熱溫差的關(guān)系，對加熱系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，驗(yàn)證了在寒冷地區(qū)利用太陽能加熱制取沼氣是可以實(shí)現(xiàn)的。趙金輝 [41]等人提出了太陽能與沼氣池集成組裝的系統(tǒng)設(shè)計，通過確定太陽能集熱器面積與沼氣鍋爐聯(lián)合運(yùn)行的匹配方式，保持池體溫度處于較好的發(fā)酵溫度，理論上解決了北方寒區(qū)冬季沼氣無法正常使用的瓶頸問題。戴蓉 [42]等實(shí)驗(yàn)研究了太陽能集熱面積、沼氣產(chǎn)量與輔助電量之間的關(guān)系，當(dāng)太陽輻射量為， m 2，可以保持6 m 3的發(fā)酵罐在北京最冷月發(fā)酵溫度在20177。1℃下穩(wěn)定運(yùn)行，～ m 3/m3d，并且比較研究了太陽能沼氣在120和25℃下的產(chǎn)氣效率，結(jié)果顯示20℃需要集熱面積為,～ m 3/m3d，25℃ 2,池容～ m 3/m3d。因而得出在20℃下最經(jīng)濟(jì)，能源利用率最高。薄軍 [43]等人開發(fā)了一套多傳感器數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程無線傳輸、上位機(jī)接收與實(shí)時監(jiān)測的系統(tǒng)裝置，對距監(jiān)測中心約lkm左右的某太陽能沼氣工程參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)太陽能沼氣工程參數(shù)的無線監(jiān)測。李傳峰[44]等人設(shè)計開發(fā)了一種新型太陽能恒溫沼氣反應(yīng)裝置。該裝置利用太陽能加熱，消除自然氣候?qū)Πl(fā)酵的影響，自動控制溫度，實(shí)現(xiàn)全天候高效發(fā)酵，且拆裝、維修、移動快捷方便，自動化程度高。通過對該裝置運(yùn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、性能優(yōu)良，發(fā)酵速度快，產(chǎn)氣率高以及沼氣成分中甲烷含量高。張培棟 [45]等人將太陽能暖圈技術(shù)引入到沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，據(jù)估算，一個20m 2的太陽能暖圈每天可為一個8m 3沼氣池提供96．48 kJ熱量。使冬季沼氣池溫度維持在15℃左右，日產(chǎn)沼氣1． m 3，一年中以產(chǎn)氣300d計算，年產(chǎn)沼氣450600m 3。年可提供熱量56527536 MJ。謝列先 [46]設(shè)置在4個獨(dú)立單池容積8m 3的沼氣池進(jìn)行試驗(yàn)，其中選擇2個為加熱池，另2個為未加熱對比池。在酸堿度、進(jìn)料量和常規(guī)條件基本相同的情況下進(jìn)行對比試驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)表明，利用太陽能熱水器加熱沼氣池在技術(shù)上是可行的，增溫效果明顯，且平穩(wěn)，可以提高的產(chǎn)氣。 123456786 圖 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖12345678910128 器 圖 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖碩士學(xué)位論文 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)及對本課題的啟示 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié) 國內(nèi)外關(guān)于太陽能沼氣的研究僅僅是對其可行性進(jìn)行了分析，熱力性能和經(jīng)濟(jì)性分析，對裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計及初步的實(shí)驗(yàn)研究，并沒有定量分析沼氣成分、產(chǎn)氣量及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性及二氧化碳減排潛力的分析。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對本課題的啟示針對現(xiàn)有研究成果，對利用太陽熱能加熱的沼氣池可做以下幾方面的研究：1)實(shí)驗(yàn)研究太陽能加熱的恒溫沼氣池的沼氣產(chǎn)量、氣體成分等。2)尋求太陽能集熱溫度與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵優(yōu)化匹配關(guān)系，確定最佳集熱面積，發(fā)酵罐體積及發(fā)酵溫度。3）結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對太陽能恒溫沼氣系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性及二氧化碳減排潛力分析。 本課題研究的目標(biāo)、思路、內(nèi)容及意義 研究目標(biāo)研究不同發(fā)酵溫度下發(fā)酵原料的產(chǎn)氣量及氣體成分，對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益以及社會效益分析。 研究思路本課題通過實(shí)驗(yàn)測定不同發(fā)酵溫度(常溫、30℃、37℃和 52℃)下沼氣產(chǎn)量及氣體成分，以及太陽能恒溫沼氣的產(chǎn)氣性能，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對太陽能恒溫沼氣系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性及二氧化碳減排潛力分析。 研究內(nèi)容1)在發(fā)酵濃度為 8%，接種量為 30%時，試驗(yàn)常溫、30℃、37℃和 52℃下牛糞的產(chǎn)氣性能； 2) 在發(fā)酵濃度為 4%，接種量為 30%時，試驗(yàn) 30℃、37℃和 52℃下牛糞的產(chǎn)氣性能；3) 在發(fā)酵濃度為 8%，接種量為 30%時，試驗(yàn)常溫、30℃、37℃和 52℃下牛糞與蓮花菜混合時的產(chǎn)氣性能。4)進(jìn)行中試試驗(yàn)研究太陽能恒溫沼氣產(chǎn)氣性能并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益以及社會效益分析。 研究意義本課題在當(dāng)今世界能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)下，針對沼氣生產(chǎn)中存在的問題，將太陽能集熱與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵兩項(xiàng)技術(shù)集成，利用太陽能集熱器收集太陽熱能，以水為熱媒供給發(fā)酵罐，來滿足發(fā)酵所需的熱量，使之突破了晝夜、季節(jié)、氣候等不利因素的束縛，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣。系統(tǒng)完成了由不穩(wěn)定的、較低太陽能恒溫沼氣產(chǎn)氣性能研究品位的太陽能和生物質(zhì)能向穩(wěn)定的、高品位的沼氣化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，從而相比傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)了恒溫高效產(chǎn)沼氣的過程。研究太陽能恒溫沼氣系統(tǒng)產(chǎn)氣性能，對于尋求太陽能集熱與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵優(yōu)化匹配技術(shù)，提高系統(tǒng)的熱力性能、產(chǎn)氣性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及環(huán)境效益,有利于促進(jìn)可再生能源技術(shù)的推廣，提高可再生能源的利用。 本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了沼氣產(chǎn)生的原理和沼氣產(chǎn)生的條件。沼氣是有機(jī)物質(zhì)在隔絕空氣和保持一定水分、溫度、酸堿度等條件下，經(jīng)過多種微生物的分解而產(chǎn)生的。人工制取沼氣，關(guān)鍵就是培養(yǎng)多種微生物，使微生物具有良好的生活條件。微生物的生命活動要求多種條件，控制發(fā)酵過程的正常運(yùn)行也需要一定的條件，綜合起來主要有厭氧環(huán)境、沼氣發(fā)酵原料、接種物、發(fā)酵溫度、pH 值與堿度、適當(dāng)?shù)臄嚢璧?。通過這些介紹，為以后的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ)。碩士學(xué)位論文第 2 章 不同發(fā)酵溫度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響實(shí)驗(yàn)國內(nèi)外就溫度對厭氧發(fā)酵消化的影響已做過相關(guān)研究：劉海慶等 [65]研究了中、高溫酸化兩相厭氧發(fā)酵對牛糞產(chǎn)氣特性的研究，結(jié)果表明，中溫（35℃）和高溫（55℃）相比在產(chǎn)氣速度和VFA等方面有優(yōu)勢，二者總產(chǎn)氣量無明顯差異；張翠麗等 [66]研究了在25～40℃溫度范圍內(nèi)，不同糞便厭氧消化的產(chǎn)氣量、消化時間和最優(yōu)消化溫度；孫麗麗等 [67]采用批量發(fā)酵工藝，研究了中高溫下玉米秸和麥秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力及特性的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明理想狀態(tài)下高溫連 m 3/m3d, m 3/m3d。于曉章 [68]研究了不同溫度條件下，乙酸和丙酸分別作為底物時產(chǎn)甲烷潛力，結(jié)果表明乙酸在40℃和55℃下產(chǎn)甲烷能力最強(qiáng)，而丙酸在37℃和50℃下最強(qiáng)。H. Bouallagui等 [69]研究了溫度對果蔬廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能,結(jié)果表明高溫55℃下的產(chǎn)氣量比中溫35℃和自然發(fā)酵20℃分別高了41%和144%；Daniel [70]研究了溫度波動對豬糞自然發(fā)酵的影響，結(jié)果表明隨著溫度的降低甲烷含量增大。劉榮厚等 [71]研究了溫度條件對豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響。王麗麗等 [72]研究了20～30℃牛糞厭氧發(fā)酵的特性。楚莉莉等 [73]研究了不同溫度條件下農(nóng)作物秸稈產(chǎn)氣效率的影響，結(jié)果表明從10～40℃原料產(chǎn)氣率逐漸上升。近年來，為了提高厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化效率，學(xué)者進(jìn)行了不同原料混合厭氧發(fā)酵的研究與探索。混合厭氧發(fā)酵是指發(fā)酵特性存在互補(bǔ)性的兩種或兩種以上原料一起作為厭氧發(fā)酵基質(zhì)進(jìn)行的生物降解過程。一般認(rèn)為混合厭氧發(fā)酵能起到稀釋有毒化合物、提高營養(yǎng)物的平衡、增強(qiáng)微生物的協(xié)同效應(yīng)并進(jìn)而提高有機(jī)質(zhì)厭氧轉(zhuǎn)化效率的作用 [74]。劉德江等研究了 20℃下玉米秸稈與牛糞在不同配比的產(chǎn)氣特性，發(fā)現(xiàn) 85%的牛糞和 15%的玉米秸稈混合獲得了較高的產(chǎn)氣量和甲烷含量，但與等質(zhì)量的純牛糞相比，不論是總產(chǎn)氣量還是產(chǎn)氣率都比較低 [75]。李榮平等對不同比例的牛糞和廚余垃圾混合厭氧消化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)酵溫度為 38177。2℃時，牛糞和廚余垃圾 VS 質(zhì)量比例為 1：1 時，發(fā)現(xiàn)其甲烷產(chǎn)率和 COD 去除率比牛糞單獨(dú)消化時分別提高了 76%和 %[76]。張翠麗等在總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8%的條件下進(jìn)行批量試驗(yàn)，研究了混合發(fā)酵的產(chǎn)氣量、發(fā)酵時間及最優(yōu)溫度,結(jié)果表明：糞便與麥稈混合發(fā)酵明顯提高了原料的產(chǎn)氣效率，其中豬糞與麥稈混合發(fā)酵的累太陽能恒溫沼氣產(chǎn)氣性能研究積產(chǎn)氣量比豬糞作為單一發(fā)酵原料高 倍，而牛糞與麥稈混合發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量與單一牛糞無顯著差異,豬糞、牛糞與麥稈混合發(fā)酵的最優(yōu)溫度均在 30℃以上，發(fā)酵時間在 60d 左右 [77]。Parawira