太阳能集成高效沼气发酵系统设计课程设计报告.doc

化工设备机械基础课程设计 太阳能集成高效沼气发酵系统设计the design of efficient solar energy integrated system of biogas fermentation 课程设计报告毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录1 前言 1.1 研究背景 11.1.1能源状况1.1.2沼气概况1.2 国内外沼气发展概况1.2.1 国外沼气技术发展概况 1.2.2 国内沼气发展历史及概况 31.3研究目的和意义42 沼气发酵的基本原理52.1沼气发酵原理 52.2沼气发酵工艺条件63太阳能加热的沼气发酵装置设计83.1 太阳能加热恒温系统的组成3.2 工艺流程3.3厌氧发酵罐尺寸的设计83.4发酵罐罐体的材料选择93.5罐体壁厚的计算 103.6内压封头设计123.7 罐体保温层设计4 发酵装置能量平衡分析13 4.1发酵罐罐体热损失计算13 4.2加热料液需要的热量计算135 结论18参考文献 19致谢 附图摘要国内的沼气一直是农村能源的重要部分，但在寒冷地区，冬季气温低、地温低，沼气池存在产气率低、使用率低等问题，甚至会出现裂沼现象，从而严重限制了其应用。针对这一现象，本文提出了在冬季利用太阳能维持沼气池温度的思路，即利用太阳能集热器生产的热水通过设置在沼气池内的换热器来加热沼液，维持温度、保持发酵，产生沼气。同时对沼气池保温，减少能耗，提高池温。根究这一思路可以设计出一套太阳能加热的沼气发酵装置，解决冬季寒冷地区沼气池不能产气的问题。太阳能沼气发酵装置，它主要包括厌氧发酵装置以及太阳能加热系统两大部分。本设计主要是设计厌氧发酵装置。首先根据设计条件确定沼气池的容积并对池体结构进行优化设计,再根据材料特性及其价格确定合适的发酵罐罐体材料及其厚度。为减少冬季罐体热损失需要在发酵罐外部附加保温层保温，再进行保温材料的选择。关键词：太阳能；沼气；厌氧发酵装置；罐体设计,材料选择abstractin cold regions of northwest china，because of the low air temperatures and the low ground temperature，there are many problems about producing methane for example， the rates of producing and using methane are low， even the digester fermenting is freezedin reaction to the phenomenon，in conjunction with the features that northwest china is rich areas in solar energy，we design a new solar biogas fermentation system which integrating the solar energy collector system and the anaerobic fermentation devicethis device can produce methane with solar heating in winter of northwest chinathe biogas yield could meet the demand of the peasant familys a complete set of solar biogas fermentation device contents asolar energy collector system and a anaerobic fermentation devicethe anaerobic fermentation device is the main design. first of all, according to the conditions for biogas digesters to determine the volume，and then we can have the shape of methane fermentation to optimize device designaccording to the mechanical properties of and prices to determine the suitable fermentation device and the thickness of materialin order to reduce the heat loss in winter, we need additional insulation in the outer of the fermentation tank and then choose the insulation material.key words： solar energy；biogas；anaerobic fermentation device； design of tank ；the choose of the material第1章 前言1.1研究背景能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的人均占有量、构成结构、使用效率和对环境的影响等因素，是衡量一个国家现代化程度的重要标准之一，因此世界各国都把能源的开发和利用作为发展经济的前提。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展，但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战。能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。作为世界上最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国。由于我国人口众多，能源利用率低，近年来，我国的能源形势越来越严峻。1.1.1能源状况目前，世界上开发利用的能源主要是煤、石油、天然气等传统矿物燃料，随着世界经济的快速发展和人口的迅速增长，社会对能源的需求量越来越大，而地球上的传统矿物燃料能源是有限的，如此大量的消耗，世界的能源资源很快会枯竭。据预测2020年全球能源需求量将达到1 50亿吨标准煤，消耗的煤炭、石油和天然气将分别达到38、53和35亿吨标准煤。能源的过度开发与消费累计的效应，产生了制约经济发展和影响人类生存的环境污染问题，温室气体排放所引起的气候变化已对全球生态和人类社会发展构成了严重挑战。21世纪新能源的开发与利用，已小再是一个将来的话题，而是关系到人类子孙后代命运，刻不容缓的一件大事。中国是世界上最大的发展中国家，同时也是居世界第二位的能源生产国和消费国。中国经济迅猛发展的背后是能源给予强有力的支撑，1949年的能源消费量是2347万吨标准煤，到2010年中国能源需求将从1999年的14亿吨增加到22882亿吨，到2030年达4243亿吨，到2049年达到56674亿吨t2卅。中国一次能源的储备总量，特别是优质化石能源的储备总量、人均能源占有量、人均能源消费量都不算多，能源储备结构不合理。另外，中国的能源消费结构也不合理，虽然近年来国家高度重视优化能源结构，煤炭在一次能源消费中的比重由1980年的722下降到2006年的694，其他能源比重由278上升到306，但是以煤为主的能源结构在未来相当长的时期内仍然难以改变，相对落后的煤炭生产和消费方式，加大了环境保护的压力。能源问题是当今世界的重大问题之一。能源既是经济和社会发展的重要物质保障，同时能源消耗又会对环境产生巨大影响。70年代引发的世界石油危机使得越来越多的国家开始关注可再生能源的发展。80年代常规能源的过度消耗和环境污染问题的口益突出使得各国政府加大了对可再生能源的研究和投入力度，并把建立安全、可靠、稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略重点之一。进入90年代，联合国全球环境与发展大会通过了二十一世纪议程，可持续发展成为了当今世界发展的主流，开发利用可再生能源成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分。为了缓解能源问题，世界各国都在积极研究开发新能源，特别是可再生能源，主要有：太阳能、生物质能、核能、氢能、地热能、风能、潮汐能等。可再生能源之所以受到世界各国的重视，是由它独特的优势所决定的，和化石能源相比，它们有如下特点：(1)可再生能源可为人类的生存与发展提供巨大的能量，足够人类长远利用，是人类社会未来能源的基石。(2)可再生能源清洁干净、污染物排放很少，它的利用一会导致空气污染、酸雨及臭氧层破坏，有利于改善和保护环境，是与人类赖以生存的地球生态环境相协调的清洁能源。(3)可再生能源分布广泛，相对均衡，世界各国人民都可利用。在各种可再生能源中，太阳能是最重要的基本能源，也是地球上分布最广泛的能源，每年地球表面接受到的太阳辐射能量约万亿吨标准煤，是目前世界能源消费总量的2000多倍。2007年可再生能源利用量折合22亿吨标准煤，相对于一次能源消费总量的85。可再生能源中比重较大的是水利发电，我国有水力发电4800多亿千瓦时发电量，占整个发电量的16。太阳能光伏发电，现在有10万千瓦。太阳能热水器我国的年生产能力达到2300万平方米，使用量达到12亿平方米，是世界上使用面积最大的。光伏电池年生产能力达到100万千瓦，是世界第一大光伏电池的生产国。大中型沼气设施有5000多处，户用沼气池有2700多万口，主要是农村作为燃料。在未来多样化的以可再生能源为基础的能源结构中，综合利用两类或几类能源，使各种能源相互补充，发挥其各自的优势以提高其能源利用效率，就显得非常重要了。结合我国的能源结构特点及国家政策的鼓励等，解决当今的农村能源消费问题是一项具有深远意义的大计。1.1.2沼气概况沼气是有机物质在一定温度、湿度、ph值和隔绝空气条件下经微生物发酵而产生的可燃性气体。在构成生物体的物质中，除了矿物质和木质素外，几乎所有的生物质都可以用来产生沼气，包括动物和人的排泄物、污水污泥、农作物秸秆、含碳工业废物等，所以沼气的成本相当低廉。沼气的生产工艺比较简单，一个农村家庭就可以建造自己的沼气池。沼气的用途也很广泛，它不仅能用于燃烧和照明，还可以作为燃料用于发电。沼气这种来源丰富、成本低廉的优质气体燃料，无论在发达国家还是在发展中国家均得到高度重视。发达国家主要从保护环境出发，建立了很多沼气工程，以处理城乡有机废弃物，并获得煤气替代品。在发展中国家，沼气是解决农村能源的一项重要途径，印度和中国是最早大力开发沼气的国家，并且取得了巨大的成就。沼气是一种高热值、高品位的能源，它是最合理利用、多次利用和综合利用生物质能的最有效形式，可以将植物机体的肥料、饲料、热能3种机能充分发挥出来。在广大农村牧区普及沼气，可以把人畜粪便和杂草、秸秆、枯叶等一起投入沼气池发酵，制取沼气作燃料。沼气池中的水和沉渣，保存了植物和粪便中的绝大部分氮、磷、钾元素，是优质的有机肥料，可以使生物质能利用3次至4次，使生物体内的能量和各种成份都能得到充分的利用。在城镇利用工业生产中的废物和生活污水来生产沼气也正在迅速发展，造纸厂、酿酒厂、屠宰厂的废水和生活污水中均有大量的有机物，这些废物都可以作为沼气生产的原料，变废为宝，从而减少城市污染，造福市民。我国是一个农业大国，农业废弃物资源分布广泛，其中农业秸秆年产量超过6亿吨，可作为能源用的秸秆约35亿吨，约折合15亿吨标准煤；工业废水和禽畜养殖场废弃物理论上可以产生沼气近800亿立方米，相当于5700万吨标准煤。沼气已成为我国农村能源的重要组成部分，它不仅可解决农村的部分能源问题，而且可以把养殖业、种植业有机的融为一体，形成绿色农业、环保农业，促进农村经济的快速发展。沼气技术在我国具有巨大的发展潜力。据专家测算，安装一个6-8m3的沼气罐，能解决5口之家每年的做饭、取暖、照明、洗浴等生活能源。每年可节约煤约8000块、节电约230度、薪柴和秸秆2吨左右(相当于35亩森林植被)，折合人民币可节约2500元以上，同时还可减少2吨二氧化碳的排放，保护森林资源和防治水土流失。一次产生的沼渣相当于300斤氮肥、250斤磷肥、200斤钾肥，含有17种氨基酸和多种微量元素，对40多种农作物病虫害有显著的防治效果。1.2 国内外沼气发展现状1.2.1国外沼气技术的发展现状(1)德国在欧洲国家中，德国是发展中小型农场沼气工程的典型代表，主要动力来自于一系列优惠鼓励政策的出台。德国是农场沼气工程发展最好的国家，主要是因为激励系统刺激了农场沼气工程的快速增长。德国沼气产量的增加主要是由于农场小型沼气工程(热电联供)的大规模增加，在2006年，基本上每个月新建50座沼气工程，到2006年底，沼气工程的数量达到3500座，总装机达1ioomw。德国沼气协会估计，到2020年，总装机将达到9500。2005年底，德国在沼气行业大约投资650亿欧元用于沼气工程建设，产生了8000个工作岗位。在国内市场快速发展的基础上，德国沼气工业的出口也持续增长，2004年达到2700万欧元，约占行业总产值的10，在不久的将来，预计达到30。(2)奥地利根据欧盟的要求，2002年制订了绿色电力法，鼓励建设消化能源作物与畜禽粪便的沼气工程，不鼓励消化有机废弃物的沼气工程。含有有机废弃物的沼气工程，上网电价比消化能源植物与畜禽粪便的沼气工程低25。自从绿电法案颁布以来，农场沼气工程发展迅速，2001至2002年期间，沼气工程数量翻倍。2003到2005年间新建了100多座沼气工程，其中155的工程，发电装机小于lookw，72在100500kw之间，大于500kw占125。大约50座新建沼气工程将在2005年运行，平均装机500kw。到2006年底，沼气工程数量达到了350座。奥地利沼气用于发电，电并入国家电网，农场主就地利用发电余热。(3)英国2002年英国开始实行绿色证书系统可再生能源义务证书系统，该系统要求电力供应商逐年增加可再生能源发电的份额，从2002、2003年度的3，增加到2003、2004年度的4.3，20042005年度4.9，2005.2006年度5.5，在2026、2027年度达到154。在该系统中，沼气是最具代表性的可再生能源。对厌氧消化生产沼气，主要有三方面的激励机制：(a)对沼气项目的研究、开发、示范项目进行支持。可再生能源项目覆盖了沼气产业的几乎所有类别：农场沼气工程、填埋气利用、市政垃圾厌氧消化、工业有机废水厌氧消化。(b)对农场沼气工程、填埋气利用、市政垃圾厌氧消化、工业有机废水厌氧消化工程的沼气发电，非化石燃料义务项目(nffo)提供上网电价补贴。(c)通过增加废弃物生产者许可证、填埋税、填埋标准等措施提高废弃物处置管理费用。与环境效益相比，厌氧消化技术的能源效益仍较低。但是，能源利用对工程运行的经济贡献十分显著。通过非化石燃料义务项目(nffo)的实施，英国政府的能源政策鼓励可再生能源发电量达到1500mw。以前英国是欧洲生产与利用沼气最多的国家，处于欧洲沼气的领头羊位置，2006年，这一位置被德国取代。但人均沼气产量在欧洲仍然是第一。沼气初级能源的增加主要是填埋气发电市场的增加。填埋气是绿色证书系统(可再生义务证书系统renewable obligation certificate system，rocs)的受益者。绿色证书系统要求电力提供商每年增加可再生能源发电所占的份额，20052006年度为5.7，2015年将达到154。20042005年度，沼气占可再生能源发电的35.9(填埋气占33.6，污水处理沼气占23)，相当于3.9twh，2005.2006年度达到4.3twh。英国污泥消化沼气工程产生的沼气用于发电，发的电和余热供污水处理厂使用或并入国家电网。(4)瑞典沼气主要有两个来源：污水处理厂(140座，沼气产量69.3ktoe，l ktoe是1千吨石油当量)，填埋场(60座，沼气产量35.8ktoe)。供热和发电不是沼气的主要利用方式，瑞典的沼气利用选择作汽车燃料，占17.2ktoe。在2006年底，瑞典建设世界上最大的沼气工程，来自市政污水处理厂的沼气经净化后作汽车燃料，沼气产量1600m3h。另外，也将净化后的沼气注入天然气燃气网，每年相当于180万m3天然气。瑞典是使用沼气作汽车燃料最先进的国家，沼气作汽车燃料开始于1996年，并建立了沼气作汽车燃料的标准。目前，有779辆沼气燃料公共汽车，4500辆汽油、沼气与天然气混合燃料的小汽车，2004年开始，火车开始也以这种方式运行。在交通工具的气体燃料中，沼气占54，其余是天然气。(5)丹麦大部分沼气来自20个集中式联合发酵沼气工程和60个农场沼气工程(57.5ktoe)，其余是填埋气(14.3ktoe)，生物固体处理沼气工程(20.5ktoe)。热电联产也发展很快，占整个国家沼气发电的99.3，占沼气工业的84.6。丹麦的沼气用于发电，电并入国家电网，农场主就地利用发电余热。丹麦的沼气可以并入天然气网。丹麦沼气工程的收入主要来源于三个方面： 出售电占13，供热占13，收购工业废弃物占13。1.2.2国内的沼气发展历史及现状我国沼气事业开始于1930年前后，绝大多数城镇无电力供应，制取沼气的重要目的是用于一些商店、寺庙的照明。1929年夏季在汕头开设了我国第一个沼气商号叫中国天然气瓦斯灯行，后来在十几个省建立了分行。所用池型是由罗国瑞发明的水压式沼气池，与我国目前使用的水压式沼气池基本相似。1958年，我国沼气事业出现第二次高潮，全国很多省市都修建了沼气池，目的是想解决农村的炊事用能。但由于严格厌氧微生物研究技术上的困难未能解决，理论研究未能深入下去，修建的沼气池又缺乏正确的技术管理，留下来能够使用的沼气池为数不多。中国沼气的大规模应用探索是在70年代，这也是尝试和积累经验的阶段。70年代初，中国农村一些地方农户生活用能出现严重短缺。在当时条件下靠商品能源没法解决这一问题，于是沼气应用重新得到重视，在一些地方将沼气发展列入了政府的议事日程，成立了相应机构。由政府支持和组织，以解决能源为主，以户用沼气池为重点是这一时期沼气发展的主要特点。这一时期沼气发展存在的主要问题是：(1)没有对沼气技术本身进行系统研究，沼气池建造技术未过关；(2)沼气的一些基本常识还未得到普及；(3)片面强调建池速度要快，成本要低，要大力普及。由于上述问题，虽然沼气池数量发展很快，但质量得不到保证。其中大多数沼气在短期使用后报废，但也有一部分质量好的沼气池可以长期使用。这一阶段虽然出了些问题，但为后来的发展提供了经验。随着户用沼气池的发展，70年代后期也建了一些大中型沼气工程，这些工程以工业废水和禽畜粪便为原料，以获取沼气能源为主。这批沼气工程的质量相对于户用池较高，但是配套差、池容产气率低、出料困难、综合效益不高。1979年，召开了全国沼气工作会议，总结了经验教训。1980年，成立了中国沼气协会，使沼气建设事业逐步走上依靠科学技术、保证建池质量、重视经济效益、建管并重、稳步发展的道路，使沼气事业形成了以能源、环境保护、生态农业为目标的发展方向。90年代以来通过对沼气发酵的科学原理和应用技术进行大量的科学研究与实验，取得了许多出色的研究成果。在沼气发酵工艺研究方面，基本上达到了世界先进水平。到2007年底，我国农村户用沼气已发展到2650万户，年产沼气102亿立方米，相当于替代1600万吨标准煤。各类沼气工程达到266万处，其中大型沼气工程1600多处。今年，中央和地方对农村沼气的投入力度进一步加大，农村沼气保持了快速发展的良好势头，预计全年新增户用沼气450万户。目标到2010年，全国将有4000万农户用上沼气，达到适宜农户的30左右。全国规模化养殖场大中型沼气工程总数达4700处左右，达到适宜畜禽养殖场总数的39左右。全国4000万户沼气，每年可产生约154亿立方米的沼气，相当于替代2420万吨标准煤。沼气农户每年节约燃料费、电费、化肥和农药等直接支出约500元，全国4000万户沼气可年增收节支200亿元。过去二十多年，我国在农村沼气的建设方面取得了世界公认的成绩，但是在户用型沼气池的建设和利用过程中，仍然存在一些技术问题亟待解决。由以上国外的应用典型可知国外的沼气主要用于发电等工业用途，而我国的沼气目前大部分还是作为农村能源的一部分，其特殊性就决定我们必须找出适合我国的沼气发展的方法。13研究目的和意义针对我国农村沼气池冬季产气量下降甚至不产气的主要问题，考虑在冬季为其保温并通过热源来提高池温。而太阳能也是一种可再生能源，所以在结合这两种能源来提高沼气池的利用率。1.3.1研究目的针对我国寒冷地区太阳能资源充足、冬季寒冷的气候特色，设计出一套适合本地区农户使用的新型的太阳能加热的户用沼气发酵装置。装置可以解决传统沼气池冬季不产气的问题，实现沼气池向北方寒冷地区的过渡，满足本地区农户全年对沼气的需求。13.2 研究意义综上，本课题从世界对能源的需求入手，分析可再生能源开发的必要性，并针对北方地区冬季气候寒冷，沼气池不产气的问题，结合西北地区太阳能资源丰富的特点，将太阳能中低温集热装置和沼气发酵装置进行组合，设计了一套新型的太阳能加热的沼气生产系统。本系统可以充分利用西北地区丰富的生物质能和太阳能资源，冬季采用太阳能集热装置加热厌氧发酵装置生产沼气，满足农户用能需求；夏季池温较高，太阳能热水可以直接用于农户生活需要。本系统可以满足农户全年对沼气以及生活热水的需要。本研究对改善农村人居环境和生态环境，推进农村城镇化建设步伐，缓解农村生活用能和工业用能之间的矛盾，实现节能减排，加快社会主义新农村建设步伐，建设和谐的社会主义新农村有重要示范推广价值和重大社会经济意义。第2章 沼气发酵的基本原理2.1 沼气发酵原理沼气是有机物质在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度等条件下，经过多种微生物(统称沼气细菌)的分解而产生的。沼气细菌分解有机物质产生沼气的过程，叫沼气发酵。这是沼气产生的基本原理，即厌氧机理，其发酵的生物化学过程，大致可分为3个阶段,如图2.1所示:第一阶段(液化阶段)：在微生物胞外酶的作用下，将多糖分解成单糖蛋白质转化成肽和氨基酸，脂肪酸转变为甘油和脂肪酸。也就是将固体有机物转化成可溶性物质。第二阶段(产酸阶段)：液化产物在胞内酶的作用下将复杂的有机物转化为简单的小分子化合物，如低级脂肪酸、醇等。第三阶段(产甲烷阶段)：液化产物在胞内酶的作用下将复杂的有机物转化为简单的小分子化合物，如低级脂肪酸、醇等。沼气发酵的3个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。在沼气发酵初期，以第一、二阶段的作用为主，也有第三阶段的作用。在沼气发酵后期，则是3个阶段的作用同时进行，一定时间后，保持一定的动态平衡持续正常的产气。2.2沼气发酵工艺条件人工制取沼气必须具备两个条件：第一，必须具备严格的厌氧环境；第二，具备充足的发酵原料和足够的沼气接种物，而且具有适宜的发酵浓度、温度和酸碱度等。2.2.1适宜的温度沼气池内的发酵温度是影响沼气产生和产气率高低的关键因素，在一定范围内，温度高，沼气微生物的生命活动活跃，发酵顺利进行，沼气产生得快，产气率也高；温度低，沼气微生物活动力差，原料的产气速率差，甚至长时间不产气。根据发酵温度的高低可分为常温发酵、中温发酵、高温发酵三种。高温发酵，最适宜的温度是50-60，每l立方米池容，日产气2立方米以上；中温发酵最适宜的温度是3035，每1立方米池容，口产气o4-09立方米；常温发酵的温度是1030。c，每1立方米池容，一般日产气量为01-025立方米。温度虽然对沼气细菌的活动影响很大，但是多数沼气细菌是属于中温型的，一般最适合温度是在2540之间，在此温度范围内，温度越高，发酵越好。但在普通沼气池中，保持较高温度是有一定困难的，如能经常维持在30左右，就很理想了。2.2.2碳氮比、适宜的发酵原料在沼气发酵过程中，发酵原料既是产生沼气的基质，又是沼气发酵微生物赖以生存的养料来源。沼气发酵原料十分广泛和丰富，除了矿物油和木质素外，自然界中的有机物质一般都可以作为沼气发酵的原料，例如农作物秸秆，人、畜和家禽粪便，生活污水，工业和生活有机废物等。根据沼气发酵原料的化学性质和来源，可以分为以下几类：富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽粪便，这类原料经过了人和动物肠胃系统的充分消化，一般颗粒细小，含有大量低分子化合物人和动物未吸收消化的中间产物，含水量较高。因此，在进行沼气发酵时，它们不必进行预处理，就容易厌氧分解，产气很快，发酵期较短。富碳原料通常指富含碳元素的秸秆和秕壳等农作物的残余物，这类原料富含纤维素、半纤维、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质。干物质含量比富氮的粪便原料高，且质地疏松，比重小，进沼气池后容易飘浮形成发酵死区浮壳层，发酵前一般需经预处理。富碳原料厌氧分解比富氮原料慢，产气周期较长。氮素是构成沼气微生物躯体细胞质的重要原料，碳素则构成微生物细胞质，而且提供生命活动的能量。发酵原料的碳氮比不同，其发酵产气情况差异也很大。从营养学和代谢作用角度看，沼气发酵细菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快2530倍。因此，在其他条件都具备的情况下，碳氮比例配成2530：l可以使沼气发酵在合适的速度下进行。如果比例失调，就会使产气和微生物的生命活动受到影响。因此，制取沼气不仅要有充足的原料，还应注意各种发酵原料碳氮比合理搭配。2.2.3严格的厌氧环境沼气微生物的核心菌群产甲烷菌是一种厌氧性细菌，对氧特别敏感，它们在生长、发育、繁殖、代谢等生命活动中都不需要空气，空气中的氧气会使其生命活动受到抑制，甚至死亡。产甲烷菌只能在严格厌氧的环境中才能生长。所以，修建沼气池，要严格密闭，不漏水，不漏气，这不仅是收集沼气和贮存沼气发酵原料的需要，也是保证沼气微生物在厌氧的生态条件下生活得好，使沼气池能正常产气的需要。224 ph值与碱度沼气微生物的生长、繁殖，要求发酵原料的酸碱度保持中性，或者微偏碱性，过酸、过碱都会影响产气。测定表明，酸碱度在ph=68之间，均可产气，以ph=6.57.5产气量最高，ph低于6或高于9时均不产气。农村户用沼气池发酵初期由于产酸菌的活动，池内产生大量的有机酸，导致ph下降。随着发酵持续进行，氨化作用产生的氨中和一部分有机酸，同时甲烷菌的活动，使大量的挥发酸转化为甲烷和二氧化碳，使ph逐渐回升到正常值。所以，在正常的发酵过程中，沼气池内的酸碱度变化可以自然进行调解，先由高到低，然后又升高，最后达到恒定的自然平衡(即适宜的ph)，一般不需要进行人为调节。只有在配料和管理不当，使正常发酵过程受到破坏的情况下，才可能出现有机酸大量积累，发酵料液过于偏酸的现象。此时，可取出部分料液，加入等量的接种物，将积累的有机酸转化为甲烷，或者添加适量的草木灰或石灰澄清液，中和有机酸，使酸碱度恢复正常。2.2.5接种物为加快沼气发酵启动的速度和提高沼气池产气量，要向沼气池加入含有丰富沼气微生物的物质，称为接种物(也叫活性污泥)。在一般的沼气发酵原料和水中，沼气微生物的含量很少，靠其自己繁殖，很难启动。所以，在新池装料前，要收集一定量的接种物。城市下水污泥，湖泊、池塘底部的污泥，粪坑底部沉渣，屠宰场、食品加工厂的污泥，以及污水处理厂厌氧消化池里的活性污泥等都含有大量的沼气微生物，是良好的接种物。加入接种物的数量要足够，接种物太少，不利于产气；接种物过多，又会占去沼气池的有效容积，影响总产气量。因此加入接种物的数量一般应占发酵料液的1030。2.2.6 搅拌静态发酵沼气池原料加水混合与接种物一起投进沼气池后，按其比重和自然沉降规律，从上到下将明显的逐步分成浮渣层、清液层、活性层和沉渣层。这样的分层分布，对微生物以及产气是很不利的。导致原料和微生物分布不均，大量的微生物集聚在底层活动，因为此处接种污泥多，厌氧条件好，但原料缺乏，尤其是用富碳的秸秆做原料时，容易漂浮到料液表层，不易被微生物吸收和分解，同时形成的密实结壳，不利于沼气的释放。为了改变这种不利状况，就需要采取搅拌措施，变静态发酵为动态发酵。沼气池的搅拌通常分为机械搅拌、气体搅拌和液体搅拌三种方式。机械搅拌是通过机械装置运转达到搅拌目的；气体搅拌是将沼气从池底部冲进去，产生较强的气体回流，达到搅拌的目的；液体搅拌是从沼气池的出料问将发酵液抽出，然后从进料管冲入沼气池内，产生较强的液体回流，达到搅拌的目的。实践证明，适当的搅拌方式和强度，可以使发酵原料分布均匀，增强微生物与原料的接触，使之获取营养物质的机会增加，活性增强，生长繁殖旺盛，从而提高产气量。搅拌又可以打碎结壳，提高原料的利用率及能量转换效率，并有利于气泡的释放。采用搅拌后，平均产气量可提高30以上。第3章 太阳能加热的沼气发酵装置的设计3.1 太阳能加热恒温系统3.1.1 太阳能加热恒温系统的组成太阳能加热恒温系统的结构示意图如图l所示。本系统主要由太阳能热水器、热水缓冲器、螺旋式换热器、自动控制系统(温度传感器、交流触电器、温控仪和电磁阀等)、循环泵和其它辅助部件组成。其功能是为中温发酵的沼气反应罐进行加热。3.1.2 太阳能加热恒温系统的工作原理当反应罐内的温度小于设定温度时，由温度传感器反馈到温控箱，从而开启循环泵，促使热水缓冲器中的热水流经反应罐中的螺旋管式换热器进行循环，对液料进行加热，提升反应罐内的温度；当反应罐内的温度达到设定温度时，再由温度传感器反馈到温控箱，从而关闭循环泵，循环终止。热水缓冲器的主要功能是为了控制进入螺旋换热器中水的温度，防止温度过高。因为温度过高时容易引起局部污泥温度过高以及螺旋罐外壁结壳，通过热水缓冲器将进入螺旋管中的温度控制在602。热水缓冲器的工作原理分为两个循环。第1循环热水缓冲器的温度高于62时，其循环路线为：热水缓冲器一循环泵一阀3一螺旋换热器一阀4一电磁阀3一热水缓冲器此时，电磁阀1与电磁阀2关闭，切断与太阳能热水箱的循环；电磁阀3打开，循环水直接通过热水缓冲器进行循环，促使热水缓冲器中的温度降低。第2循环热水缓冲器的温度低于58时，其循环路线为：热水缓冲器一循环泵一阀3一螺旋换热器一阀4一电磁阀2一太阳能热水器一电磁阀l一热水缓冲器此时，电磁阀1与电磁阀2打开，联通与太阳能热水箱的循环；电磁阀3关闭，从而促使热水缓冲器温度升高。太阳能加热系统中还设有循环泵的总控装置。当太阳能水箱中的温度低于40时，关闭循环泵，避免循环泵长时间连续工作，节省电能。3.2 工艺流程辅热集箱式厌氧发酵及沼液、沼渣处理工艺流程如图2所示，猪场产生的粪便经过预处理后，经排粪槽流入预加热发酵池。粪便在预加热发酵池里停留时吸收太阳辐射产生的热量，从而使料液温度升高，达到预加热的目的。同时，预加热发酵池也起到暂时储存猪粪便的作用，当发酵间内没有多余的空间时，产生的粪便可暂时储存在预加热发酵池内，需要时打开阀门，粪便在自身重力的作用下，流入发酵间，进行发酵。不需要时关闭阀门即可。粪便在发酵间内进行发酵，产生的沼气经过汽水分离、脱硫等净化处理后进入储气罐，沼气可供居民生活或猪场生产使用。粪便发酵后产生的沼液，经沉淀、粗滤、增效掺混、精滤、灌装后，作为生态高效液肥替代农药和化肥施用。剩余物沼渣经脱水、配料、造粒、干燥、包装后，即可以作为有机肥料用于无公害农产品的生产等。3.3 厌氧发酵罐尺寸的设计3.3.1 设计参数发酵料液处理量：40t/d，且料液为猪粪发酵料液发酵料液浓度：8%（发酵料液浓度是指原料的总固体(或干物质)重量占发酵料液重量的百分比。夏季由于气温高、原料分解快，料液浓度一般为81 o，冬季由于原料分解缓慢，浓度一般为l 012。另外，也受地域环境条件影响，在我国南方地区建的沼气池，发酵料液浓度可以稍低，而北方地区则应提高料液的浓度，以保证产气正常，提高产气率 。 设计中取发酵料液浓度为8% 。） 发酵周期：20d发酵温度：253.3.2 发酵料液密度估算查资料1可得，猪粪中干物质含量与密度有显著关系，粪中干物质（dm（f）和密度(sg)的回归方程为dm（f）=1066.152sg-1064.541(r2=0.835,s.e(b)=108.85,p0.001)式中：dm（f）-粪中干物质含量，% sg-粪便密度，g/cm3 已知dm（f）=8%,带入上式得8%=1066.152sg-1064.541，计算得 g/cm3= kg/m33.3.3厌氧发酵罐容积计算查资料2知，发酵罐有效容积=每天原料量发酵浓度发酵料液密度x原料适当的发酵时间发酵罐容积单位为l或m3，原料量的单位为kg/d；浓度为；料液密度单位为kgm3或gl；时间为d。 已知料液的进料量为40t/d,其浓度为8%，密度 kg/cm3,适当发酵时间为20d，所以，发酵罐有效容m3因为料液按罐体内部容积的80%填加，所以，发酵罐的容积m33.3.4厌氧发酵罐罐体形状优化根据国内外厌氧发酵的实验以及本实验的特点设计反应器，罐体拟采用圆柱形状，在发酵罐内部容积一定的情况下，为了减少罐体热量损失以及降低发酵罐制造成本，首先采用数学的方法对罐体进行理论优化。在罐体容积一定，罐体材料传热系数一定的情况下，将圆柱体体积公式代入圆柱体面积公式，然后对面积公式求导，即可求得面积公式的极值点，此点即为体积一定时表面积最小的点。采用此方法设计发酵罐罐体尺寸，可以使发酵罐罐体表面积最小，从而达到减少热损，减少罐体成本以及减少太阳能集热器投资的目的。 式中：一发酵罐容积，m3：一发酵罐内表面积m2；一圆柱体半径，m；一圆柱体的高，m。面积对半径求导得 根据上述的优化方法得，=2，所以， mdi=10.8mm通过上述优化，可以得出在发酵罐容积相同的情况下，圆柱体高径比为1：1时的沼气池表面积最小，因此罐体散热面面积最小，制造罐体所需材料也最少，罐体的造价也最低。而且由于散热面积减小，系统所需太阳能提供的能量也越小，由此方法求得的太阳能集热器面积也最小，制造本装置所需的投资将降低。3.4 发酵罐罐体材料的选择在发酵装置的设计和制造过程中，罐体材料的选择十分重要。不仅应该从装置结构、制造工艺、使用条件和寿命等方面考虑，而且还应该从装置工作条件下的力学性能，物理性能，耐腐性能，加工性能以及材料的价格、来源、供应情况等方面综合考虑。在设计过程中，首先应该考虑材料的物理、力学性能。材料的选择应首先从强度、塑性、韧性及冷弯性能等多方面综合考虑。屈服强度、抗拉强度是决定钢板许用应力的依据。材料的强度越高，装置的强度尺寸如壁厚就可以越小，从而可以节省材料用量。但强度高的材料，塑性、韧性一般较低，制造困难。因此，要根据装置具体工作条件和技术经济指标来选择适宜的材料。本装置工作压力比较低，因此，装置可按低压容器的设计规范进行设计、选材。本装置可采用屈服极限为245mpa到345mpa的钢材。材料的选择不仅要满足设备的性能需要，另外还要从经济性上进行考虑。从表32中几种材料的相对比价的对比可以看出，碳钢与普通低合金钢的价格比较低廉，在满足设备力学性能的条件下应首先选用。对比两种材料的性能，普通低合金钢的强度比碳素钢强度高很多，制造中、高压容器时优先选用，而以刚度为主的常、低压容器常采用强度级别低的碳钢为罐体材料，而且碳钢的价格比较低廉且较容易获取，因此在满足机械性能的前提下，采用碳钢作为发酵罐的主体材料还是比较经济的选择。有机物发酵过程中，会产生大量的有机酸，对发酵罐材料会产生严重的腐蚀，从耐腐蚀方面考虑，灰铸铁、高硅铸铁、普通碳素钢和普通低合金钢都不能使用。不锈钢虽然各种性能都好，但价格比较昂贵，焊接加工要求较高，因此也不宜采用。 表3.2 几种材料的相对比价【3】 材料种类 相对比价 备注 普通碳素钢板 1.0 热轧中厚度630mm 优质钢板 1.5 厚6mm40mm 锅炉钢板 1.08 中厚板 普通低合金钢板 1.2 4mm 40mm 铬不锈钢板 7.92 cr3、cr7ti 铬镍不锈钢板 17.5 厚1mm20mm 超低碳不锈钢板 34.2 厚1mm20mm综合以上分析，本设计的发酵罐罐体采用普通碳素钢板材q235一b做装置罐壳以满足装置的力学性能要求，而通过内部涂抹防腐剂的方法解决罐体的耐腐蚀问题。这种方法可以在满足设备力学性能以及耐腐蚀性能要求的情况下有效地降低发酵罐的罐体制造成本，是比较合适的材料选择方案。碳钢的物理特性如表33所示。表3.3 碳钢物理特性表【4】材料 密度（g/cm3） 熔点（） 比热值（jkg-1k-1） 导热系数（wm-1k-1） 碳钢 7.85 14001500 460.5 46.558.2 3.5 罐体壁厚的计算 3.5.1 厚度计算罐体作为压力容器承受内压力作用时在壁上将产生3个互相垂直的主应力，它们是环向应力或称周向应力径向应力和纵向应力因罐体的壁厚d与其内径d的比值小于120所以反应罐可以按照薄壁压力容器进行计算。内压容器圆筒设计厚度公式 6名义厚度公式 式中：一发酵罐罐体壁厚，mm；一罐体内压，mpa；di一圆柱体直径；mm一圆筒在设计温度下的许用应力，mpa；一焊缝系数；一钢板厚度的负偏差，m