太阳能集成高效沼气发酵系统设计课程设计报告(编辑修改稿)

太阳能集成高效沼气发酵系统设计课程设计报告(编辑修改稿)内容摘要：

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。 1． 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 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《化工设备机械基础》课程设计 12 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 : 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。 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。 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 5060℃，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 30— 35℃，每 1立方米池容，口产气 O． 40． 9立方米；常温发酵的温度是 10． 30。 C，每 1立方米池容，一般日产气量为 0． 10． 25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《化工设备机械基础》课程设计 13 度是在 25． 40℃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。 、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25~30倍。 因此，在其他条件都具备的情况下，碳氮比例配成 25~30： 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。 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。 2． 2． 4 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=6~8之间，均可产气，以pH=~， 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，《化工设备机械基础》课程设计 14 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。 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 10％ ~30％。 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 太阳能加热恒温系统 《化工设备机械基础》课程设计 15 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。 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 60℃177。 2℃。 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《化工设备机械基础》课程设计 16 省电能。 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。 《化工设备机械基础》课程设计 17 厌氧发酵罐尺寸 的设计 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 8％～ 1 O％，冬季由于原料分解缓慢，浓度一般为 l 0％～ 12％。 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 ： 25℃ 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）=(R2=,(b)=,P) 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%=， 计算得 9 9 8 5 0 6 6 %85 4 0 6 4SG  g/cm3= kg/m3 发酵罐容积计算 查资料 [2]知， 发酵罐 有效容积 =每天原料量247。 发酵浓度247。 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 kg／ m3或 g／ L；时间为。