太阳能恒温沼气产气性能研究硕士学位论文Word格式文档下载.docx

1、学校有权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。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：导师签名：目录第1章 绪论 71.1课题背景 71.1.1能源危机 71.1.2环境危机 71.2太阳热能和沼气利用概况 81.2.1太阳热能利用 81.2.2沼气利用 91.3太阳能沼气的研究现状 111.4国内外研究现状总结及对本课题的启示 141.4.1国内外研究现

2、状总结 141.4.2国内外研究现状对本课题的启示 141.5本课题研究的目标、思路、内容及意义 141.5.1 研究目标 151.5.2研究思路 151.5.3研究内容 151.5.4研究意义 15第2章沼气发酵基本原理及发酵工艺条件 152.1沼气发酵基本原理 152.2厌氧发酵工艺条件 172.2.1严格的厌氧环境 172.2.2温度条件 172.2.3 pH值 182.2.4固含率（TS） 192.2.5发酵原料配比 192.2.6接种物 202.2.7搅拌 202.2.8有毒物质 212.3本章小结 22第3章 不同发酵温度对厌氧发酵产气性能的影响实验 223.1实验装置、测试指标及

3、方法 233.1.1实验装置 233.1.2 实验仪器 253.1.3实验测试指标及方法 253.2发酵浓度为8%实验结果与讨论 283.2.2发酵原料理化性质 293.2.3产气性能分析 293.3发酵浓度为4%实验结果与讨论 343.3.1实验控制条件 343.3.2发酵原料理化性质 343.3.3产气性能分析 343.4不同发酵温度对牛粪与甘蓝菜叶混合产气性能的影响实验 383.4.1实验控制条件 383.4.2发酵原料理化性质 383.4.3实验结果与讨论 383.5本章小结 42第4章 太阳能恒温沼气中试试验 434.1实验装置、测试指标及方法 434.1.1实验装置 434.1.2

4、测试指标及方法 454.2实验结果与讨论 454.2.1发酵原料理化性质 454.2.2料液温度变化和沼气产量 454.2.3典型日温度变化 464.2.4累积产气量 474.3本章小结 47第5章 沼气化学能储存太阳能的综合效益分析 485.1系统的经济效益评价 485.1.1 投入效益 485.1.2产出效益 495.1.3 计算方法 495.2系统的环境效益评价 515.2.1不同发酵温度下二氧化碳减排分析 515.2.2本装置对甘肃省二氧化碳减排潜力的预测 525.3系统的社会效益评价 535.4本章小结 53结论与展望 53结论 53创新点 54尚待解决的问题 54展望 55参考文献

5、 55致 谢 61附录A 攻读学位期间发表的论文 62附录B 攻读学位期间申请的专利 63附录C 攻读学位期间申请的科创基金项目 64摘 要能源问题和环境问题是当今世界普遍关注的热点，太阳能和生物质能是可再生能源中，资源量最大、分布最普遍的，由于生物质厌氧发酵技术不仅能解决燃料短缺问题，而且实现了禽畜粪便无害化处理及多层次资源化利用,因而受到各国的普遍关注。太阳能恒温沼气即利用太阳能集热系统生产的热水来加热料液，使料液升温进行恒温发酵，突破冬季气温、地温低，发酵温度波动大等不利因素的束缚，实现太阳能和生物质能的高效稳定规模利用。本文以实验为主，首先就不同发酵温度对牛粪及牛粪和莲花菜混合发酵的影

6、响进行了实验研究；其次通过中试试验研究了太阳能恒温沼气装置的稳定性、产气性能、经济性和二氧化碳减排潜力。（1）在自行设计的四个11.5L的发酵罐中并行实验研究了19、30、37和52下，发酵浓度为8%时的鲜牛粪恒温厌氧发酵过程，38天内，52、37、30和19下发酵罐的累积产气量分别为173.12L、187.59 L、153.41 L和39.12L ；52、37和30下厌氧发酵周期分别为22、22和27天；池容产气率分别为0.71m3/m3d、0.76 m3/m3d和0.51 m3/m3d。37时厌氧发酵的产气量和产气品质都是最大的。（2）并行实验研究了30、37和52下，发酵浓度为4%时的鲜

7、牛粪恒温厌氧发酵过程，30、37和52下厌氧发酵周期分别为16、15和14天；累积产气量分别为41.69L、52.30L和55.57L；发酵周期内池容产气率分别为0.23 m3/m3d、0.32 m3/m3d和0.36 m3/m3虽然52下发酵周期和池容产气率较其它发酵温度下占优势，但是沼气品质却最差，从实验可以看出在37下具有更大的产甲烷潜力。（3）牛粪与甘蓝菜叶VS质量比为3混合发酵时，52、37和30实验组发酵周期分别为31天、42天和58天，累积产气量分别为201.83L、225.18L和195.76L，池容产气率分别为0.65 m3/m3d、0.54 m3/m3d和0.34 m3/m

8、3d，干物质产气率为0.42 m3/、0.47 m3/和0.41 m3/，平均甲烷产量为49.20%、52.38%和52.16%。牛粪和甘蓝叶混合厌氧发酵可以显著的提高牛粪和甘蓝菜叶的厌氧发酵转化率。在试验条件下，周期内30、37和52混合原料厌氧发酵比牛粪单一原料厌氧发酵累积产气量提高了7.00%、34.08%和22.16%。VS质量比为3时，最适发酵温度为37，较低或较高发酵温度不利于混合发酵；自然发酵不能使其启动，应减少甘蓝的含量，减小VFA会对产甲烷菌的抑制作用，或者实时调节pH。（4）太阳能恒温沼气装置能够在302下稳定运行，总固体浓度为7%时，产气量最高达到2.059m3/d；最大

9、料容产气率0.86 m3/m3d，发酵周期为28天。太阳能恒温沼气装置的益本比为3，净现值（NPV）为9531元，动态投资回收期为2.68a，根据目前甘肃省农村的日常用能方式，则炊事时CO2年减排量可达2.35107t，沼气替代秸秆、薪柴和煤炭对CO2减排的贡献分别为47.47%、40.80%和11.73%。有利于促进农村沼气能源技术的推广，提高农村可再生能源的利用率。关键词：太阳能；沼气；恒温发酵；产气性能；AbstractKey Words： Solar; Biogas; Thermostatic fermentation; Performance of biogas production

10、第1章 绪论1.1课题背景 能源问题和环境问题是当今世界普遍关注的热点。世界化石能源面临枯竭, 以化石燃料为基础能源的生产和消费正在加剧污染人类赖以生存的地球环境,二氧化碳、甲烷等温室气体排放导致气候变化, 威胁全球安全与发展1-3。通过科技创新, 开发新能源取代石油、煤炭等传统能源；发展以可再生、无污染为特征的清洁能源是发展经济、改善环境的重要方向4-8。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。太阳能和生物质能是可再生能源中，资源量最大、分布最广的9-14，由于生物质厌氧发酵技术不仅能解决燃料短缺问题，而且实现了禽畜粪便

11、及农业废弃物无害化处理及多层次资源化利用,因而受到各国的普遍关注15-19。1.1.1能源危机能源是经济发展和社会进步的重要基础资源。从历史上看，人类对能源开发利用的发展过程也是不断推动人类社会文明进步的过程；能源也是实现国民经济现代化和提高人民生活水平的物质基础，而能源的利用程度和能源的人均占有是衡量各国经济发展和人民生活水平的一项综合性指标，是一个国家技术进步程度的体现，因此能源在现代化国家建设中具有举足轻重的地位。我国是世界上能源生产和消费大国，但我国能源资源有限，常规能源资源占世界总量的10.7%，人均能源资源占有量远低于世界平均水平。随着我国经济的快速发展，对能源的需求量越来越大，预

12、计到2020年，我国一次能源需求量将达2533亿吨标准煤，将是2000年的2倍，能源供需矛盾将日益显现。由于国内石油和天然气资源缺乏，预计2020年之后，石油供给的对外依赖性将超过60%，天然气对外依赖性将超过40%。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27万亿吨标准煤，是目前世界能源消费总量的2000多倍。沼气是人类利用历史最悠久的能源，它的利用在不断的扩大，太阳能和沼气的联合使用是集能源建设和环境建设于一体的，具有显著的经济、社会、生态等综合效益，符合可持续发展的战略。1.1.2环境危机进入21世纪，随着农业结构的调整

13、，畜牧业迅猛发展，增加了农民的收入，改善了人们的饮食结构，提高了人们的生活水平。但畜牧业的发展，特别是规模集约化的养殖大量集中，畜禽粪便给环境带来了严重的污染。绝大多数畜禽场在兴建时由于资金、技术、设备等方面的原因，对生产过程中产生的大量粪便、污水的处理措施考虑不够，大量的畜禽粪便与污水未经处理随意排放，不仅破坏了养殖场周边地区的生态环境，而且通过空气、水体、土壤等媒介污染和破坏居民的生存环境，直接或间接影响了人体健康，同时也给畜牧场自身发展以及畜牧业的可持续发展带来了不利影响。我国畜牧业废弃物产量居世界前列，其中农作物秸杆年产量达5亿多吨（干重），畜禽粪便及污水的年产生量超过10亿吨.如果管

14、理不善，每年25%的畜禽粪便及污水流失到水体中，也就是说有8.7吨COD，6.2吨BOD释放到水里，相当于具有一定规模的工业污染物的排放量。美国每年畜牧业产生的固体粪肥约有20亿吨，其中50%来自集约化畜牧业。欧盟每年产生的农业废物是污泥的3倍，城市垃圾的6倍。目前畜牧业废弃物已成为农村及城郊环境污染的主要来源，越来越受到社会各方面的广泛关注。（1）水体污染粪便和冲洗粪便废水中含有氮、磷及粪渣等有害物质，可以通过地表径流污染地表水，也可以通过土壤渗入到地下污染地下水。水中过多的氮、磷会使水体富营养化，导致藻类疯长，争夺阳光、空气和氧气，最终将使水体变黑发臭，导致鱼类及水生物死亡，并影响沿岸的生

15、态环境。畜禽粪便过量还田，残留在土壤中的N、P等物质渗入地下水，将导致地下水中NO2，N，N03浓度的升高，人若长期或大量饮用，可能诱发癌症20。（2）大气污染研究表明，畜禽养殖场中检测出的有害气体近200种。奶牛、猪、鸡饲料中的70%左右的含氮物质被排泄出来，大量的畜禽粪便如果不及时处理，在高温下，发酵和分解产生的氨气和硫化氢等臭味气体，排放到大气中，会使臭味成倍增加，同时产生的甲基硫醇，二甲基二硫醚，甲硫醚，二甲胺及多种低级脂肪酸等有毒有害气体，污染空气，造成空气中含氧量下降，使动物及人的免疫力下降，呼吸道疾病频发。（3）土壤污染过量施用粪肥除了导致养分流失和引起地表水和地下水污染外，还会

16、造成土壤中盐分和重金属的积累21 。畜禽粪便直接排放于地表，或施用粪肥造成土壤孔隙阻塞，土壤透气、透水性下降，引起土壤板结，尤其是猪粪。为提高动物肉蛋产量，在畜禽饲料中往往使用各种饲料添加剂，如有机化学品、有机砷、铜、锌和铁等，经畜禽粪便浓缩后排入土壤，可造成土壤盐分和重金属的积累。（4）病菌污染禽畜粪便污染物中含有大量的病原微生物、寄生虫卵等，如不能及时妥善处理，会孳生蚊蝇，使环境中病原种类增多、菌量增大，出现病原菌和寄生虫的大量繁殖，造成人、畜传染病的蔓延。据测定，每毫升禽畜场污水中有83万个大肠杆菌、59万个肠球菌22。目前处理禽畜粪便的方法很多，主要包括干燥处理、除臭处理及综合处理（包

17、括发酵法、利用低等动物处理和热喷技术等）。由于厌氧发酵技术具有治理环境污染和开发新能源，同时还能提供优质的有机肥料，所以越来越受到人们的关注。1.2沼气发酵技术概论1.2.1沼气利用概况沼气是由多种有机物在一定的温度、浓度、酸碱度和隔绝空气的条件下, 经过微生物的发酵作用而产生的一种可燃性气体。由于这种气体先是在沼泽、池塘中发现的, 所以称为沼气。沼气是一种混合气体, 其中主要成份是甲烷（CH4）, 占总体积的50%70%, 其次是二氧化碳（CO2）, 占总体积的25%45%。除此之外, 还含有少量的氮（N2）、氢（H2）、氧（O2）、氨（NH4）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H2S）等气体。甲

18、烷、氢气和一氧化碳是可燃气体,主要是利用这部分气体的燃烧来获得能量。由于甲烷在沼气中含量为60%左右, 二氧化碳35%左右,其它成分极少,尤其氧气更少,所以沼气的主要成分是甲烷,故它的性质主要由甲烷来决定。甲烷是一种无色、无毒、无味的高质量气体,比空气轻一半,扩散度比空气快三倍,熔点-182.5,沸点为-161.5,着火点537.当它与适量的空气混合完全燃烧时,产生淡蓝色火焰,最高温度可达1400,并放出大量的热。因为沼气中甲烷含量一般为50%70%,故1m3的沼气完全燃烧,在标准状况下（一个大气压,温度为273K时）可放出17.911325.075KJ的热量,相当于1kg煤,或0.7kg汽油

19、,能发1.25度电24。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

20、气是一种高热值、高品位的能源，它是最合理利用和综合利用生物质能的有效形式，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、蔬菜废弃物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

21、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，可作为能源利用的秸秆约3.5亿吨，约折合1.5亿吨标准煤；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3.5亩森林植被），折合人民币可节约250

22、0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25。表1.1列出了常见发酵原料的沼气产气率、甲烷含量及产气时间26。表1.1 常用发酵原料的产沼气率原料名称每吨干物质产生的沼气量（m3）甲烷含量（%）产气持续时间（d）牲畜厩肥2602805060/猪粪5616560牛粪2805990马粪200300人粪2405030青草63070亚麻梗359玉米秆25053麦秸342松树叶31069杂树叶21029458马铃薯梗叶谷壳65162向日葵梗30

23、0废物污泥640酒厂废水300600碳水化合物75049类脂化合物140072蛋白质9801.2.1沼气发酵基本原理20世纪初，V.L.Omeliansky（1906）提出了甲烷形成的一个阶段理论，即由纤维素等复杂有机物经甲烷细菌分解而直接产生CH4和CO2；从20世纪30年代起，有人按其中的生物化学过程而把甲烷形成分为产酸和产气两个阶段；至1979年，M.P.Bryant等人根据大量的科学事实，提出把甲烷形成过程分为三个阶段，即水解阶段、酸化阶段和甲烷化阶段47，甲烷形成过程的三个阶段如图126；此外，还有人将甲烷形成过程划分为四个阶段，但现在使用较多的为三阶段理论。（一 ） 水解阶段沼气发

24、酵系统中，发酵细菌主要以纤维素、淀粉、脂肪和蛋白质为基质。这些复杂的有机物首先是在水解酶的作用下分解为水溶性的简单化合物。经过水解作用后，多糖分解为可溶性单糖，蛋白质分解为肽或氨基酸，脂肪分解为甘油和脂肪酸。然后这些水解产物可以进入微生物细胞，参与细胞内的生物化学反应。国、内外的研究表明，厌氧消化步骤进行的很快，产酸细菌的最小细胞停留时间只有几个小时，而水解过程进行缓慢，水解反应的速度往往对产甲烷的速度产生决定性的影响，是发酵阶段的“限速步骤”。（二 ） 产酸阶段水解产物进入微生物细胞后，由产氢细菌、产乙酸细菌在胞内酶的作用下，将水解阶段分解的物质进一步分解成小分子化合物。如低级挥发性脂肪酸、

25、醇、醛、酮、氢、二氧化碳、游离态氨等等。其中主要是挥发性脂肪酸、乙酸比例最大，约占80%，故此阶段称为产酸阶段，而参与这一阶段的细菌统称为产酸菌.厌氧发酵基本原理和工艺条件水解阶段和产酸阶段是一个连续过程，可统称为不产甲烷阶段。这个阶段是在厌氧条件下，经过多种微生物的协同作用，将原料中碳水化合物（主要是纤维素和半纤维素）、蛋白质、脂肪等分解成小分子化合物，同时产生二氧化碳和氢气，这些都是合成甲烷的基质。因此，水解阶段和产酸阶段可以被看成是原料的加工阶段，是将复杂的有机物质转化成可供产甲烷细菌利用的基质，这个阶段为大量产生甲烷奠定了雄厚的物质基础。（三 ） 产甲烷阶段这一阶段中，产氨细菌大量繁殖

26、和活动，氨态氮浓度增高;挥发酸浓度下降，为甲烷菌创造了适宜的生活环境，产甲烷菌大量繁殖。产甲烷菌的任务是以不产甲烷阶段发酵产生的乙酸、二氧化碳、氢等为底物，代谢生成甲烷、二氧化碳，完成沼气发酵48。 产甲烷菌只能利用氢气、二氧化碳、一氧化碳、甲酸、乙酸、甲醇及甲基胺等简单物质产生甲烷和组成自身细胞物质。 产甲烷菌产生甲烷的机制如下：1 由酸和醇的甲基形成甲烷。14CH3COOH14CH4+CO2414CH3OH314CH4+CO2+2H2O这一反应过程由施大特曼（stadman）和巴克尔（Barker）及庇涅（Pine）和维施尼（vishhnise）分别于1951和1957年用14C示踪原子标

27、记乙酸的甲基碳原子，结果甲烷的碳原子都标上了同位素14C，二氧化碳则没有标上，证明甲烷是由甲基直接形成。2 由醇的氧化使二氧化碳还原形成甲烷及有机酸。2CH3CH2OH+14CO214CH4+2CH3COOH2C3H7CH2OH+14CO214CH4+2C3H7COOH这是施大特曼和巴克尔于1949年用同位素14CO2使乙醇和丁醇氧化，产生带同位素14C的甲烷，证明甲烷可由CO2还原形成。3 脂肪酸有时用水作为还原剂或供氢体产生甲烷。2C3H7COOH+CO2+2H2OCH4+2H2O4 利用氢使二氧化碳还原形成甲烷4H2+CO2CH4+2H2O这反应是由索根及费舍尔（Fisher）观察到的5

28、 在氢和水存在时，巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkerii）与甲酸甲烷杆菌（Methanobacterium formicicum）能将一氧化碳还原形成甲烷3H2+COCH4+H2O2H2O+4COCH4+3CO249沼气发酵过程理论虽分为三个阶段，然而在实际的沼气发酵过程中，这三个阶段是不能完全孤立分开的，各类细菌相互依赖、相互制约，主要表现在以下几点:（1）、不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长、代谢所必须的底物，产甲烷菌为不产甲烷菌的生化反应解除反馈抑制;（2）、不产甲烷菌为产甲烷菌创造一个适宜的氧化还原条件；（3）、为产甲烷菌消除部分有毒物质;（4）、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持适宜的pH环境。因此不产甲烷细菌通过其生命活动为沼气发酵提供基质与能量，而产甲烷菌则对整个发酵过程起到调节和促进作用，使系统处于稳定的动态平衡中48。1.2.2厌氧发酵工艺条件1.2.2.1严格的厌氧环境厌氧发酵过程中起主导作用的细菌是厌氧细菌，其中包括各类分解菌和产甲烷细菌。在发酵过程中，不产甲烷微生物需在无氧条件下，把复杂的有机物分解成简单的有机酸等;而产气阶段的产甲烷细菌更是严格的专性厌氧菌，少量的氧气就会对其具有毒害作用50。因此，严格的厌氧环境是厌氧发酵的先决条件。在厌氧发酵的过程中，不产甲烷菌中有好氧菌