太阳能加热的户用沼气发酵装置的设计与实验研究

【摘要】： 在我国西北严寒地区,由于冬季气温、地温低,沼气的生产存在产气率低、使用率低等问题,甚至会出现冻裂沼气池的现象。本文针对这一问题,结合西北地区太阳能资源丰富的特点,将太阳能中、低温集热系统与沼气发酵装置结合,设计出一套适合农户家庭需要的太阳能加热的沼气发酵装置,解决冬季西北地区沼气池不能产气的问题。 研究内容及成果主要包括以下几个方面: 1.设计一整套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。首先根据农户对沼气的需求量确定沼气池的容积并对池体结构进行优化设计。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。通过沼气发酵装置的热平衡分析,计算出在西北地区冬季实际气候条件下保证本装置运行所需的太阳能集热器的集热面积以及蓄热水箱的大小。 2.将装置置于冬季环境条件下进行实验测试,实验过程中监测料液的pH值变化,产气量大小,以及系统中各部分的温度变化。通过对pH值以及产气量数据的监测确定发酵过程的稳定性以及发酵装置的产气性能,通过对系统各部分的温度监测可以得到本套装置的升温特性以及保温特性。实验结果表明本套装置具有良好的升温、保温效果。 3.采用动态经济分析方法对整个系统的经济性做出分析。通过计算本系统的的财务净现值NPV(i=10%)、内部收益率IRR、益本比和投资回收期这四项指标,验证本系统得经济可行性,分析结果表明四项评价指标均符合要求。本套装置的推广可以产生良好的经济效益,具有很好的发展前景 4.通过对太阳能加热的沼气发酵装置的生态效益和社会效益的分析得出,本套装置的推广和使用具有较好的生态以及社会效益。 课题的研究取得了一定的成果,但仍存在一些问题有待进一步解决。通过进一步的研究,提升系统各方面的性能后,可以在农村地区进行推广使用,提高可再生能源的在我国能源结构中的比重。 【关键词】：太阳能 沼气 温度 发酵装置
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题背景10
• 1.2 可再生能源利用状况10-14
• 1.2.1 太阳能利用状况11-12
• 1.2.2 沼气使用状况12-14
• 1.3 生物质厌氧发酵技术的不足及对本课题的启示14-16
• 1.4 本课题研究的目标、思路、内容和意义16-18
• 1.4.1 研究目标16
• 1.4.2 研究思路16
• 1.4.3 研究内容16
• 1.4.4 研究意义16-18
• 第2章 沼气发酵基本理论18-25
• 2.1 沼气发酵的基本原理18-19
• 2.2 沼气发酵工艺条件19-25
• 2.2.1 严格的厌氧环境19
• 2.2.2 发酵温度19-20
• 2.2.3 发酵原料20-23
• 2.2.4 接种物23
• 2.2.5 搅拌23
• 2.2.6 pH值与碱度23-25
• 第3章 太阳能加热的户用型沼气发酵装置的设计25-39
• 3.1 传统户用型沼气池分析25-27
• 3.2 厌氧发酵罐装置的设计27-31
• 3.2.1 厌氧发酵罐的尺寸设计27
• 3.2.2 厌氧发酵罐罐体形状优化27-28
• 3.2.3 发酵罐罐体材料的选择28-29
• 3.2.4 罐体厚度的计算29-30
• 3.2.5 内压封头设计30
• 3.2.6 容器最小壁厚30-31
• 3.2.7 罐体保温层设计31
• 3.3 发酵装置能量平衡分析31-34
• 3.3.1 发酵罐罐体热损失计算32-34
• 3.3.2 加热料液需要的热量34
• 3.4 太阳能加热系统的设计34-37
• 3.4.1 太阳能集热器的设计34-37
• 3.4.2 蓄热水箱的设计37
• 3.5 本章小结37-39
• 第4章 太阳能加热的户用型沼气发酵装置的实验研究39-43
• 4.1 实验仪器设备39
• 4.2 实验材料及其配备39-40
• 4.2.1 实验材料39-40
• 4.2.2 发酵原料的配备40
• 4.3 实验方法40
• 4.4 测试分析方法40-42
• 4.4.1 产气量40-41
• 4.4.2 pH值41
• 4.4.3 温度测试41-42
• 4.5 本章小结42-43
• 第5章 实验结果与分析43-53
• 5.1 产气量变化43-44
• 5.2 pH值变化44-45
• 5.3 温度测试结果45-52
• 5.3.1 当地冬季日气温变化45-46
• 5.3.2 实验周期内各部分温度变化46-48
• 5.3.3 不同阶段、不同天气情况下料液温度变化48-50
• 5.3.4 系统各部分温度变化50-52
• 5.4 本章小结52-53
• 第6章 太阳能加热的户用型沼气罐的综合效益分析53-59
• 6.1 系统的经济效益评价53-57
• 6.1.1 投入的生产费用53-54
• 6.1.2 产出效益54-55
• 6.1.3 计算方法55-56
• 6.1.4 计算结果56-57
• 6.1.5 经济性评价总结57
• 6.2 系统的生态效益评价57
• 6.2.1 有效保护森林资源57
• 6.2.2 减少温室气体排放57
• 6.3 社会效益57-58
• 6.4 本章小结58-59
• 结论与展望59-61
• 1 结论59
• 2 尚待解决的问题59-60
• 3 创新点60
• 4 展望60-61
• 参考文献61-67
• 致谢67-68
• 附录A 攻读学位期间发表的论文68-69
• 附录B 攻读学位期间申请的专利69-70
• 附录C 攻读学位期间申请的科创基金项目70

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