太陽能加熱的恒溫沼氣池產(chǎn)氣性能實驗研究.pdf

1、能源與環(huán)境是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的熱點問題。以不可再生的化石燃料為基礎(chǔ)的能源消費正在加劇破壞人類賴以生存的環(huán)境，威脅人類的可持續(xù)發(fā)展。開發(fā)利用對環(huán)境友好的可再生能源已經(jīng)成為必然。
　　 太陽能和生物質(zhì)能是資源量大、分布很普遍的兩種可再生能源。生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)和低溫太陽能集熱技術(shù)是目前的兩種成熟技術(shù)。生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)有效地解決了農(nóng)村燃料短缺問題，實現(xiàn)了禽畜糞便的無害化處理及多層次資源化利用，因而受到各國的普遍關(guān)注。然而，厭氧發(fā)酵過

2、程受溫度影響嚴(yán)重，發(fā)酵溫度過低或波動過快，都會影響厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣速率以及沼氣中CH4的含量。現(xiàn)有沼氣池增溫保溫方法有些利用生物質(zhì)、煤炭、電等能源，熱能轉(zhuǎn)化率低，容易產(chǎn)生污染，有些增溫保溫效果差，生物質(zhì)厭氧發(fā)酵過程很難控制。太陽能經(jīng)濟性集熱溫度與恒溫厭氧發(fā)酵溫度的匹配提供了太陽能集熱器與生物質(zhì)厭氧發(fā)酵器集成的基礎(chǔ)。為此，本課題研發(fā)了太陽能加熱的恒溫沼氣池。該系統(tǒng)是將太陽能集熱器收集的太陽能，以水為熱媒供給發(fā)酵罐，來滿足發(fā)酵所需的熱量，使之

3、突破了晝夜、季節(jié)、氣候等不利因素的束縛，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定供能。
　　 為了研究發(fā)酵溫度、發(fā)酵原料對恒溫發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響、太陽能加熱的恒溫沼氣池的產(chǎn)氣性能及其裝置性能和綜合效益，本課題進行了以下研究工作。
　　 1．在四個11.5L的發(fā)酵罐中并行批次實驗研究了19℃、30℃、37℃和52℃下鮮牛糞、鮮牛糞與蓮花菜葉混合原料發(fā)酵過程，并用沼氣分析儀實時測量了沼氣中的甲烷、二氧化碳和硫化氫含量，發(fā)現(xiàn)：(1)牛糞發(fā)酵濃度為8％時

4、，38天內(nèi)52℃、37℃、30℃和19℃下累積產(chǎn)氣量分別為173.12L、187.59L、153.41L和39.12L，發(fā)酵周期分別為22天、22天、27天和36天，發(fā)酵周期內(nèi)累積產(chǎn)甲烷量分別為90.44L、100.47L、79.35L和13.90L，池容產(chǎn)氣率分別為0.71m3/m3·d、0.76m3/m3·d、0.51m3/m3·d和0.10m3/m3·d。37℃時厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量最大，產(chǎn)氣品質(zhì)最好。(2)牛糞發(fā)酵濃度為4％時，22

5、天內(nèi)30℃、37℃和52℃下累積產(chǎn)氣量分別為41.69L、52.30L和55.57L，發(fā)酵周期分別為16天、15天和14天，發(fā)酵周期內(nèi)池容產(chǎn)氣率分別為0.23m3/m3·d、0.32m3/m3·d和0.36m3/m3·d，累積產(chǎn)甲烷量分別為19.07L、24.49L和25.22L，平均甲烷含量分別為51.07％、51.76％和50.63％。與其它溫度相比，盡管52℃下的發(fā)酵周期短，池容產(chǎn)氣率高，但沼氣品質(zhì)卻最差。(3)牛糞與蓮花菜葉VS

6、質(zhì)量比為3、混合原料發(fā)酵濃度為8％時，52℃、37℃和30℃實驗組累積產(chǎn)氣量分別為201.83L、225.18L和195.76L，發(fā)酵周期分別為31天、42天和58天，池容產(chǎn)氣率分別為0.65m3/m3·d、0.54m3/m3·d和0.34m3/m3·d，累積產(chǎn)甲烷量分別為99.31L、117.96L和102.10L，平均甲烷含量為49.20％、52.38％和52.16％。牛糞和蓮花菜葉混合厭氧發(fā)酵可以顯著地提高牛糞和蓮花菜葉的厭氧發(fā)酵

7、轉(zhuǎn)化率。在試驗條件下，發(fā)酵周期內(nèi)30℃、37℃和52℃混合原料厭氧發(fā)酵比牛糞單一原料厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣量提高了7.00％、34.08％和22.16％。VS質(zhì)量比為3時，最適發(fā)酵溫度為37℃；自然發(fā)酵無法啟動混合原料發(fā)酵，應(yīng)減少蓮花菜的含量，減小VFA對產(chǎn)甲烷菌的抑制作用，需要實時調(diào)節(jié)pH。
　　 2．在環(huán)境平均溫度為8.6℃下，太陽能加熱的恒溫沼氣池能夠在30±2℃下穩(wěn)定運行，總固體濃度為7％時產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在第11天，產(chǎn)氣量高達(dá)2

8、.059m3/d;最大料容產(chǎn)氣率0.86m3/m3.d，發(fā)酵周期為28天；若系統(tǒng)運行正常，對4～5口之家，只需3m3的沼氣池即可滿足全天的燒水做飯需求。太陽能加熱的恒溫沼氣裝置的財務(wù)凈現(xiàn)值NPV(i=10％)為8573元，內(nèi)部收益率FIRR為43.64％，益本比為2.80，動態(tài)投資回收期為2.9年。根據(jù)目前甘肅省農(nóng)村的日常用能方式，則炊事時CO2年減排量可達(dá)2.35×107t，沼氣替代秸稈、薪柴和煤炭對CO2減排的貢獻(xiàn)分別為47.47％

9、、40.80％和11.73％。
　　 本課題的創(chuàng)新點在于：(1)實驗研究了溫度對恒溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣能力的影響，發(fā)現(xiàn)了37℃時厭氧發(fā)酵的產(chǎn)甲烷量最大，產(chǎn)氣品質(zhì)最高；(2)研發(fā)了新型的太陽能加熱的恒溫沼氣池，該中試裝置在蘭州地區(qū)冬季工況下可以穩(wěn)定生產(chǎn)沼氣。
　　 本課題研發(fā)的太陽能加熱的恒溫沼氣池，突破了北方地區(qū)時間、季節(jié)、氣候變化對生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的束縛，有效地解決冬季沼氣產(chǎn)氣率低，產(chǎn)氣不穩(wěn)定的問題。與傳統(tǒng)沼氣池保溫增溫方法相