太陽能加熱的回熱回質型三級恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)性能研究.pdf

1、太陽能和生物質能是農(nóng)村可廣泛獲取的可再生能源，它們的高效低成本利用對改善農(nóng)村人居環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和滿足農(nóng)村多層次的能源需求有重要作用。
　　 基于太陽能經(jīng)濟性集熱溫度(65℃)與生物質高效恒溫厭氧發(fā)酵溫度(30℃、37℃和52℃)相匹配的特點，本團隊前期提出了太陽能加熱的三級恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)并進行了性能研究。研究過程中發(fā)現(xiàn)：發(fā)酵原料在進入恒溫發(fā)酵罐前，通常需要用水稀釋到一定濃度，然后用太陽能加熱到發(fā)酵溫度(30℃、37℃和52℃)

2、；而在排料時，一方面，很大一部分熱量會隨著排料損失掉，另一方面，大量水分也隨著系統(tǒng)排料損失掉，不僅增加了沼液的存儲成本，而且浪費大量水資源。
　　 為了充分利用太陽熱能并回收利用水資源，本課題提出了太陽能加熱的回熱回質型三級恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)，其原理是利用沼氣系統(tǒng)30％的沼液替代自來水稀釋發(fā)酵原料，并盡可能回收利用沼液沼渣中的余熱。實驗研究了在30℃、37℃和52℃牛糞TS為8％的恒溫厭氧發(fā)酵機理，對太陽能加熱的三級恒溫沼氣生產(chǎn)系

3、統(tǒng)和添加回熱回質器后的新系統(tǒng)做了全年熱損失模擬，并應用相似原理設計了1/5倍回熱回質器實驗模型。本課題主要研究內容和結果如下：
　　 (1)實驗研究了在30℃、37℃和52℃牛糞TS為8％的恒溫厭氧發(fā)酵機理。恒溫厭氧發(fā)酵實驗結果表明：30℃、37℃和52℃發(fā)酵條件下，累積產(chǎn)氣量分別為153.41L、187.59L、173.12L；37℃日產(chǎn)氣量在第10天達到峰值7.32L，而對37℃和52℃的發(fā)酵罐，前期日產(chǎn)氣量幾乎沒有下降就分

4、別在第3天和第6天達到了產(chǎn)氣高峰，分別是17.02L和13.91L，之后由于營養(yǎng)物質減少，日產(chǎn)氣量逐漸下降。相對于常溫發(fā)酵，30℃具有最優(yōu)的產(chǎn)氫菌活性，所以沼氣產(chǎn)量相對較好，52℃具有最優(yōu)的產(chǎn)甲烷菌活性，所以產(chǎn)氣量大，37℃兼有兩者特點。根據(jù)以上特點，由于52℃有著更快的產(chǎn)氣速率和更高的產(chǎn)氣峰值，當發(fā)酵原料充足時，首選52℃發(fā)酵。從系統(tǒng)能耗角度考慮，則應該結合不同季節(jié)和不同地區(qū)氣候特點，選擇合適的溫度進行發(fā)酵。
　　 (2)設計

5、了回熱回質器，并結合蘭州地區(qū)的年溫度和太陽輻射強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對太陽能加熱的三級恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)和添加回熱回質器后的新系統(tǒng)做了性能研究。新系統(tǒng)在回用30％沼液條件下，每日節(jié)水0.405m3，全年節(jié)約145.8m3。全年日平均環(huán)境溫度在-11.8～26.9℃之間變動時，回熱回質器在30℃、37℃和52℃發(fā)酵條件的換熱時間分別為41min、38min和27min，每級原料初始溫度由5℃分別提高到了17.5℃、21.0℃和28.5℃，排料溫度相

6、應的從30℃、37℃和52℃降低到了17.5℃、21.0℃和28.5℃。在30℃、37℃和52℃發(fā)酵條件下，新系統(tǒng)全年熱損失分別為45948.4MJ、44230.1MJ和74143.3MJ，全年回收能量分別為28711.2MJ、36750.5MJ和53972.9MJ；日節(jié)能率分別為30.3％～48％、31.8％～44.8％、33.8％～41.6％，全年節(jié)能率分別為39％、38.3％和37.7％。原系統(tǒng)正常運行需要的太陽能集熱器最小面積為

7、71m2，可保證12月到2月系統(tǒng)運行在30℃，3月份運行在37℃，4月份開始升至52℃，5月到8月運行在52℃，9月到11月三個發(fā)酵罐分別運行在30℃、37℃和52℃。添加回熱回質器后，新系統(tǒng)正常運行需要的太陽能集熱器最小面積降低到了47.4m2。按照原系統(tǒng)71m2的集熱器面積，除1月份外，其余月份新系統(tǒng)的三個發(fā)酵罐均可運行在52℃。
　　 本課題的創(chuàng)新點在于：提出了太陽能加熱的回熱回質型三級恒溫沼氣生產(chǎn)系統(tǒng)并揭示了其熱力學經(jīng)濟