寒区沼气工程热能损耗分布规律及节能途径探讨

热能损耗是制约沼气工程在北方寒冷地区发展的瓶颈问题。全面系统分析沼气工程全年热能损耗,探寻其分布规律,是实现沼气工程节能降耗的基础和前提,也是全面科学评价沼气工程加热系统合理有效地利用能源,提高能源利用率的依据。沼气工程热能损耗主要包括工程新投入的发酵原料温升所需的耗热量和厌氧发酵反应器的传热耗热量2部分。该文以月为单位建立了沼气工程各项热能损耗的计算模型,并将模型应用到黑龙江省哈尔滨市一中温厌氧发酵的沼气工程中,获得了沼气工程全年各月热能损耗量。结果表明,在厌氧发酵反应器各月的总热能损耗中,厌氧发酵反应器围护结构的传热耗热量占总耗热量的比例约为70%～90%,厌氧发酵反应器节能的关键在于围护结构的节能,减小反应器的体形系数,增大围护结构导热热阻,可有效降低厌氧发酵反应器能耗;在各月沼气工程的总热能损耗中,发酵原料温升能耗占沼气工程总能耗的比例约为85%～95%,此项能耗是沼气工程加热系统能源消耗过程中的薄弱环节,回收沼气工程排出沼液中的余热,是实现沼气工程节能降耗的有效途径;通过对各月沼气工程产能与总热能损耗的对比分析,沼气工程热能损耗量占产能量的比例约为15%～37%,沼气工程在保证正常的中温厌氧发酵的情况下,产能量远大于热能损耗量,在北方寒冷地区实现沼气工程正能输出是可能的。该文研究结果可为今后全面科学合理评价沼气工程用能状况,减少用能过程的损失和浪费,实现沼气工程低能耗、高产能提供参考依据。     

高寒地区沼气发酵料液加热增温装置传热特性

在北方高寒地区,为了保证沼气厌氧发酵所需的稳定温度,同时考虑到沼气生产的成本和能量平衡等因素,本研究提出以沼气生产系统自身产出的沼气为燃料,以沼气热水锅炉为热源,通过水—发酵料液换热器对进入发酵反应器的料液进行加热增温的模式,并应用威尔逊图解法,对加热增温系统所选用的水-发酵料液浸没蛇管式换热器的传热特性进行了试验研究,得到了换热器壳侧水的表面传热系数、管内侧发酵料液的表面传热系数等参数的变化规律。该研究结果将为今后加热发酵料液用浸没蛇管式换热器的理论计算和结构设计提供依据。     

寒区低能耗厌氧发酵反应器热工性能参数研究

厌氧发酵反应器是沼气工程中的核心装置,研究寒区低能耗厌氧发酵反应器,不仅有助于降低沼气工程的能量损耗,提高耗能与产能的产出比,而且对大中型沼气工程在北方寒冷地区的推广与应用尤为重要。低能耗厌氧发酵反应器围绕的核心问题就是在保证反应器厌氧发酵功能的前提下,能的"量"和"质"合理有效利用程度。该文以建筑于地上全混合式厌氧发酵反应器为研究对象,采用能量分析和?分析方法,从反应器的体形、围护结构保温性能以及低?供热方式等方面对寒区低能耗厌氧发酵反应器节能特性进行了分析和研究,得到了低能耗厌氧发酵反应器最佳体形为高径比为1∶2的圆柱形;提出了哈尔滨、沈阳、北京地区在冬季室外计算温度下不同规模节能型反应器顶部、侧壁围护结构导热热阻的阈值;中温厌氧发酵反应器低?热水供热系统进出口温度分别为45和38 ℃,供热系统?效率为86%,反应器供能与用能间能级差为0.018,表明能级匹配合理,用能效率较高。该研究结论可为今后寒区低能耗厌氧发酵反应器的节能设计提供参考依据。     

寒区低能耗厌氧发酵反应器热工性能参数确定

厌氧发酵反应器是沼气工程中的核心装置,研究寒区低能耗厌氧发酵反应器,不仅有助于降低沼气工程的能量损耗,提高耗能与产能的产出比,而且对大中型沼气工程在北方寒冷地区的推广与应用尤为重要。低能耗厌氧发酵反应器围绕的核心问题就是在保证反应器厌氧发酵功能的前提下,能的"量"和"质"合理有效利用程度。该文以建筑于地上全混合式厌氧发酵反应器为研究对象,采用能量分析和■分析方法,从反应器的体形、围护结构保温性能以及低■供热方式等方面对寒区低能耗厌氧发酵反应器节能特性进行了分析和研究,得到了低能耗厌氧发酵反应器最佳体形为高径比为1∶2的圆柱形;提出了哈尔滨、沈阳、北京地区在冬季室外计算温度下不同规模节能型反应器顶部、侧壁围护结构导热热阻的阈值;中温厌氧发酵反应器低■热水供热系统进出口温度分别为45和38℃,供热系统■效率为86%,反应器供能与用能间能级差为0.018,表明能级匹配合理,用能效率较高。该研究结论可为今后寒区低能耗厌氧发酵反应器的节能设计提供参考依据。     

寒区沼气工程地下水源热泵加热系统能效分析

在北方寒冷地区,沼气工程加热系统如何能有效、合理地利用能源,提高能源利用率,是沼气工程实现低能耗,高产能必须解决的现实问题。该文依据地下水源热泵加热系统在沼气工程中应用的实例,建立了以?效率、热效率以及能级系数为评价准则的沼气工程加热系统能效分析模型,并通过对加热系统实际运行参数的测试,得到了沼气工程用户系统?效率为97.8%,地下水源热泵机组系统?效率为13.4%,沼气工程加热系统总的?效率为13.1%;加热系统总的热效率为85.3%;沼气工程用户耗热量的能级系数为0.161,用户供给热量的能级系数为0.164,地下水源热泵机组的能级系数为0.567。结果表明,对于沼气工程低品位热能用户,采用低温水供热科学合理;热泵机组系统回收了地下水中低品位热能,节约了高品位电能,加热系统能的数量有效利用程度较高;但热源与用户之间供需能质存在差异,在能质利用方面还需进一步完善。该结论可为今后沼气工程选择合理的加热模式提供参考依据。     

覆膜槽沼气规模化干法发酵技术与装备研究

研制了以覆膜槽生物反应器(MCT)为核心的沼气规模化干法发酵系统。该系统采用"软管充气膨胀压力密封联接装置",实现了反应器厌氧―好氧状态的快捷转换,解决了大规模快速进出料的问题,并可直观判断反应器中沼气的存留量,操作简便、安全;利用固态有机物料好氧发酵产生的生物能获得中温厌氧发酵所需温度,并辅以高效的保温措施,无需外加热源,即可维持厌氧发酵的中温(35～42℃)运行;采用单元化设计,通过增减启动厌氧反应器的数量,可满足不同用气量的要求。建设了生物反应器容积为180 m3的沼气干法发酵中试工程。该中试工程容积产气率为0.598 m3/(m3.d),沼气甲烷含量55%～60%。     

太阳能与发电余热复合沼气增温系统设计

为了实现大中型沼气工程在北方寒冷地区的应用推广。该文针对北方寒冷气候特点,以哈尔滨双城市沼气工程为例构建了1套太阳能-发电余热中温厌氧发酵增温系统,阐述了该增温系统的设计原理,并对沼气发酵热负荷、发电机组余热回收利用率、太阳能集热装置热效率等关键参数进行了理论计算。计算得出该沼气工程全年平均每日热量的损失为6659.2 MJ,太阳能-发电余热中温厌氧发酵增温系统全年平均每日集热量为7017.6 MJ。通过对增温效果与该工程的热量损失进行对比,表明12、1、2月份系统需沼气发电机组额外提供372.2、369.4、208.3 kWh电量增温,其余月份系统可以实现发酵工程每日热量损失的补充,保证该工程的稳定运行。在8月份对示范工程的一次发酵罐体进行了增温效果测试,表明该增温系统在28 d左右可将该发酵罐内物料温度提升到中温发酵水平。该文为北方寒冷地区大中型沼气增温保温设备的配套建设提供参考。     

进料浓度对玉米秸秆与牛粪全混式厌氧发酵特征影响研究

目前,中国大多数沼气工程均采用农作物秸秆与畜禽粪便为主要原料,但对于实际沼气工程的工艺控制,尤其是对于沼气工程进料混配及发酵浓度等控制工艺仍缺少参考和支撑。该研究采用玉米秸秆与牛粪原料,在中温条件下,利用纯牛粪、纯秸秆以及秸秆与牛粪干物质比(S:CM)=1:1、1:3、3:1条件的混合原料,按照不同干物质浓度(total solid,TS)=3%、6%、8%,梯次启动CSTR反应器,系统探讨物料配比与发酵浓度对反应器产气量、甲烷体积分数、pH值、氧化还原电位(oxidation-reductionpotential,ORP)、挥发酸(volatilefattyacids,VFAs)含量等运行特征的影响。结果表明,正常运行时,纯秸秆与纯牛粪条件下厌氧发酵产气效果显著低于混合原料,且所有条件下反应器的产气量基本都随着发酵浓度升高而升高。在发酵浓度为8%条件下,S:CM=3:1和1:1的反应器容积产气率在运行130和150 d后分别达到峰值0.78和0.76 L/(L·d)。随着反应器的持续运行,170 d后各反应器的产气率与pH值降低,而VFAs与ORP升高。S:CM=3:1和1:1的反应器容积产气率降低至0.6 L/(L·d),pH值降低至6.5左右。这主要是由于恒定的搅拌功率条件下,随着反应器内TS升高,搅拌转速降低,进而在反应器内产生搅拌死区与浮渣等问题,导致反应器内局部酸化,造成系统整体失稳。在启动期间,所有5个条件下反应器内ORP呈缓慢上升趋势。运行172 d后,S:CM=1:1条件下ORP迅速增加至高于–300 mV。总体而言,厌氧系统中VFA浓度随着进料中秸秆比例增加而增加,且丙酸积累发生并变得更加严重。这也在一定程度上表明,与采用秸秆与粪便混合原料厌氧发酵相比,采用纯秸秆原料厌氧发酵生产沼气厌氧反应器的运行稳定性较差。     

北京大中型沼气工程冬季运行状况及发酵前后物料理化生物特性

为了解北京市大中型沼气工程冬季运行情况及发酵剩余物理化特性,该文实地调查了北京市29座沼气工程冬季运行情况,以调研问卷的形式了解沼气工程运行状况,并采样分析了发酵原料、沼渣和沼液样品的养分含量、粪大肠菌群数、铜、锌、砷、铅等指标。结果表明:北京29座冬季运行的沼气工程中主要以畜禽粪便为原料,其中有20座沼气工程采用猪粪进行厌氧发酵,厌氧消化反应器类型主要是全混式厌氧反应器和升流式厌氧固体反应器,沼气以供周边农户使用为主,沼渣和沼液以农田利用为主,从区域沼气工程运行状况来看,房山区的沼气工程运行状况相对较好,大兴区和顺义区的沼气工程运行状况参差不齐;所调研沼气工程沼渣和沼液的pH值适宜向农田施用,沼渣的EC值相对原料平均下降了56.97%,沼渣有机质和可挥发性固体的质量分数相对原料分别降低了20.99%和27.93%,沼渣的养分质量分数较高,沼液的养分质量浓度较低,沼渣中的粪大肠菌群数和沼液的化学需氧量、粪大肠菌群数整体偏高,有6座沼气工程的砷含量较高。调查结果可为北京市沼气工程冬季运行效果及沼渣沼液资源化利用提供基础数据,促进北京市沼气工程的可持续发展,提高生态和经济效益。     

畜禽养殖场沼气工程厌氧消化技术优化分析

为推进畜禽养殖场沼气工程高效运行,提高其厌氧消化效率,该文选择了3座沼气工程,对其厌氧消化工艺、工程运行管理和投入产出情况进行分析探讨。在此基础上,提出中国畜禽养殖场沼气工程建设厌氧消化技术的优化运行方案：完全混合式厌氧反应器、升流式固体反应器和高浓度推流式反应器适用于高悬浮固体浓度、高固体发酵原料的“能源生态型”沼气工程;与厌氧消化工艺相匹配的要素是沼气工程日常调控的重点;热电肥联产能够实现沼气工程效益的最大化;利用太阳能加热、沼液回用发酵可以节约能源,降低工程运行成本。     

立式连续干发酵装置的设计与产气特性

该研究设计的立式连续干发酵装置的几点特色包括搅拌升温调节罐、多点分布式进料、立式连续干发酵反应器和熟料回流混合过程,形成一种高固体浓度有机废弃物制取生物燃气的工艺方法及其发酵系统,可实现沼气工程的快速启动、厌氧发酵罐内无需搅拌、且节能,节水,减少沼液沼渣的排放量,保护环境,降低成本。采用上述设计的反应器进行发酵试验,研究熟料回流对产气特性的影响得出,应用回流的各组挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,VFA)都有所降低,且回流比为1:7的VFA含量最低,氨氮没有累积,C/N接近25,产气效果最好。回流比1:9组,VFA含量累积最高,同时出现氨氮抑制产气的现象,所以得出熟料回流量过多,厌氧发酵系统就会受到抑制,且熟料回流对沼气中甲烷含量没有显著影响。     

全混式厌氧发酵池加温负荷模型及其影响因素试验研究

沼气工程全混式厌氧发酵池加温负荷计算准确性关系到整个系统设计合理性、运行稳定性和系统经济性,明确加温负荷模型并了解主要因素对其影响特性非常重要。针对上海实际沼气工程全混式厌氧发酵池热过程,建立加温负荷物理和数学模型,为分析加温负荷各组成部分的大小、对全年加热量的影响,提出月平均负荷百分比、月围护结构散热率、月平均池容日负荷、全年池容总加温负荷以及设计池容加温负荷5个指标。考察不同发酵温度和顶膜保温层厚度等主要因素对加温负荷的影响得出:上海地区发酵温度为(30±1)、(35±1)℃的加温负荷约是发酵温度为(25±1)℃的1.54和1.94倍;发酵温度35℃相对于发酵温度30℃,总加温负荷增加约40%,同时热量获得的难度加大,源侧进水温度相同时热泵机组制热能效比(coefficient of performance,COP)下降约0.6;确定经济发酵温度为30℃;通过对比顶膜采用橡塑保温层厚度分别为0、25、50和75 mm对加温负荷的影响,得出每增加25 mm橡塑保温层后围护结构散热负荷减少率为67.99%、16.49%和7.28%,总加温负荷减少率为48.02%、7.17%和2.85%,确定上海地区顶膜经济保温层厚度为50 mm。根据模型计算加温负荷结果与实际工程试验计算结果相比,相对误差在0.6%~7.8%之间,结果可以为沼气工程加温负荷计算和保温层厚度提供参考。     

柔性膜覆盖车库式厌氧干法发酵系统结构设计与应用

针对目前厌氧发酵中沼液沼渣量大难处理、原料预处理难、耗水量大、原料适应性差等问题,导致沼气工程运行成本高、效率低、劳动强度大、费工费时,该文设计一种柔性膜覆盖车库式厌氧干法发酵系统,可适用于多元有机物料混合厌氧发酵。该系统是将国外车库式干发酵技术和国内柔性膜覆盖技术耦合研制而成,根据厌氧干发酵生产工艺要求,确定了该发酵系统关键结构参数和运行工作参数,进行了干发酵库体的结构设计、冬季发酵增温系统设计、喷淋强化传质传热系统设计与试验。通过生产应用表明:干发酵库体的结构设计合理,增温系统设计能够满足干发酵工程冬季增温工艺要求,喷淋系统能够达到传质传热目的,发酵系统运行状况良好,产气率为0.81 m~3/(m~3·d),CH_4体积分数为67%,原料降解率为48%,该发酵系统运行稳定、可靠,大大提升了处理农村有机废弃物的能力,促进了厌氧干发酵技术的持续、健康、快速发展。     

餐厨垃圾干发酵滚动式质热交换反应器设计与性能试验

为解决干式厌氧发酵传质传热效果差,易造成微生物生长代谢不均匀等问题,该研究设计一款反应器,利用罐体滚动代替搅拌,使底物自由混合,大幅度解决了干式发酵的阻碍。通过中温批次发酵验证反应器性能,并与搅拌式反应器进行对比,结果表明:滚动式反应器发酵过程中甲烷体积分数最高达74.89%;发酵前期挥发性脂肪酸有一定程度的积累,但在中期被迅速消耗,且未对产气和pH值造成明显影响;底物挥发性固体去除率高达68.74%,发酵体系稳定。微生物群落结构随着发酵进行,不同时期呈现动态变化,厚壁菌门(Firmicutes)是发酵体系中绝对的优势细菌门,最主要的古菌门是广古菌门(Euryarchaeota)。混合营养型的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)伴随着发酵的推进成长为绝对优势甲烷菌属。     

基于能值分析的奶牛产业园区循环发展模式评价

以沼气工程为纽带的循环农业模式是降低农业产业园区废弃物污染、提高资源利用率的有效方式。该研究构建了适合园区规模的循环农业模式能值评价指标体系,以河北省某典型奶牛产业园区为案例,将园区现行的利用全混式厌氧反应技术(Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR)的湿法单相厌氧消化沼气工程,与湿法两相耦合厌氧消化、干法序批式厌氧消化、干法连续式厌氧消化3种不同沼气工程模式进行对比,运用能值理论及计算方法对以沼气工程为纽带的农业产业园循环模式进行了评价,选择最适宜园区发展的沼气工程模式。结果表明,该园区能值投入率为17.57,能值产出率为0.41,环境负载率0.33,可持续发展指数1.23,以CSTR湿法单相厌氧消化沼气工程为纽带的循环农业模式整体效益优于其他3种模式。研究对其他园区的循环农业模式评价和以沼气工程为纽带的循环农业发展具有借鉴意义。     

基于电子流守恒理论的秸秆厌氧发酵产气预测

目前关于厌氧产气的预测仍然较为粗略,该文综合考虑了物料成分及降解性能,微生物的同化异化,氮源,提出了一种基于电子流守恒理论的厌氧发酵产气预测方法。在假设秸秆各组分充分降解的情况下对秸秆厌氧发酵的最大产气量进行预测,并通过参考数据对其进行了验证,结果表明与试验值相比预测值最小误差为0.3%,平均误差10.2%,可以较准确的预测出秸秆厌氧发酵的最大产气量。该文进一步通过此方法对中国主要的3种秸秆的厌氧发酵最大产气量以及在实际工程条件下的秸秆产气量进行了预测。此方法的提出为预测秸秆最大产气量以及秸秆在工程中产气性能提供了参考,计算较为方便,也提高产气预测的准确性。     

畜禽粪便与秸秆厌氧-好氧发酵气肥联产碳氮元素变化研究

传统沼气工程的气肥联产工艺中,厌氧发酵产气与好氧发酵产肥互相独立,产气和产肥周期均较长、有机肥品质差,影响工程的高效运行。为缩短发酵周期、提高产气效率和有机肥品质,该研究将猪粪、鸡粪和秸秆混合进行15和30 d的干法厌氧发酵,将得到的沼渣添加秸秆辅料混合,分别设置65%和70%的发酵物料初始含水率进行15 d的高温好氧发酵,对比分析了不同厌氧-好氧发酵组合对产气和产肥的影响。结果表明:厌氧发酵阶段,混合物料的日产气率自发酵开始后逐渐上升,并在第8天达到最高峰,至第15天降至峰值的50%以下,此时累积产气量达到30 d发酵周期的71%,平均容积产气率达到1.91 m~3/(m~3?d),比发酵30 d平均容积产气率高41.5%。好氧发酵阶段,各处理组碳元素含量持续下降,氮元素含量先下降后增加,所得发酵产物均达到腐熟标准。采用15 d厌氧发酵所获得的沼渣进行好氧发酵,所得发酵产物的电导率、腐殖化程度和发芽指数均优于采用30 d厌氧发酵所获得的沼渣进行好氧发酵所得的发酵产物,同时总有机碳和总氮含量也较其分别提高了6.0%～21.7%和3.0%～10.2%,不同好氧发酵物料初始含水率对发酵产物的品质影响较不明显。因此,采用厌氧、好氧发酵周期均为15 d的组合,可缩短发酵周期、大幅提高产气效率和发酵产物的碳氮营养元素含量,有利于提高沼气工程运行效率和经济效益。