农村沼气池中温发酵经济加温热源的研究与开发

本文介绍一种使农村沼气池实现中温发酵的新技术。该技术的关键部分是一套回收沼气——柴油发动机余热的高效热回收装置。该装置不另消耗其它能源,回收的发动机余热可以完全补偿沼气池的热损失,是适用于中温发酵的经济加温热源。这项技术的推广应用,将为农村沼气池常年均衡高效产气、使沼气成为可靠的农村能源作出重大贡献。     

干法发酵沼气工程无热源中温运行及效果

该文提出了覆膜槽干法发酵沼气工程在无热源条件下实现中温运行的方法：首先使固体生物质原料好氧发酵,利用好氧发酵产生的生物能,获得中温沼气发酵（20～45℃）上限的初始温度,通过加强反应器的保温,不用外加热源,实现干法发酵沼气工程中温运行。试验结果显示：物料温度的变化平缓,物料温度日下降幅度最大为0.5℃（第9天）,最小不到0.1℃（第3天）;发酵物料温度由初始时的40.6℃,逐渐下降为沼气发酵结束时的35.4℃,始终处于中温沼气发酵的较高温度范围内;平均容积产气率为0.598 m3/(m3·d),甲烷55%～60%。因此,利用好氧发酵的生物能,使物料获得中温沼气发酵范围内较高的初始温度,在沼气发酵过程中,通过加强保温,不用外加热源,实现干法沼气工程的中温运行是完全可行的。     

微生物预处理油菜秸秆对提高沼气产量的影响

为研究微生物预处理技术对秸秆发酵制沼气的影响,采用混合菌剂对油菜秸秆进行预处理,利用红外光谱分析仪和扫描电子显微镜对预处理前后的秸秆进行分析。结果表明,混菌共发酵预处理11 d后油菜秸秆的纤维素、木质素、半纤维素降解率分别达到了37.4%、28.9%和29.9%。混菌共发酵预处理使油菜秸秆的木质纤维素内部结构发生较大改变,产生很多裂缝和空洞。以油菜秸秆为原料进行沼气发酵试验,发现预处理后的秸秆日产气量最高峰值较未处理的提高了37.6%,累计产气量提高了17.8%。由此可见,通过混合菌剂降解油菜秸秆中的纤维素、木质素和半纤维素,可促进秸秆生物质转化为沼气。     

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。     

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。     

二氧化碳辅助发酵葡萄的干制和发酵工艺优化

为了开发经发酵前处理的新型葡萄干产品,该文以新鲜葡萄为原料,以发酵后葡萄总酚质量浓度与平均干燥速率为指标,在单因素试验基础上,利用正交试验设计对发酵葡萄的最佳发酵工艺条件进行了优化。利用福林酚法测定总酚质量浓度,用热风干燥箱进行干燥并测定平均干燥速率。结果表明:二氧化碳发酵葡萄的最佳工艺条件为:压强0.14MPa、温度36℃下发酵72h。该条件下的葡萄总酚质量浓度和平均干燥速率综合值可达最大,分别比不经处理的葡萄高48.3%和44.6%。说明二氧化碳发酵葡萄干是一种富含高总酚含量的新型产品,二氧化碳发酵后再干燥也是一种具有应用价值的新型干制工艺。     

蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气的试验研究

该文以废弃的甘蓝菜叶为发酵原料,在实验室自行设计的小型沼气发酵装置上进行了厌氧发酵试验,通过测定发酵过程中发酵液和沼气的各项指标,对蔬菜废弃物厌氧发酵的可行性及接种物浓度对发酵过程的影响进行了研究.结果表明,蔬菜废弃物用厌氧发酵工艺处理是可行的;在试验采用的20%,30%,50%三个水平的接种物浓度中,接种物浓度为30%的实验组的挥发酸含量、氨态氮含量以及pH值都在正常范围内,总产气量和沼气中最高甲烷含量分别为7790.81 mL和42.814%,明显高于其他两组及空白组实验.该项研究对蔬菜废弃物的资源化利用提供了有益的参考.     

花生秧厌氧发酵产沼气试验

试验以花生秧为原料,采用厌氧发酵工艺,对其沼气发酵潜力进行研究,结果表明花生秧沼气发酵潜力达0.349m3/Kg。采用正交试验方法对花生秧沼气发酵的工艺参数优化配置进行了研究,结果表明发酵温度,发酵料液总固体浓度,pH值对其发酵结果均有不同程度影响,其中发酵温度和总固体浓度对沼气产量和甲烷产量的影响显著。最优的工艺条件为：发酵温度35℃,总固体浓度20%,pH=7.5,接种量1∶1。添加一定比例牛粪能明显提高产气速度。该文为规模化利用花生秧生产沼气提供了参考。     

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%。     

福尔马林消毒剂对养殖场粪污产沼气的影响

以猪粪为发酵原料,研究消毒剂福尔马林对沼气发酵的影响,以期为养殖场粪污产沼气发酵处理提供技术指导。研究结果表明,消毒剂福尔马林对沼气发酵有抑制作用,使沼气发酵体系的挥发性总脂肪酸含量和脂肪酶活性增加,α-淀粉酶和纤维素酶的活性降低,产气量下降。随着添加量增加,这种变化趋势增强,当添加量达到0.05%时,挥发性总脂肪酸含量增加18.78%,脂肪酶活性提高135.13%,α-淀粉酶和纤维素酶的活性分别下降78.57%和83.65%。研究结果从机理上解释了养殖场粪污进行沼气发酵处理时,出现产气量下降甚至不产气的原因。可为养殖场粪污沼气发酵处理提供一定的技术指导,以保证沼气发酵的正常进行。     

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。     

厌氧发酵反应器一维稳态传热模型的建立与验证

在北方高寒地区,采取适当的加热及保温措施,确保沼气厌氧发酵所需的稳定温度,是关系到沼气工程冬季能否正常运行的关键所在。厌氧发酵反应器传热耗热量是沼气发酵料液加热系统设计的最基本的数据,它直接影响着加热系统方案的选择、供热管道管径和加热器等主要设备的确定。该文在稳态传热理论的基础上,通过对集厌氧发酵和沼气收集为一体式的全地上反应器传热过程的理论分析,建立了一维稳态传热模型,并通过试验对传热模型进行了修正和验证。结果表明,通过模型计算得到的模拟值与实际值在统计上没有明显差异,传热模型可用于反应器耗热量的计算。这为今后大型沼气工程中厌氧发酵反应器热负荷的计算和反应器能耗的预测提供了依据。     

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。     

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。     

沼气提纯生物天然气技术研究进展

沼气的主要成分是CH4和CO2,将CO2从混合气中分离得到的高纯度甲烷气被称为生物天然气。生物天然气可以直接作为石化天然气的替代燃料。人类对天然气需求量的增加推动了生物天然气技术的发展。该文分析了沼气与天然气特性的差别及沼气提纯后替代天然气的可能性,综述了沼气提纯的方法进展,这些方法包括加压水洗、化学吸收法、变压吸附法(pressure swing adsorption,PSA)、膜分离法、低温分离法和甲烷原位富集等技术,其中加压水洗法和PSA法由于在技术和经济方面的综合优势成为目前商业化利用率最高的两项技术,膜分离技术在降低提纯成本和简化提纯系统方面的性能使其成为具备良好发展前景的技术,甲烷原位富集技术在利用高固含率原料生产生物天然气方面具有优势。该文对中国生物天然气技术的发展能够提供有价值的参考。     

生物质热解固体热载体高温烟气加热装置设计与试验

固体热载体加热生物质是生物质热解制取生物油的工艺手段之一。为解决固体热载体间接加热方式升温慢、效率低问题,设计了一种流化床生物质燃烧的热烟气直接加热固体热载体装置,分析了其结构与原理,开展了固体热载体升温性能和流化床燃烧器的燃烧特性试验研究,并对试验结果进行了热平衡分析。结果表明:流化床高温烟气加热陶瓷球热载体的平均热能利用率为66.3%,流化床燃烧生物质粉产生的高温烟气能够满足热载体加热装置对热源的需求,热载体加热器内的热量传递方式主要是对流换热。陶瓷球热载体与加热器内高温烟气的对流传热系数为475 W/(m~2·℃)。研究对结果对解决生物质热解液化技术中的固体热载体加热升温关键问题具有重要指导意义。     

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。     

铁线莲品种耐热性分析及评价指标筛选

为探讨南方夏季高温对铁线莲生理生化的影响,筛选耐热品种并建立耐热性评价体系,于2015年5-8月,以20个铁线莲品种为试验材料,对其高温半致死温度及高温胁迫下植株热害指数(HII)、相对电导率(REC)、萎蔫程度(WD)等10个生理生化指标性进行测定,并采用主成分、隶属函数、聚类分析和逐步回归等方法对其耐热性进行综合评价。结果表明,20个品种可以分为耐高温、较耐高温、高温较敏感和高温敏感4个类型,其中罗曼蒂克、如古和浪子耐热性较强;高温半致死温度可作为耐热性评价的指标;建立了以HII、REC、叶绿素(CC)和丙二醛(MDA)含量以及超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性等6个指标为变量的铁线莲耐热评价模型。本研究结果为铁线莲品种栽培适应性评价体系的建立和耐热型铁线莲品种选育提供了理论依据。     

Livestock methane emission: From the individual grazing animal through national inventories to the global methane cycle

Methane is a potent greenhouse gas whose atmospheric abundance has grown 2.5-fold over three centuries, due in large part to agricultural expansion. The farming of ruminant livestock, which generate and emit methane during digestion (‘enteric fermentation’), is a leading contributor to this growth. This paper overviews the measurement or estimation of enteric methane emissions at a range of spatial scales. Measurement of individual animal emissions focuses particularly on grazing livestock for which the SF₆ tracer technique is uniquely appropriate. Gaining insight into factors that influence methane production requires that feed intake and feed properties be determined, enabling the methane emitted to be expressed per unit of intake. The latter expression is commonly encapsulated in the ‘methane conversion factor’, Y_m, an entity that enables small-scale methane emission estimates to be extrapolated to national and global enteric methane inventories. The principles of this extrapolation and sources of uncertainty are discussed, along with the significance of this global source within the global methane cycle. Micrometeorological and similar measurement techniques over intermediate spatial scales are also surveyed.