黄瓜藤沼气厌氧发酵反应装置研发及发酵实验研究

【摘要】：随着能源和环境问题越来越突出,自21世纪以来,全球面临的能源危机带来日益严重的环境问题,而沼气是一种可再生无污染的优质燃料,能够代替秸秆和煤等能源原材。畜禽粪便、工业有机废水、生活污水、有机垃圾等生物质废弃物可以利用沼气技术做到完全的无害消化,目前沼气技术是我国大力发展的四大重点可再生能源项目之一。因此,合理利用生物质资源,发展沼气产业,可以缓解我国能源供给与需求的缺口,也能有效的减少环境污染,这些特点让沼气技术具有重要的现实研究意义。本文采用理论分析与实验相结合的方法,研究可供农作物—黄瓜藤发酵制备沼气的设备,包括设备的设计选型、验证设备合理性、原料破碎能耗计算以及青枯比、投配率等典型因素对厌氧发酵反应的影响。本文对已有研究的沼气工程技术、相关的基本工艺,包括厌氧降解的过程、影响反应进行的因素进行总结并加以分析;选取黄瓜藤作为厌氧发酵产沼气的原料,在可行性和适用性上进行分析。本文的主要研究成果及结论如下:(1)本文在对原料预处理中详细阐述了在农作物破碎与耗能方面的相关性,利用数学工具—粒度表征,对农作物破碎后形成的颗粒进行表征,理论计算表明:在破碎力相同的情况下,粒度分布小于2mm的黄瓜藤,其质量分数占比为45%,而破碎能耗占比只有42.5%的,所以可以根据实际情况采用能降低破碎能耗的破碎方式。(2)设计整套厌氧发酵实验装置,包括厌氧反应器罐体、罐体圆柱体壁厚的确定、搅拌器和电机功率的选取以及夹套与筒身的连接形式、夹套壁厚的确定;同时利用主要耗能装置,进行能量传递计算,然后从理论分析和温度传感器时间精度的角度,验证厌氧发酵反应器的合理性。(3)以常见农作物—黄瓜藤为原料,在中温(35℃)条件下,采用连续投料的方式,研究了黄瓜藤鲜活度对其产气性能的影响,也即黄瓜藤青枯比对黄瓜藤产气性能的影响,同时提取不同青枯比反应后的残留污泥,用电子显微镜观察厌氧微生物的菌落情况,更进一步说明黄瓜藤的鲜活度对厌氧发酵的产气总量和产甲烷气体量的影响。(4)通过添加不同投配率的活性污泥在中温条件下进行厌氧发酵反应研究,通过反应过程中的产气总量、产甲烷气体量、PH等数据,分析不同投配率对厌氧发酵产气的影响,研究表明:投配率为7%时,对提升日均产气量有比较显著的效果,而继续提高投配率时,效果很不明显,但在后续的反应中,能持续保持较高的日均产气量;投配率为10%时,反应器内PH的波动范围从7.32下降到7.13,发酵罐内始终处在弱碱s状态,p H值的稳定性比其他两种投配率高,可以不通过添加弱碱性物质来调节p H值,而投配率分别为5和7%的实验PH则在第11天成弱酸性,此时已不利于厌氧发酵反应。 【关键词】：厌氧发酵 反应器 粒度能耗分析 沼气制取
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 课题背景12-17
• 1.1.1 国内外新能源与可再生能源发展状况12-14
• 1.1.2 农作物能源化利用14-16
• 1.1.3 我国沼气产业发展存在的主要问题16-17
• 1.2 厌氧发酵原理及其工艺17-21
• 1.2.1 有机物厌氧降解基本过程17-19
• 1.2.3 影响微生物厌氧消化的主要因素19-21
• 1.3 原料预处理的研究进展21-24
• 1.3.1 农作物发酵原料预处理的研究21-23
• 1.3.2 发酵过程工艺参数的研究23-24
• 1.4 实验研究目的24
• 1.5 本章小结24-25
• 第二章 农作物破碎原理、粒度与能耗之间的分析25-33
• 2.1 农作物破碎原理25-26
• 2.1.1 农作物的破碎原理25
• 2.1.2 常见的破碎工艺25-26
• 2.1.3 常见的农作物破碎方式26
• 2.2 农作物的粒度表征26-29
• 2.2.1 常见的粒度表征方法26-27
• 2.2.2 颗粒的分形理论模型27-28
• 2.2.3 粒度表征方法分析28-29
• 2.3 农作物破碎的能耗分析29-31
• 2.3.1 破碎能耗29-30
• 2.3.2 农作物破碎能耗的分析30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 实验装置设计及装置中耗能部位的能量分析33-49
• 3.1 厌氧发酵装置33-35
• 3.2 厌氧发酵实验装置的设计方案35-42
• 3.2.1 厌氧发酵原料合理性研究—黄瓜藤35-36
• 3.2.2 厌氧发酵实验装置工艺选取36-37
• 3.2.3 发酵罐的选型设计37-42
• 3.3 能量的计算分析42-48
• 3.3.1 黄瓜藤发酵液的能量变化42-43
• 3.3.2 夹套层的能量变化43-48
• 3.3.2.1 夹套层内水的流态及热量损失43-45
• 3.2.2.2 反应器的传热45-46
• 3.2.2.3 反应器的散热46-47
• 3.2.2.4 反应器加热的传递时间47-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第四章 黄瓜藤厌氧发酵实验及结果和分析49-66
• 4.1 实验装置及实验方案49-53
• 4.1.1 实验装置49-50
• 4.1.2 厌氧发酵实验方案50-52
• 4.1.3 实验流程说明52-53
• 4.2 实验启动准备与运行期间的维护53-55
• 4.2.1 实验启动准备53
• 4.2.2 实验运行与维护53-54
• 4.2.3 实验数据采集记录54-55
• 4.3 青枯比对于厌氧发酵实验的影响55-59
• 4.3.1 青枯比实验前的准备55
• 4.3.2 不同青枯比对厌氧发酵日均产气规律的影响55-57
• 4.3.3 不同青枯比对产甲烷的气体量的影响57-59
• 4.3.4 不同青枯比对厌氧发酵反应中PH的影响59
• 4.4 污泥投配率对厌氧发酵实验的影响59-63
• 4.4.1 投配率实验准备59-60
• 4.4.2 不同投配率对气体日均产量的影响60-61
• 4.4.3 不同投配率对产甲烷气体量的影响61-62
• 4.4.4 不同投配率对厌氧发酵反应中PH的影响62-63
• 4.5 本章小结63-66
• 第五章全文总结与展望66-69
• 5.1 全文总结及创新性66-67
• 5.2 本文的不足与展望67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间已发表的论文73-75
• 致谢75

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