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太阳能加热的三级恒温沼气生产系统运行策略优化研究

太阳能加热的三级恒温沼气生产系统运行策略优化研究

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作者：沈佳悦兰州理工大学

学位级别：硕士

太阳能和生物质能是农村可广泛获取的可再生能源，它们的高效低成本利用对改善农村人居环境、生态环境和满足农村多层次的能源需求有重要作用。基于太阳能经济性集热温度与生物质高效恒温厌氧发酵温度相匹配的特点，本团队前期提出... 详细信息

太阳能和生物质能是农村可广泛获取的可再生能源，它们的高效低成本利用对改善农村人居环境、生态环境和满足农村多层次的能源需求有重要作用。基于太阳能经济性集热温度与生物质高效恒温厌氧发酵温度相匹配的特点，本团队前期提出了太阳能加热的三级恒温沼气生产系统,并对太阳能加热的单个沼气发酵装置和基于三级恒温沼气生产系统的热电联供或冷热电联供系统进行了研究。在此基础上，为了高效低成本地实现沼气恒温生产，本课题对太阳能加热的三级恒温沼气生产系统的运行策略进行了优化研究。主要研究内容和结果如下：（1）基于在兰州皋兰县阳洼窑实验基地建立的太阳能加热的三级恒温沼气生产系统，建立了系统运行策略的优化模型，分别以沼气产气量最大化和沼气单位成本最小化为目标函数，系统能量输入与输出的差值为正为约束条件。（2）建立了系统的能量输入和输出模型，其中系统能量输入的模型包括每日进料带入系统的热量,太阳能集热器吸收的太阳辐射能和3台循环泵（排污泵）和两台循环泵所消耗的电能的模型。输出模型包括每日出料带走的热量，干沼气及其带走的水蒸气所带走的热量，发酵罐的散热损失和储热水箱的散热损失的模型。（3）基于兰州地区建筑气象数据，计算了发酵原料为8%的鲜牛粪或牛粪与莲花菜混合原料时系统的能量输入和输出。然后，根据优化模型确定了以8%的鲜牛粪或牛粪与莲花菜混合原料为原料的系统一年内每个月的最优运行策略，比较了全年最优运行策略与传统运行策略，分析了系统按全年最优策略运行时的经济性。以8%的鲜牛粪为原料时，以沼气产量最大化为目标函数和以沼气单位成本最小化为目标函数的系统最优运行策略是一致的，1月策略为1号罐30℃/2号罐37℃/3号罐37℃，2月至11月策略为1号罐37℃/2号罐37℃/3号罐37℃，12月策略为1号罐30℃/2号罐37℃/3号罐30℃。经过与系统原运行策略1号罐30℃/2号罐30℃/3号罐30℃比较可知，按最优策略运行时，系统全年的产气量提高了45.14%，沼气单位成本降低了22.20%。以8%的牛粪与莲花菜混合原料为原料时，以沼气产量最大化为目标函数的系统最优运行策略为:1月策略为1号罐37℃/2号罐37℃/3号罐30℃，2月策略为1号罐52℃/2号罐52℃/3号罐37℃，3月至10月策略为1号罐52℃/2号罐52℃/3号罐52℃，11月策略为1号罐52℃/2号罐37℃/3号罐37℃，12月策略为1号罐30℃/2号罐37℃/3号罐30℃。与系统发酵罐原运行策略1号罐30℃/2号罐30℃/3号罐30℃相比，按最优策略运行时，系统全年的产气量提高了81.62%。当以沼气单位成本最小化为目标函数时，其全年最优运行策略为:1月策略为1号罐37℃/2号罐37℃/3号罐30℃，2月至11月策略为1号罐37℃/2号罐37℃/3号罐37℃，12月策略为1号罐30℃/2号罐37℃/3号罐30℃。与系统发酵罐原运行策略1号罐30℃/2号罐30℃/3号罐30℃相比，按最优策略运行时，系统全年的沼气单位成本降低了19.75%。无论发酵原料是8%的鲜牛粪，还是8%的牛粪与莲花菜混合原料，按最优策略运行时，系统全年都能稳定运行，连续产气，而且每个月都有结余的热水使用。本课题的创新点在于：基于实验数据获得了太阳能加热的三级恒温沼气生产系统全年最优策略及其经济性。本课题的研究方法遵循了能量的梯级利用原理，研究结果不仅对太阳能加热的三级恒温沼气生产系统高效低成本推广应用有重要的指导作用，而且对太阳能和生物质能的高效低成本规模开发利用有重要的借鉴作用。本课题研究得到了国家自然科学基金项目（51166008/E0607）、国家科技支撑计划课题（2011BAD15B03）、国家科技部星火计划重点项目（2010GA860004）、甘肃省教育厅项目（0803-06）、“陇原青年创新人才扶持计划”项目（09-0165）、甘肃省建设科技攻关项目（JK2010-29）和兰州理工大学“红柳杰出人才计划”（Q201101）的资助。

关键词：太阳能三级恒温沼气生产系统优化运行策略经济性分析

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太阳能加热的回热回质型三级恒温沼气生产系统性能研究

太阳能加热的回热回质型三级恒温沼气生产系统性能研究

引用

作者：翟盼盼兰州理工大学

学位级别：硕士

太阳能和生物质能是农村可广泛获取的可再生能源，它们的高效低成本利用对改善农村人居环境、生态环境和满足农村多层次的能源需求有重要作用。基于太阳能经济性集热温度（65℃）与生物质高效恒温厌氧发酵温度（30℃、37℃和52℃）相匹... 详细信息

太阳能和生物质能是农村可广泛获取的可再生能源，它们的高效低成本利用对改善农村人居环境、生态环境和满足农村多层次的能源需求有重要作用。基于太阳能经济性集热温度（65℃）与生物质高效恒温厌氧发酵温度（30℃、37℃和52℃）相匹配的特点，本团队前期提出了太阳能加热的三级恒温沼气生产系统并进行了性能研究。研究过程中发现：发酵原料在进入恒温发酵罐前，通常需要用水稀释到一定浓度，然后用太阳能加热到发酵温度（30℃、37℃和52℃）;而在排料时，一方面，很大一部分热量会随着排料损失掉，另一方面，大量水分也随着系统排料损失掉，不仅增加了沼液的存储成本，而且浪费大量水资源。为了充分利用太阳热能并回收利用水资源，本课题提出了太阳能加热的回热回质型三级恒温沼气生产系统，其原理是利用沼气系统30%的沼液替代自来水稀释发酵原料，并尽可能回收利用沼液沼渣中的余热。实验研究了在30℃、37℃和52℃牛粪TS为8%的恒温厌氧发酵机理，对太阳能加热的三级恒温沼气生产系统和添加回热回质器后的新系统做了全年热损失模拟，并应用相似原理设计了1/5倍回热回质器实验模型。本课题主要研究内容和结果如下：（1）实验研究了在30℃、37℃和52℃牛粪TS为8%的恒温厌氧发酵机理。恒温厌氧发酵实验结果表明：30℃、37℃和52℃发酵条件下，累积产气量分别为153.41L、187.59L、173.12L;37℃日产气量在第10天达到峰值7.32L，而对37℃和52℃的发酵罐，前期日产气量几乎没有下降就分别在第3天和第6天达到了产气高峰，分别是17.02L和13.91L，之后由于营养物质减少，日产气量逐渐下降。相对于常温发酵，30℃具有最优的产氢菌活性，所以沼气产量相对较好，52℃具有最优的产甲烷菌活性，所以产气量大，37℃兼有两者特点。根据以上特点，由于52℃有着更快的产气速率和更高的产气峰值，当发酵原料充足时，首选52℃发酵。从系统能耗角度考虑，则应该结合不同季节和不同地区气候特点，选择合适的温度进行发酵。（2）设计了回热回质器，并结合兰州地区的年温度和太阳辐射强度统计数据，对太阳能加热的三级恒温沼气生产系统和添加回热回质器后的新系统做了性能研究。新系统在回用30%沼液条件下，每日节水0.405m，全年节约145.8m。全年日平均环境温度在-11.8～26.9℃之间变动时，回热回质器在30℃、37℃和52℃发酵条件的换热时间分别为41min、38min和27min，每级原料初始温度由5℃分别提高到了17.5℃、21.0℃和28.5℃，排料温度相应的从30℃、37℃和52℃降低到了17.5℃、21.0℃和28.5℃。在30℃、37℃和52℃发酵条件下，新系统全年热损失分别为45948.4MJ、44230.1MJ和74143.3MJ，全年回收能量分别为28711.2MJ、36750.5MJ和53972.9MJ;日节能率分别为30.3%8%、31.8%4.8%、33.8%1.6%，全年节能率分别为39%、38.3%和37.7%。原系统正常运行需要的太阳能集热器最小面积为71m，可保证12月到2月系统运行在30℃，3月份运行在37℃，4月份开始升温至52℃，5月到8月运行在52℃，9月到11月三个发酵罐分别运行在30℃、37℃和52℃。添加回热回质器后，新系统正常运行需要的太阳能集热器最小面积降低到了47.4m。按照原系统71m的集热器面积，除1月份外，其余月份新系统的三个发酵罐均可运行在52℃。本课题的创新点在于：提出了太阳能加热的回热回质型三级恒温沼气生产系统并揭示了其热力学经济性。本课题研究结果对恒温沼气工程降低生产成本和使用成本有很大的指导作用，尤其对于类似甘肃等寒冷干旱地区，保障冬季沼气工程正常运行有很大的意义。本课题研究得到了国家科技支撑计划课题（2011BAD15B03）、国家科技部星火计划重点项目（2010GA860004）、国家自然科学基金项目（51166008/E0607）、甘肃省教育厅项目（0803-06）、“陇原青年创新人才扶持计划”项目（09-0165）、甘肃省建设科技攻关项目（JK2010-29）和兰州理工大学“红柳杰出人才计划”（Q201101）的资助。

关键词：太阳能三级恒温沼气生产系统回热回质器相似原理热力学经济性

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