段狀秸稈沼氣發酵裝置設計及小型沼氣工程經濟評估

論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:vicky 點擊次數:
論文字數:28569 論文編號:sb2021090614011538005 日期:2021-09-12 來源:碩博論文網
本研究設計裝置及發酵工藝處理段狀秸稈原料,在注重降低經濟成本、運行過程復雜程度,實現防止秸稈上浮結殼、產氣穩定等設計和運行可行性同時,也注意提高產氣量和經濟效益。雖然因秸稈未進行預處理工藝導致原料降解率有待提高,但試驗證明,段狀秸稈沼氣發酵裝置在連續進出料、沼液回流運行實現了產氣穩定、能長期運行和經濟的可行性。希望在以后進一步研究中,提高秸稈工程化運行產氣效果,不斷完善消化工藝,推動該裝置規模化利用。

1  緒論

1.1 引言
我國是農業大國,農作物產量逐年增加,農作物秸稈作為農業廢棄物的主要構成部分,其產量巨大,分布廣泛。2015 年僅三大主要農作物(水稻、玉米、小麥)秸稈產量達 6 億多噸[1]。由于缺乏良好的效益和處理方法,越來越多的農作物秸稈被隨意廢棄或以露天焚燒方式處理導致嚴重的環境污染問題[2, 3]。隨著禁止焚燒秸稈的政策出臺和人們環保意識的增強,秸稈采用環保、資源化利用方式處理越來越受到人們的重視。同時,全球化石能源危機的加劇,迫使人們尋求可再生能源。秸稈作為可再生資源,可以對其進行制備顆粒燃料、可燃氣、  生物質乙醇、沼氣等能源形式利用[4]。秸稈能源化利用既可解決其作為廢棄物不合理處理利用帶來的環境問題,又對減緩化石能源的需求起著積極作用。
厭氧消化技術是非常適合處理農作物秸稈的方法,它對環境影響小,具有良好的能量產出投入比,可有效實現廢棄物的減量化,產生可再生的優質清潔燃料——沼氣可代替化石燃料,被認為是最具有潛力的處理有機廢棄物方法之一[4-6]。厭氧消化后產生富含氮、磷等營養元素的沼液沼渣,可有效地應用于農業生產,  提高農作物產量[7]。秸稈沼氣化利用是減少環境污染、緩解能源危機、改善生態環境、促進農產品質量提高和推進農業可持續發展的重要手段[8]。
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1.2 厭氧消化基本原理
厭氧消化是在復合微生物的作用下物質代謝和能量轉化過程。在此過程中,厭氧微生物獲得能量和物質,進行生長和繁殖,同時大部分物質轉化為甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)。
沼氣發酵可分為四個階段,即水解、酸化階段,產氫、產乙酸階段和產甲烷階段(如圖 1-1 所示)。在水解過程中,蛋白質、碳水化合物和脂肪等復雜聚合物被轉化為葡萄糖和氨基酸等單體。產酸細菌將這些單體化合物轉化為乙醇、乙酸、揮發性脂肪酸(VFAS)以及 H2和 CO2。在產氫產乙酸階段,VFAs 由產氫產乙酸細菌轉化為氫氣和乙酸。在產甲烷階段,乙酸、氫氣、二氧化碳、甲酸、甲醇及甲基胺等簡單的物質被產甲烷菌利用產生甲烷和合成自身的細胞物質[9, 10]。
圖 1-1  厭氧消化物質轉化流程
圖 1-1  厭氧消化物質轉化流程
要實現厭氧消化產沼氣過程順利進行,必須保證厭氧消化過程所需要的物質和運行條件,這就需要厭氧微生物生長代謝所需的發酵物料和適宜的生長環境,需要合適厭氧消化裝置,完善的厭氧消化工藝。
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2  設計思路與方案

2.1 設計思路
通過上面綜述,厭氧發酵產沼氣在發酵條件、預處理等方面研究都已相當成熟。而厭氧發酵裝置作為沼氣工程核心部分,其研究發展速度比較慢,現主要以完全混合式、升流式等傳統的源于有機廢水處理裝置為主。秸稈原料因本身體積大、密度小,為適用于這些裝置運行需進行一定的粉碎等預處理,在運行過程中易出現進出料受阻、攪拌困難、上浮結殼等問題,導致秸稈厭氧消化效率降低,最終致使整個工程效益低下。而我國農業機械化發展使適合段狀秸稈厭氧消化的裝置建設運行更具有可行性。因此,本文通過設計研究適合段狀秸稈(粒徑為 3~5 cm)的沼氣發酵裝置,減少秸稈進料前粉碎預處理,防止秸稈上浮結殼,以期實現連續穩定產氣,使秸稈沼氣工程建設運行具有簡便和經濟可行性。段狀秸稈沼氣發酵裝置設計思路如下。
(1)秸稈沼氣工程中秸稈粉碎預處理程序復雜,耗時耗力,不適宜沼氣工程長期簡單化運行。本設計裝置適用于大粒徑段狀秸稈原料進行發酵,符合我國農業機械化發展需要。針對秸稈在裝置內發酵易上浮結殼,采取固定的秸稈原料在發酵液面以下,采用多孔篩板進行隔離,防止秸稈上浮。
(2)秸稈被固定在裝置內,當未攪拌時,裝置內的污泥顆粒會下沉,為增加顆粒污泥下沉路徑,本設計裝置外形采用常用的立式圓柱形。秸稈具有密度低、吸水率高、流動性差等特點,所以秸稈在裝置內不適合采用機械攪拌,采用沼液豎直循環回流攪拌,易控制回流量來控制攪拌效果,設備簡單、易操作,且耗能低。采用自上往下回流,利于自然沉降到裝置下端的微生物或顆粒污泥重新回流到上端與有機質接觸。
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2.2 設計方案
2.2.1 試驗材料
試驗所用的原料為風干的水稻秸稈,取自于四川省樂山市夾江縣。使用鍘刀將秸稈切割至 3~5 cm,混勻后開始試驗。接種物取自于農業部沼氣科學研究的水稻秸稈發酵完成后放置一段時間的沼液,此接種物基本不產生沼氣。表 2-1 為水稻秸稈原料和接種物物料特性。
表 2-1 水稻秸稈原料和接種物特性
表 2-1 水稻秸稈原料和接種物特性
本研究試驗分為三個部分,一是通過設計制作小試裝置進行試驗,研究段狀秸稈在本研究裝置中厭氧發酵產氣規律,確定裝置的最佳高徑比;二是根據小試得到的設計參數進行裝置放大,進行秸稈連續厭氧消化試驗,研究最佳沼液回流量運行參數;三是提高進料負荷進行批式發酵試驗,研究不同負荷下本研究裝置的產氣變化情況。
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3  段狀秸稈沼氣發酵裝置設計和運行試驗 ................................. 23
3.1 段狀秸稈沼氣發酵裝置高徑比試驗 ..................................... 23
3.1.1 高徑比對日產氣量影響 ................................. 23
3.1.2 揮發性脂肪酸變化 ................................ 24
4   段狀秸稈沼氣工程經濟效益評估 ............................... 33
4.1 沼氣工程建設概況和成本及效益組成 ................................ 33
4.1.1 工程概況 ....................................... 33
4.1.2 建設和運行成本 ................................. 34
5  結論與展望 ...................................... 41
5.1 結論 ........................................... 41
5.2 展望 ............................... 41

4   段狀秸稈沼氣工程經濟效益評估

4.1 沼氣工程建設概況和成本及效益組成
4.1.1 工程概況
本研究建設 100 m3秸稈沼氣化工程,厭氧消化反應器設計和運行參數基于上文研究結果。采用段狀水稻秸稈發酵運行,工程總投資為 29.62 萬元,基于中試連續進出料產氣情況,有效發酵容積為 90 m3,容積產氣率為 0.6 m3/(m3·d),年處理水稻秸稈約 123.5 t,年產沼氣約為 2.19×104 m3。根據現階段沼氣工程集中供氣情況,該秸稈沼氣工程可供周邊約 40~50 戶農戶基本生活用能。圖 4-1 為該工程工藝流程圖。
段狀秸稈沼氣工程工藝流程圖
段狀秸稈沼氣工程工藝流程圖 
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5  結論與展望

5.1 結論
本研究通過分析農作物秸稈在典型厭氧消化裝置運行條件和效果,結合我國農業機械化發展現狀,構思出段狀秸稈沼氣發酵裝置結構,設計制作沼氣發酵裝置用于段狀秸稈厭氧消化試驗,研究裝置結構最佳產氣高徑比,連續運行穩定性和最佳運行沼液回流量,驗證裝置產氣的優越性。基于裝置設計和運行參數,對中小型秸稈沼氣工程進行經濟效益評估,驗證段狀秸稈沼氣發酵裝置應用于沼氣工程的可行性。為裝置工程建設、運行推動秸稈沼氣化利用提供幫助。研究主要結論如下:
(1)采用段狀秸稈作為發酵原料,實現秸稈沼氣工程方便運行,段狀秸稈沼氣發酵裝置采用篩板將段狀秸稈固定在液面以下,能有效防止秸稈上浮。
(2)H/D 為 3:1 的裝置最高日產氣量最多,累積甲烷產量比高徑比為 1:1 的提高了12.50%,同時又減少了占地面積。在段狀秸稈沼氣發酵裝置結構設計中,H/D 為 3:1比較合適。
(3)連續發酵過程中,90  d 內日產氣量和 CH4濃度比較穩定,該裝置內實現秸稈沼氣化穩定產氣。不同沼液回流運行過程中,固體停留周期為 20 d 時,回流比例為3:10 時期累積產氣量和日均 CH4濃度分別為 210.32 L 和 48.36%,比回流比例為 1:10時期分別提高了 17.50%和 6.24%。沼液回流量與裝置容積比例為 3:10 運行的產氣效果最佳,且該運行條件下平均有效容積產氣率為 0.58 m3/(m3·d)。
(4)在段狀秸稈沼氣發酵裝置提升負荷批式發酵運行過程中,段狀秸稈負荷最高達  120 g/L,原料 TS 產氣率為 133.14 mL/g。在秸稈負荷為 80 g/L 和 100 g/L 條件下,累積產氣量都為 191.72 L,但負荷為 80 g/L 的沼氣 CH4濃度較高且變化平穩。所以為得到好的轉化效率,秸稈發酵負荷在可提高至 80 g/L 最為合適。
(5)基于段狀秸稈沼氣發酵裝置設計及運行參數,對建設 100  m3秸稈沼氣工程進行經濟效益評估。得到段狀秸稈沼氣發酵裝置在投入到工程化運行后,益本比為 1.66,累計財務凈現值為 36.15 萬元,投資回收期為 6.75 年。因此,段狀秸稈沼氣發酵裝置應用到秸稈沼氣工程中具有良好的經濟效益。
參考文獻(略)

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