毕业设计(论文)基于红泥塑料的恒温发酵系统.doc
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1、目录一、 研究背景及意义2(一) 我国的农村能源结构2(二) 农业废弃物处理现状2(三) 沼气池的发展必要性3二、 国内现有户用沼气池的现状4(一) 水压式沼气池5(二) 浮罩式沼气池6(三) 其他新型沼气池6三、 总体设计方案7(一) 总体设计思路7(二) 系统能量来源设计8(三) 系统原理图设计9(四) 系统恒温软件流程图设计9(五) 恒温发酵系统仿真模型图10四、 各模块硬件设计10(一) 发酵池体的设计101 材料选择102 结构设计113 发酵池体特点11(二) 恒温水循环控制的设计121 恒温设计122 太阳能热水器133 增压泵144 保温水箱155 微型真空泵15(三) 实时数
2、据采集处理控制系统设计161 温度传感器162 数据采集处理箱173 显示终端174 温度控制箱18(四) 系统能量源设计181 太阳能光伏板182 蓄电池19(五) 沼气收集处理部分201 沼气压缩机20五、 经济效益评估及环保分析21(一) 经济效益分析21(二) 环境效益分析211 节能减排212 循环经济21六、 创新点及应用22参考文献23一、 研究背景及意义(一) 我国的农村能源结构我国农村很多地方的能源主要用的还是煤炭或者薪柴。清洁能源液化气、电气、沼气等的利用率却不是那么高,依然随处可以见到乱烧稻秆、稻草等农作物的现象,这些资源没有被有效合理利用起来,这严重污染了环境,影响人们
3、的身体健康,不仅造成了大量烟尘的产生,也增加了大量二氧化碳的形成。农村的生态环境恶化问题己成为新农村生态文明建设的严重障碍。同时,生物质能是世界第四大能源,它对全世界一次能源的贡献约占14%。在我国,生物质能占一次能源的33%,它是仅次于煤的第二大能源。由于中国农村能源消耗主要来源于传统的生物质能源秸秆和薪柴,沼气、液化石油气、太阳能等能源所占比例却很小。所以这将会严重污染环境,造成资源的浪费。(二) 农业废弃物处理现状目前我国广大农村的农业生产主要还是落后的小农经济模式,高投入、高消耗、高污染及低产出、低质量和低效益的粗犷落后的生产方式严重破坏了农村的生态环境。随着社会的发展,农民为了追求经
4、济效益,过量地施用化肥和农药,生活垃圾随意丢弃(如图1.1)焚烧秸秆(如图1.2)。造成了土壤、水源污染、污染空气、饮水安全不达标、农村的环境卫生基础设施建设滞后。 图 1 .1 农业废弃物污染环境图 1.2 秸秆焚烧提高能源转换效率和发展可再生能源是全球无可争议的实现能源与环境可持续发展的两个车轮,推动可再生能源的发展己成为世界各国能源发展的重要战略。(三) 沼气池的发展必要性我国作为能源消费大国,新能源的开发利用对国民经济的可持续发展具有重要的意义,随着农村社会经济的迅速发展,农村能源消耗也日益增大,在此背景下,沼气资源作为一项极具应用前景的新能源,其开发利用是解决能源紧张形势下农村能源供
5、应问题的有效举措,其发展日益受到国家的重视。在中央政策引导及资金投入的支持下,中国沼气产业的规模呈现逐年递增的趋势,尤其是户用沼气池的数量增加明显,已经成为沼气产业的主力。中国农村户用沼气池近几年来逐年增加,2000年底,农村户用沼气池达到848万户,2010年底已经超过4000万户,可以看出,户用沼气池数量一直呈现递增的发展趋势,并以平均每年约17%的速度增长。发展户用沼气是改善农村环境的重要措施。1 减少农药和化肥的施用,沼肥(沼渣和沼液)在农业生产上推广应用,能大大提高肥效,明显减少作物对化肥、农药的需求量,减少农业污染,改善农作物品质。2 减少农业废弃物造成的环境污染,中国是世界上农业
6、废弃物产出量最大的国家,每年约有34亿t,其中,畜禽粪便排放量21.5亿t,农作物秸秆5.96亿t,农产品加工业的副产品和废弃农膜等塑料2.5万t,蔬菜废弃物1-1.5亿t,乡镇生活垃圾和人粪便2.5亿t等。 现在农业废弃物成为严重污染生态环境的污染源,然而沼气技术是农业废弃物处理的有效措施,实现了农业废弃物的再循环和再利用,改善了农村环境,减少了其对环境造成的压力,以沼气替代秸秆、薪柴和煤炭作为农民的生活能源,能有效的节约能源资源,较好地保护森林资源,并相应地起到减少水土流失,起到保护水资源的作用,对推进新农村建设有着不可低估的作用。二、 国内现有户用沼气池的现状发酵池是发酵工艺的核心,种类
7、繁多,按贮气方式可分为:水压式、浮罩式和气袋式三大主要类型;按外形可分为圆筒形池、球形池、长方形池、方形池、拱形池、圆管形池、椭球形池和扁球形池等;按建池材料可分为砖结构池、石结构池、混凝土结构池、钢筋混凝土结构池、钢丝网水泥结构池、红泥塑料结构池、抗碱玻璃纤维水泥结构池、钢结构池、玻璃钢结构池等。在总体上可归纳为水压式、浮罩式、半塑式和罐式四种基本类型,其中水压式圆形沼气池受到发展国家的认可,被誉为“中国式”沼气池。(一) 水压式沼气池 水压式沼气池是我国应用历史最长,目前农村推广最多的一种池型。水压式沼气池是在沼气池内留一个贮存沼气的小空间,当沼气池生产沼气多的时候,压力和体积增大,就将沼
8、气池内的沼气发酵液压到沼气池的水压间内,等使用沼气的时候,压力和体积减小,水压间的水又返回发酵池。常见的水压式沼气池有:固定拱盖水压式沼气池;中心吊管式沼气池;曲流布料水压式沼气池;无活动盖底层出料水压式沼气池等。水压式的主要优缺点如下:1) 池体结构受力性能良好,而且充分利用特让的承载能力,所以省工省料,成本比较低。2) 适于装填多种发酵原料,特别是大量的作物秸秆。3) 为便于经常进料,厕所、猪圈可以建在沼气池上面,粪便随时都能打扫进池。4) 沼气池周围都与土壤接触,对池体保温又一定的作用。5) 由于气压反复变化,而且一般在416kPa压力之间变化。这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提
9、高都有不利影响。6) 由于没有搅拌装置,池内浮渣容易结壳,又难于破碎,所以发酵原料的利用率不高,池容产气率偏低,一般产气率仅为0.15m3/m3d左右。7) 由于活动盖直径不能加大,对发酵原料以秸秆为主的沼气池来说,大出料工作比较困难。(二) 浮罩式沼气池 浮罩式沼气池由发酵池和贮气浮罩组成,最简单的一种是发酵池与气罩一体化(顶浮罩式)。基础池底用混凝土浇制,两侧为进、出料管,池体呈圆柱状。浮罩大多数用钢材制成,或用薄壳水泥构件。发酵池产生沼气后,慢慢将浮罩顶起,并依靠浮罩的自身重力,使气室产生一定的压力,便于沼气输出。这种沼气池可以一次性投料,也可半连续投料,分为直接贮气浮罩式沼气池和分离贮
10、气浮罩式沼气池。主要特点如下:1) 沼气压力较低而且稳定。一般压力为22.5kpa(即2025厘米水柱),有利于沼气灶、灯燃烧器具的稳定使用,有效地避免水压表冲水、活动盖漏气和出料间发酵液流失等故障的发生。2) 发酵液不经常出入出料间,保温效果好,利于沼气细菌活动,产气效率高。3) 由于发酵池与贮气浮罩分离,沼气池可以多装料。其发酵容积比同容积的水压式池增加10%以上。4) 浮渣大部分被池拱压入发酵液中,可以使发酵原料更好地发酵产气。因为装满料,混凝土池壁浸水后,气密性大为提高,致使产气率较高,一般比水压式池型提高30%左右。(三) 其他新型沼气池1) 小型高效沼气池:两步发酵多功能沼气池和曲
11、流布料沼气池。2) 生物能自动搅拌沼气池,是邱凌教授在两步发酵多功能沼气池的基础上,经过多次改进研制成功的。该池型充分利用了生物质厌氧发酵的动力学特性,实行了系统内部的自动高效运行状态,具有两步发酵、旋流布料、自动循环搅拌、菌种回流和富集增殖的功能。3) 上流式浮罩沼气池:是湖南省农村能源办研制成功的。4) 底层出料沼气池:常见的有矮墙底层出料沼气池和死盖贴壁立管进料沼气池。 综上所述,其主要优点是所产沼气压力比较均匀;其缺点是占地面积大,建池成本高(比同容积的水压式池型增加30%左右),施工难度大,出料困难。 三、 总体设计方案(一) 总体设计思路为了使沼气池安装更加方便、设备更加稳定、操作
12、更加简洁、成本更加低廉、产气质量和周期更加绵长和稳定,发酵池的设计和选择至关重要,本设计选择对发酵影响最大的因素温度,作为突破口。对沼气发酵装置的增温、保温设计优为重要,本设计采用太阳能热水器转化的热量启动反应,待温度和产气率稳定后,采用厌氧发酵自身反应放热以及恒温控制系统、外挂保温层等多种手段综合控制。保证发酵池对温度的需求,进而保证全年均衡的、持久、高质量的产气。本设计主要由红泥塑料软体发酵池、水循环恒温控制系统、实时数据采集系统、外置辅助部件等组成。(二) 系统能量来源设计设计中,太阳能热水器将本地充裕的太阳能转化为热能,经热的优良运载体水,将热量转运至发酵池;同时通过太阳能光伏电池板将
13、太阳能直接转化为电能,以供应系统中电气设备的运行。由于太阳能光伏电池板对太阳能的转化率与温度呈负相关关系,设计中对现有光伏电池板添加水冷管,由增压泵一同循环利用,这样太阳能光伏电池板的温度得到了控制,发酵池的热量得到补充,而自身转化率也得到提高。能量流向主要由太阳能热水器利用自然光照将水加热,通过包有保温层的输水管存入保温水箱,再由微型真空泵将达到温度要求热水泵入红泥发酵池的夹层内,循环回水通过管道回到冷水箱,再经增压泵加压运回太阳能,完成整个循环。期间增压泵、微型真空泵的开启均由发酵池底部的温度传感器所传递的信号决定,电信号经温度控制箱、数据采集、处理箱、终端电脑处理对发酵进程、温度等做出响
14、应。综上,设计中热量来源由太阳能热水器、太阳能光伏电池板冷却热和发酵反应自身放热组成;发酵池的热量由外挂保温层和多泵加速促循环共同维持;电量来源由太阳能光伏电池板产生,蓄电池储存,而且在设计中微型真空泵等均为节能高效型,现有蓄电池完全可以满足。(三) 系统原理图设计图 3.1 系统原理图(四) 系统恒温软件流程图设计图3.2系统恒温软件流程图(五) 恒温发酵系统仿真模型图图3.3恒温发酵系统仿真模型图四、 各模块硬件设计 在设计发酵系统装置时,合理选择和正确使用材料十分重要。这不仅从装置结构、制造工艺、使用条件和寿命等方面考虑,而且还要从装置工作条件下的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能、加工性能
15、及材料价格与来源、供应情况等方面综合考虑。(一) 发酵池体的设计1 材料选择红泥塑料是一种改性防水合金塑料,其拉伸强度大于150kg/cm2,断裂伸长率大于150%,适应温度-40+80,并有吸热性好、耐酸碱、可折叠、易修补、寿命长、密封性好、运输方便等特点,适于制作沼气池发酵体及沼气储袋。在本设计中采用12mm厚红泥塑料制造恒温发酵池。2 结构设计设计中以现有的单体红泥塑料发酵池为依据,利用水循环恒温手段,采用双层红泥塑料结构(如图4.1所示)图中内层红泥塑料作为发酵池;外层与内层之间的空隙为恒温水层;由图中上底的出水口和侧底部的进水口联接恒温水循环控制系统;内层红泥池底部有气密性良好的气嘴
16、,安装温度传感器进而连接实时数据采集处理箱,进行实时数据采集处理;在发酵池顶部有一集进出料、样本采集、每日沼气收集等多功能的大型气口。3 发酵池体特点通过外罩同材料夹层的添加,外置保温层的包裹,实时数字采集控制等的配合,红泥发酵池的日温度波动范围较原有红泥发酵池将有较大提高,完全可以满足发酵的维持和进行。红泥发酵池的内外均为软体,需要加以外置固定设备的辅助,红泥发酵池发酵室中由于发酵而呈现正压保持罐体不变。 具有恒温控制系统,使用条件不受季节、地域、气候的限制;红泥发酵池及所有红泥接口均采用熔接加工,焊接牢固,使用寿命达10年以上; 制作简单、运输方便、施工容易;建设工期短,投资少,可减少投资
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