太阳能辅助沼气生产和综合利用系统数值仿真

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1、分类号：TK6密级：UDC：628.4学校代码：11065硕士学位论文太阳能辅助沼气生产和综合利用系统数值仿真李娜指导教师王德昌教授学科专业名称热能工程论文答辩日期2015年6月11日摘要能源和环境日益严峻的当下，高效低成本利用农村地区丰富的生物质能和太阳能对改变农村用能结构、改善农村居住环境、促进农村经济发展有着重要的意义。沼气热电气联供可给用户提供燃气、电和采暖用热，且发电余热可回收利用，是一种绿色生态能源梯级利用模式，提高了能源利用率和经济效益。牛粪是农村常见的固体废弃物之一，含有较多的有机质，课题以牛粪为原料进行沼气发酵实验研究，对典型发酵温度（

2、室温、35℃和55℃）、接种物浓度（10%、30%和50%）的日产气量、累积产气量、料液pH变化和沼气中甲烷含量的研究发现，55℃的实验组酸化周期短，累积产气量多，但沼气品质略差，甲烷含量仅为52.52%低于35℃实验组的57.82%。接种物浓度为50%的实验组更易进入产甲烷阶段，其前期日产气量多，但最终沼气累积产量少，甲烷含量52.63%较30%实验组低，比较而言30%接种物浓度更适宜牛粪发酵。在吸收总结太阳能沼气池系统和沼气利用系统已有研究的基础上，设计了太阳能与沼气锅炉辅助沼气生产和热、电、气联供系统，基于能量和质守恒原则，采用集总参数法建立系统的

3、动态数学模型，以Matlab/Simulink为仿真平台建立系统的模块化仿真模型，并建立沼气产率方程和保温层厚度发酵罐热损失方程，确定系统发酵合适的水利停留时间HRT和硬质聚氨酯保温层厚度。研究了环境温度、太阳能集热面积、连续阴天、序批式进料对系统性能（主要为系统产气量）的影响，同时，对比分析了供暖季、夏季、非供暖春秋季和1月份系统的运行特性。通过数值仿真结果分析认为，硬质聚氨酯保温层的较好保温厚度为100mm；环境温度的下降、集热面积的减少、连续阴天天数的增加、序批式进料发酵都需加大系统产气量，增大发酵罐有效容积；另外，集热器的年平均集热效率约为0.5

4、22，系统的年耗气量、发电量、供热量和热用户燃气量分别为8594.19kg、4934kWh、15067.1kWh和439.2kg，系统的能源利用率为51.5%，资金回收期约为8年，CO32年减排量为2876.4m。关键词：沼气；太阳能；三联供系统；Matlab/Simulink；运行特性AbstractTheenergyandenvironmentareincreasinglysevereinthemoment,sobiomassenergyandsolarenergyutilizationwiththehighefficientandlowcostar

5、everyimportantforchangingthestructureofenergyconstitute,improvinglivingenvironmentandpromotingtheeconomicdevelopmentintheruralareas.Inaddition,thebiogasthermoelectricsystemwhichcanprovidegas,electricityandheatingtouserandrecyclethewasteheatinthebiogasplantisagreeneco-energypatter

6、nwithenergyefficiencyandeconomicbenefitsincreased.Thecattlemanurewhichhashighervolatilesolidsisoneoftheruralcommonsolidwastes.Anaerobicfermentationexperimentsusethecattlemanureasarawmaterial.Theeffectofdifferenttemperature(roomtemperature,35℃and55℃)anddifferentconcentrationinocul

7、ums(10%,30%and50%)onthedailybio-gasproduction,totalbio-gasproduction,pHofthefeedsolutionandmethanecontentwerestudied.Theresultsshowedthatthethermophilicfermentationhadashorteracidificationperiodandmoregasproduction,butthemethanecontentwasonly52.52%andthemethanecontentofthemesophi

8、licfermentationwas57.82%.Besides,theinoc