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基本信息

項目名稱：
適合于寒冷地區(qū)的節(jié)能型高效產(chǎn)沼氣系統(tǒng)
小類：
能源化工
簡介：
在北方，環(huán)境溫度低，微生物處于休眠狀態(tài)，無法正常發(fā)酵，導(dǎo)致生物發(fā)酵制甲烷技術(shù)在北方很難應(yīng)用。黑龍江90%以上的沼氣池過冬之后都報廢?，F(xiàn)有設(shè)備功耗大，入不敷出。為解決寒冷地區(qū)的產(chǎn)沼氣問題，我們從提高同等條件下的單位甲烷產(chǎn)量和最大程度降低系統(tǒng)熱損兩個方面著手，設(shè)計的此反應(yīng)器最大產(chǎn)氣量1.23L/L.d。有效容積為400m3的制甲烷基地，每年可處理掉8000噸固體廢棄物，產(chǎn)生經(jīng)濟效益144.5萬元
詳細(xì)介紹：
本設(shè)計使用的高效一體化生物制沼氣反應(yīng)器是由上部的CSTR和底部的UASB兩部分組成，是專門針對秸稈動物糞便生物產(chǎn)沼氣而開發(fā)的新型設(shè)備，底物由中部總進(jìn)水管進(jìn)入反應(yīng)器CSTR部分，通過重力自流由底部進(jìn)入UASB部分后出水。本反應(yīng)器采用兩相厭氧技術(shù)設(shè)計了兩個反應(yīng)區(qū)，第一個反應(yīng)結(jié)束出水進(jìn)入第二個繼續(xù)反應(yīng)，這樣可以處理難降解的底物。而且，它結(jié)合了兩種不同形式厭氧反應(yīng)器的優(yōu)點，進(jìn)入反應(yīng)器的物料不需要將底物經(jīng)過特別的預(yù)處理，甚至可以省去預(yù)處理；反應(yīng)器將反應(yīng)區(qū)1設(shè)置在反應(yīng)區(qū)2上部，將出水設(shè)置的很高，這樣反應(yīng)區(qū)1的出水靠重力就可以直接進(jìn)入反應(yīng)區(qū)2，不需要使用水泵加壓，省去必要的能源消耗。 一體化裝置通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實現(xiàn)了兩相的分離，使兩相厭氧工藝系統(tǒng)的產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相微生物群在同一反應(yīng)器的不同空間中發(fā)揮各自的降解作用。反應(yīng)器是密閉結(jié)構(gòu)，表面設(shè)保溫覆蓋層；水噴射器布水，同時進(jìn)行水力攪拌；產(chǎn)酸相的頂部設(shè)獨特的相分離裝置，在性能上發(fā)揮了三相分離器的優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步完善了其分離氣、液、固三相的功能，并與布水設(shè)施緊密結(jié)合，構(gòu)成完整有序的反應(yīng)區(qū)、懸浮區(qū)、分離區(qū)；產(chǎn)酸相配備污泥回流裝置，運行過程中可通過好氧工藝的活性污泥回流對反應(yīng)器內(nèi)的污泥進(jìn)行定期補充或事故狀態(tài)下的置換，增強微生物的活性，提高反應(yīng)器的自由度；反應(yīng)器產(chǎn)甲烷相內(nèi)安裝交叉流填料，形成生物膜對有機物進(jìn)行進(jìn)一步的降解，同時固定微生物，優(yōu)化出水水質(zhì)，發(fā)揮膜工藝技術(shù)的優(yōu)勢。一體化兩相厭氧反應(yīng)器采用鋼板焊接制造，內(nèi)外壁均需防腐處理。該反應(yīng)器采用中溫消化，反應(yīng)溫度通過自動控制系統(tǒng)保持在35±1℃范圍內(nèi)。此設(shè)備把傳統(tǒng)的CSTR和UASB反應(yīng)器與兩相厭氧發(fā)酵制甲烷技術(shù)結(jié)合，設(shè)計了適合寒冷地區(qū)的高效產(chǎn)甲烷反應(yīng)器；把熱泵技術(shù)與反應(yīng)器有機的結(jié)合，使反應(yīng)器高效運行的能耗降到最低；以糞便和餐廚垃圾作為制甲烷的底物，廉價廢水廢物進(jìn)行生物發(fā)酵通過一體化反應(yīng)器實現(xiàn)了真正意義上的連續(xù)流運轉(zhuǎn)制甲烷，既除去了污染物，又產(chǎn)生了新的能源。

作品圖片

  • 適合于寒冷地區(qū)的節(jié)能型高效產(chǎn)沼氣系統(tǒng)
  • 適合于寒冷地區(qū)的節(jié)能型高效產(chǎn)沼氣系統(tǒng)
  • 適合于寒冷地區(qū)的節(jié)能型高效產(chǎn)沼氣系統(tǒng)

作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

作品目的： 在寒冷的北方，由于環(huán)境溫度較低，微生物處于休眠狀態(tài)，導(dǎo)致生物發(fā)酵制甲烷技術(shù)在北方很難應(yīng)用。針對這種情況，我們設(shè)計了一套適于北方低溫地區(qū)使用的生物發(fā)酵制甲烷系統(tǒng)。打破了生物發(fā)酵制甲烷技術(shù)難以在北方推廣的技術(shù)瓶頸。 基本思路： 一、結(jié)合發(fā)酵動力學(xué)、考慮菌種在反應(yīng)器中合理的流態(tài)和生態(tài)分布，設(shè)計高效的生物制甲烷工藝系統(tǒng)設(shè)備。 二、針對北方地區(qū)冬季溫度較低,需要外加熱量的問題,引入熱泵系統(tǒng)和一體化的設(shè)計，使得系統(tǒng)熱損降到最低，大大提高甲烷的凈產(chǎn)氣率。 創(chuàng)新點： 一、把傳統(tǒng)的CSTR和UASB反應(yīng)器與兩相厭氧發(fā)酵制甲烷技術(shù)結(jié)合，設(shè)計了適合寒冷地區(qū)的高效一體化產(chǎn)甲烷反應(yīng)器。 二、把熱泵技術(shù)與反應(yīng)器有機的結(jié)合，使反應(yīng)器高效運行的能耗降到最低。 三、設(shè)計一體化，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，運行高效。 技術(shù)關(guān)鍵： 一、高效生物制甲烷工藝系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計 （主反應(yīng)器）。 二、熱泵加熱、保溫、自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。 三、一體化高效實驗裝置的設(shè)計及制作。 技術(shù)指標(biāo)： 一、預(yù)設(shè)溫度下，單位有效容積的產(chǎn)氣量大于1L/L.d。 二、系統(tǒng)的凈產(chǎn)氣量大于0.6L/L.d。 系統(tǒng)的一體化程度和自動化程度。

科學(xué)性、先進(jìn)性

本作品的科學(xué)性和先進(jìn)性： 本作品的科學(xué)性和先進(jìn)性主要表現(xiàn)在解決寒冷地區(qū)的高效產(chǎn)沼氣問題： 一、節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)核心之一是溫度保障系統(tǒng)，以沼氣熱泵作為溫度保障系統(tǒng)的核心，采用閉式熱水浴循環(huán)方式控制反應(yīng)器的溫度，同時利用熱泵和水浴散失的熱量對系統(tǒng)的管路和配套系統(tǒng)進(jìn)行空氣加熱，在節(jié)約了能源的同時又保證了系統(tǒng)的安全高效運行。此熱泵系統(tǒng)與以往單純的電加熱相比，能源消耗降低2-3倍。 二、厭氧反應(yīng)器的設(shè)計 另一個核心是厭氧反應(yīng)器的設(shè)計，它結(jié)合了CSTR和UASB兩種不同形式厭氧反應(yīng)器的優(yōu)點，進(jìn)入反應(yīng)器的物料不需要將底物經(jīng)過特別的預(yù)處理，甚至可以省去預(yù)處理；CSTR反應(yīng)區(qū)將反應(yīng)區(qū)設(shè)置在反應(yīng)器上部，將出水位設(shè)置的很高，這樣CSTR反應(yīng)區(qū)的出水靠重力就可以直接進(jìn)入UASB反應(yīng)區(qū)，不需水泵加壓，減少能源消耗。通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實現(xiàn)了兩相分離，使產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相微生物群在同一反應(yīng)器的不同空間中發(fā)揮各自的降解作用，在節(jié)省體積減少空間傳熱損失的同時，其效率也大大提高。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

第三屆全國大學(xué)生節(jié)能減排大賽中獲得三等獎

作品所處階段

本設(shè)備已加工完成，并正常運行，運行監(jiān)測到得最大產(chǎn)氣量1.23L/L.d

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

作品可展示實物，并能從備料、產(chǎn)氣到沼氣收集的全部步驟正常運行，產(chǎn)生沼氣，收集并測量產(chǎn)量。

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測

在能源緊張的今天，甲烷化處理生活垃圾、人畜糞便及工業(yè)廢水已愈來愈受到人們的重視。而北方寒冷地區(qū)由于其特殊的地理和環(huán)境因素，冬天環(huán)境溫度過低，使得沼氣的應(yīng)用在北方很難推廣。本系統(tǒng)的設(shè)計恰恰對這一問題進(jìn)行了很好的解決。試驗中該反應(yīng)器最大產(chǎn)氣量1.23L/L.d。每年可處理掉8000噸的固體廢棄物，產(chǎn)生經(jīng)濟效益144.5萬元。因此，在大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的今天，該系統(tǒng)有著廣闊的適用前景。

同類課題研究水平概述

國外：在世界范圍內(nèi)對厭氧工藝進(jìn)行的統(tǒng)計，到99年共統(tǒng)計了1303個各類形式的反應(yīng)器，其中有近800座采用UASB反應(yīng)器，占全部項目的59%。在各種反應(yīng)器中，UASB工藝被最為廣泛的應(yīng)用在生產(chǎn)性的裝置上。而流化床(包括膨脹床)和厭氧慮床加起來和接觸工藝一樣是另一類重要的處理工藝，占厭氧工藝應(yīng)用總數(shù)的11%左右。國外厭氧處理技術(shù)一般都采用中溫發(fā)酵的處理技術(shù)來完成沖溫發(fā)酵后的糞便通過20倍水的稀釋后再進(jìn)行曝氣沉淀處理。工業(yè)應(yīng)用的厭氧發(fā)酵技術(shù)一般分成經(jīng)典式發(fā)酵技術(shù)和上流式發(fā)酵技術(shù)兩種，經(jīng)典發(fā)酵技術(shù)是一種應(yīng)用很普遍的方法，目前這種技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在池型的變化和攪拌方式的變化上。池型正在由圓柱型向“水滴”型發(fā)展。目前農(nóng)業(yè)應(yīng)用的高效厭氧技術(shù)主要從工藝上改進(jìn)，如采用序批式反應(yīng)器和兩相厭氧發(fā)酵工藝。國外厭氧技術(shù)的基礎(chǔ)研究主要體現(xiàn)在3個方面：(1)菌體對物料的適應(yīng)能力及競爭機制的探討；(2)產(chǎn)甲烷動態(tài)過程生化監(jiān)測方法的研究；(3)探討水解步驟降解高分子物質(zhì)降解機制及生物調(diào)控機理。 國內(nèi)：我國沼氣事業(yè)開始于1930年前后。1929年夏季在汕頭開設(shè)了我國第一個沼氣商號叫中國天然氣瓦斯燈行。所用池型是由羅國瑞發(fā)明的水壓式沼氣池，與我國目前使用的水壓式沼氣池基本相似。1958年，我國沼氣事業(yè)出現(xiàn)第二次高潮，全國很多省市都修建了沼氣池，目的是想解決農(nóng)村的炊事用能。但由于嚴(yán)格厭氧微生物研究技術(shù)上的困難未能解決，理論研究未能深入下去，修建的沼氣池又缺乏正確的技術(shù)管理，留下來能夠使用的沼氣池為數(shù)不多。隨著戶用沼氣池的發(fā)展，70年代后期也建了一些大中型沼氣工程，以工業(yè)廢水和禽畜糞便為原料，以獲取沼氣能源為主。這批沼氣工程的質(zhì)量相對于戶用池較高，但是配套差、池容產(chǎn)氣率低、出料困難、綜合效益不高。1980年，成立了中國沼氣協(xié)會，使沼氣建設(shè)事業(yè)逐步走上依靠科學(xué)技術(shù)、保證建池質(zhì)量、重視經(jīng)濟效益、建管并重、穩(wěn)步發(fā)展的道路，使沼氣事業(yè)形成了以能源、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)農(nóng)業(yè)為目標(biāo)的發(fā)展方向。 近年來通過對沼氣發(fā)酵的科學(xué)原理和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行大量的科學(xué)研究與實驗，取得了許多出色的研究成果。在沼氣發(fā)酵工藝研究方面，基本上達(dá)到了世界先進(jìn)水平。目前我國沼氣池已發(fā)展到1000多萬個，全國已有大中型沼氣工程1100多處，可向18萬戶居民集中供應(yīng)管道沼氣。生活污水凈化沼氣池發(fā)展迅速，全國建池8萬多處，可處理280萬人的生活污水。
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