太阳能恒温沼气反应装置的绿色设计.pdf

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1、广东工业大学 硕士学位论文 新型太阳能恒温沼气反应装置的绿色设计 姓名：李传峰 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：徐小明 20091205 摘要 摘要 能源是人类社会进步和经济发展的基本要素。能源问题是当今世界政治与经 济事物中一个很敏感的问题，世界各国都把能源问题摆在国民经济的首位，并作 为重要课题来研究。能源的开发利用同社会生产力的发展，科技的进步及人民生 活水平的提高有着密切的关系。随着化石能源的日益匾乏，人类对能源的需求量 逐年增加，可再生能源的重要性就越来越突出。 绿色设计( G r e e nD e s i g n ) 是2 0 世纪8 0 年代末出现的一股国际设计

2、潮流。这一潮 流的出现源于人们对现代科技文明所引起的环境及生态问题所进行的反思，也体 现了设计师道德和社会责任心的回归。绿色设计是在其生命周期全程中通过采用 先进的技术，能经济地满足用户功能和使用功能的要求，同时实现节省资源和能 源、减少和消除环境污染，且对劳动者具有良好保护的产品。 沼气技术是一种能减少和降解有机物的污染，同时是一种回收能源的生物处 理方法。在农村目前已有广泛的应用。本文针对自然气候温度的变化，影响传统 沼气池的产气率和沼气的使用率的问题，利用绿色设计理念设计开发了一种新型 太阳能恒温沼气反应装置。首先对该装置进行绿色优化设计，设计该装置利用太 阳能加热，消除自然气候对发酵的

3、影响，自动控制温度，实现全天候高效发酵， 且拆装、维修、移动快捷方便，自动化程度高。有利于促进农村沼气能源新技术 的推广，提高农村生物质能的利用率。该装置具有结构简单、操作管理方便、便 于移动、进排料方便、密封性能好、产气率高等优点。 本文设计的装置利用太阳能加热制沼气的系统是一种节能、环保的系统。它 将太阳能和沼气联合使用，是集能源建设和环境建设于一体的。其产物沼气作为 一种优质、清洁、廉价、制备容易的生物可再生能源，它不仅可解决农村的部分 能源问题，而且可以把养殖业、种植业有机的融为一体，在充分考虑成本、质量、 环保等市场运行因素，以移动便携装置为主，彻底改变人走池废的现状，为将来 提升经

4、济效益和社会效益奠定了基础。 这样使传统沼气池的修建和施工大大简化，也不需要很高的建池技术，更不 需要精细施工，同时也解决了漏气问题。在装置设计并加工制作成以后，通过对 广东工业大学硕士学位论文 该装置运行试验分析，结果表明：该装置结构设计合理、性能优良，发酵速度快， 产气率高及沼气成分中甲烷含量高。本装置的设计、制作和应用试验为沼气技术 的发展提供了一条新的有效途径，解决了户用沼气池的建造复杂、施工周期长、 安装管理不便、人走池废等问题，为我国广大农村及中小城市带来了能源效益、 生态效益、经济效益和社会效益。 关键词：太阳能；沼气；绿色设计；恒温；反应装置；产气率 I I A B S T R

5、 A C T S A B S T R A C T E n e r g yw h i c hi st h ef u n d a m e n t a l so ft h eh u m a ns o c i a lp r o g r e s sa n de c o n o m i c d e v e l o p m e n th a sb e c o m eav e r ys e n s i t i v ei s s u ei nt h ew o r l d Sp o l i t i c a la n d e c o n o m i c m a t t e r si nt h en o w a d

6、a y s A l lt h ec o u n t r i e si nt h ew o r l dt a k ee n e r g yp r o b l e mi nt h e f i r s tp l a c eo fn a t i o n a le c o n o m ya n da st h ei m p o r t a n tt o p i ct os t u d y T h ed e v e l o p m e n t a n du t i l i z a t i o no fe n e r g yr e s o u r c e sh a v eac l o s er e l a

7、t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fs o c i a l p r o d u c t i v i t y , t e c h n o l o g i c a lp r o g r e s sa n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e Sl i v i n gs t a n d a r d s 昕曲t h el a c ko fp e t r i f a c t i o ne n e r g ya n di n c r e a s eo fh u m a nd e m a n df o re n e r

8、g ye v e r y y e a r , t h ei m p o r t a n c eo fr e n e w a b l ee n e r g yw o u l db e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s G r e e nd e s i g nb e c o m eai n t e m a t i o n a ld e s i g nt i d a lc u r r e n tw h i c ho r i g i n a t e sf r o m p e o p l e Sr e t h i n k i n gt o t h e

9、e n v i r o n m e n tp r o b l e ma r o u s e db ym o d e ms c i e n c ea n d t e c h n o l o g yi nt h el a t e19 8 0 s I tt a k e st h eu s eo fa d v a n c e dt e c h n o l o g i e si nt h e i rw h o l e l i f ec y c l et om e e tt h ep e o p l e Sr e q u i r e m e n t se c o n o m i c a l l y A t

10、t h es a m et i m e ，i tC a n s a v e sm a n yr e s o u r c ea n de n e r g y , a n dr e d u c e st h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n T h em a r s hg a st e c h n o l o g y , a p p l y i n gb r o a d l ya tp r e s e n ti nr u r a la r e a ，i st h a ta k i n d o fc a nc u td o w na n dc o

11、 n q u e rc o n t a m i n a t i n gu n t y i n ga no r g a n i c ，i st h a to n ek i n dl i v i n g t h i n g sr e c l a i m i n gt h es o u r c e so fe n e r g yh a n d l em e t h o da t t h es a m et i m e I nt h i s p a p e r , w em a k eu s eo ft h eG r e e nD e s i g ni d e at od e v i s e an e

12、 w t y p es o l a re n e r g y c o n s t a n tt e m p e r a t u r em e t h a n er e a c t o rd e a lw i t ht h eq u e s t i o n st h a tn a t u r a lc l i m a t e c h a n g e si nt e m p e r a t u r e a f f e c t t h et r a d i t i o n a ld i g e s t e rg a sp r o d u c t i o nr a t ea n d u t i l i

13、 z a t i o no fm e t h a n eg a s F i r s t ，W eo p t i m i z e dt h eg r e e nd e s i g nb yu s i n gs o l a rh e a t i n g t oe l i m i n a t et h ei m p a c to fn a t u r a lc l i m a t eo nf e r m e n t a t i o n ，a u t o m a t i cc o n t r o lo f t e m p e r a t u r e ，t o a c h i e v ea l l -

14、w e a t h e rh i g h p e r f o r m a n c ef e r m e n t a t i o n ，a n d t h e d i s a s s e m b l y , r e p a i r , m o v ef a s ta n dc o n v e n i e n th i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n T h ed e v i c e h a sm a n ya d v a n t a g e st h a ti th a sas i m p l es t r u c t u r e ，o p e r a

15、t i o na n dm a n a g e m e n t c o n v e n i e n t ，e a s yt om o v ee a s i l yi n t ot h em a r k e r , s e a l i n gp e r f o r m a n c e ，h i g hr a t eo fg a s p r o d u c t i o n S oi ti sv e r ye a s yt op r o m o t en e wt e c h n o l o g i e st oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o n o fb

16、 i o m a s se n e r g yi nr u r a la r e a s m 广东工业大学硕士学位论文 Ad e v i c ed e s i g n e di nt h i sp a p e rb yu s i n gs o l a rt oh e a tt h em a r s hg a si sas y s t e m o fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n I tc o m b i n e st h eu s eo fs o l a r

17、e n e r g y a n db i o g a sa n dw a sas e to fe n e r g yc o n s t r u c t i o na n de n v i r o n m e n t a l c o n s t r u c t i o ni no n e T h em e t h a n ea sah i g hq u a l i t yo fi t sp r o d u c t si so n ek i n d o fh i g h g r a d e ，c l e a n i n g ，e a s yp r e p a r a t i o nl i v i

18、n gt h i n g sr e g e n e r a t i v ee n e r g y I t n o to n l y a d d r e s s e sp a r to ft h ee n e r g yp r o b l e m si nr u r a la r e a s ，b u ta l s oc a nb eb r e e d i n gi n d u s t r y , t h ei n t e g r a t i o no fo r g a n i c f a r m i n g I n f u l lc o n s i d e r a t i o no f c o

19、 s t ，q u a l i t y a n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，o p e r a t i o no ft h em a r k e tf a c t o r s ，t h i sd e v i c eh a se s t a b l i s h e d af o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r et om o v et h ep o r t a b l ed e v i c et h em a i np o o lo fp e o p l eg o c o m p l e t

20、 e l yc h a n g e dt h es t a t u so fw a s t e ，e n h a n c et h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s T h i sd e v i c ec a ns i m p l i f i ec o n s t r u c t i o ni nt r a d i t i o n a lm e t h a n ep 0 0 1 I td o e sn o t r e q u i r es o p h i s t i c a t e dc o n s t r u c t i o n

21、，b u ta l s os o l v et h el e a k a g ep r o b l e m A f t e rb e i n g d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，t h eo p e r a t i o no ft h eu n i tt e s ta n a l y s i ss h o w e dt h a t ：t h e d e v i c ep h y s i c a ld e s i g ni sr a t i o n a l ，h i g hp e r f o r m a n c e ，t h es p e

22、 e df e r m e n t i n ga r eq u i c k ， m e t h a n ec o n t e n t sa r eh i g hi np r o d u c i n gg a sl e a d i n gh e i g h ta n dt h em a r s hg a s c o m p o n e n t T h i sd e v i c ed e s i g n ，p r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o nt e s t sf o rt h ed e v e l o p m e n t o fb i o g

23、a st e c h n o l o g yh a sp r o v i d e dan e wa n de f f e c t i v ew a y st os o l v et h ep r o b l e m so f c o m p l e xc o n s t r u c t i o n ，l o n g c o n s t r u c t i o n c y c l e ， i n c o n v e n i e n c ei n s t a l l a t i o n m a n a g e m e n t T h i s d e v i c ew i l li n c r e

24、a s e e n e r g ye f f i c i e n c y , e c o l o g i c a lb e n e f i t s ， e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t si nC h i n a Sv a s tr u r a la r e a sa n ds m a l lc i t i e si nt h ef u t u r e K e y w o r d s ：S o l a rE n e r g y ；M e t h a n e ；G r e e nD e s i g n ；C o n s t a n tT e

25、 m p e r a t u r e ；R e a c t o r ； R a t e so fp r o d u c i n g I V 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文

26、与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特 此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 3 寸弋1 年J a 具s 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 能源是人类社会进步和经济发展的基本要素能源问题是当今世界政治与经 济事物中一个很敏感的问题，世界各国都把能源问题摆在国民经济的首位，并作 为重要课题来研究。 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1 5 。在我国， 生物质能占一次能源的4 3 ，它是仅次于煤的第二大能源【l 】。随着我国城镇化建 设的推进，人民生活水平的提高，居住条件的改善，人们对生活能源和环境的清 洁性要求越来越高，但随着生产的发展和居住地的集中，工

27、农业生产和人民生活 过程中所生产的有机废弃物越来越多，这些有机废弃物严重污染环境，影响人们 的健康，我国是世界上的农业大国之一，作为农业生产的副产品，农作物秸秆和 畜禽粪便是生物质资源的重要组成部分，为沼气生产提供了充足的原料。因此， 将当地产生的有机废弃物集中起来进行沼气发酵，既可为当地居民解决清洁的能 源，又可保护环境。经发酵后所产生的已基本无害化的有机肥料又是生产绿色食 品的肥源。从可持续发展的角度看，人类必须寻找一条发展可再生且洁净的能源 资源道路，这种发展模式将在未来能源结构中起到重要作用。 太阳能是一种清洁的可再生能源，开发和利用太阳能，既不会出现大气污染， 亦不会影响自然界的生态

28、平衡，而且阳光所及的地方，都有太阳能可以利用。因 此，太阳能以其长久性、再生性和无污染等优点备受人们的青睐。我国大部分地 区位于北纬4 5 以南，太阳能资源丰富。 沼气是人类利用历史最悠久的生物质能之一，它的利用范围在不断扩大。太 阳能和沼气的联合使用集能源建设与环境建设于一体的，具有显著的经济、社会 与生态等综合效益，符合可持续发展的战略。 温度是影响厌氧发酵的关键因素之一。在沼气发酵的工艺中，根据发酵温度 的不同可分为常温发酵、中温发酵( 3 0 - 3 8 ( 2 ) 和高温发酵( 5 0 - - - 5 5 ) 等三种厌氧发 酵方式【1 】1 6 】，如图1 1 所示。在不同温度下发酵

29、，消化器中优势菌落是不同的，它 们有其各自的适宜温度，而且对温度相当敏感，如图1 1 所示。研究表明，温度突 广东工业大学硕士学位论文 然上升或下降0 2 C ，产气量显著降低【。目前，我国农村中的沼气发酵一般没 有增温设施，发酵装置( 沼气池) 建在地下，发酵料液的温度随季节的变化受气 温和地温的直接影响，波动较大，从而产气率的变化也较大，严重影响了人们对 沼气的稳定需求。 - 0 _ J 3 一 誊2 j 霹 1 2 53 03 5404 55 05 56 0 涅度 图1 1 沼气产气量与温度的关系 F i g 1 1P r o d u c t i o nr e l a t i o n s

30、 h i p so fm e t h a n eg a sa n dt e m p e r a t u r e 绿色设计( G r e e nD e s i g n ) 是2 0 世纪8 0 末出现的一股国际设计潮流。这一潮 流的出现源于人们对现代科技文明所引起的环境及生态问题所进行的反思，也体 现了设计师道德和社会责任心的回归。在其生命周期全程中通过采用先进的技术， 能经济地满足用户功能和使用功能的要求，同时实现节省资源和能源、减少和消 除环境污染，且对劳动者具有良好保护的产品。 本论文将太阳能、沼气能源和绿色设计理论结合，选择了以太阳能恒温沼气 反应装置来进行绿色设计研究。通过设计研究，对

31、所研究的新型太阳能恒温沼气 反应装置进行了试验，如试验结果可行，将可以在我国的广大农村及中小城市推 广使用。 1 2 研究目的和意义 本论课题要以农村地区内部的能源消费为研究对象，重点分析贫困地区农村 内部能源生产和消费结构，以及由此引发的生态环境恶化和资源短缺，并在此基 2 第一章绪论 础上提出应大力开发可再生能源沼气的建设，推广以沼气为核心的生态农业建设， 缓解农村能源的供需矛盾，改替能源生产和消费结构，提高能源利用效率，减轻 能源生产消费对环境的污染。 沼气建设和实现农民小康、农村现代化的目标是密切相关的，它具有合理和 充分地利用农业自然资料，解决燃料，增加优质有机肥，改善生态条件，净化

32、环 境，即经济、生态和环境三者紧密结构的综合效益。首先，开展沼气综合利用， 能够加快生态农业建设。生态农业建设的实质就是建立一个与人类生存相和谐的 经济、高效的农业生产循环系统。沼气综合利用正是满足了这一要求，能使种植、 养殖相互促进能量循环多级利用，生产、生活协调发展。其次，它能够促进农业 可持续发展。使用沼肥可大幅度减少化肥、农药的使用量。降低生产成本，减少 农业污染，改善作物品质；使用清洁的沼气能源，可有效的解决农村因烧柴而毁树 伐木的问题，保护森林资源，改善农业生态环境。第三，推广沼气综合利用，能 够增加农民收入是农民脱贫致富的有效途径。 本论文主要研究设计的是一种利用太阳能恒温，产气

33、效率高，安装、使用、 管理方便的可移动的新型沼气反应装置。 反应装置的设计要满足：一实现厌氧菌群的富集；二拆装、维修、移动方便； 三是利用太阳能加热；四是能够自动控制加热温度并保持恒温；五是每天的产气 量应满足一家至少5 口人左右一天的利用；六是搅拌方便；七是进、排料液方便； 八是冬季应该正常高效产气。 消除自然气候影响，全天候恒温发酵；装置拆装、维修、移动便利，适合小 户及边缘农牧民的应用。 本论文主要针对传统建池方法存在的施工技术水平限制及漏水、漏气和产气 率低等问题而进行研究的。新型太阳能恒温沼气反应装置取代了修建沼气池的传 统做法，在发酵过程中可连续进料、连续出料、连续恒温产沼气，与同

34、容积的沼 气池相比产气量和甲烷含量都比较高。该沼气反应装置重量轻、密封效果好，地 上发酵，可移动，使用太阳能加热具有经济效益高、安全、清洁、节能和方便等 优点。使用太阳能作为沼气发酵装置加热恒温，对于我国广大农村及中小城镇地 区沼气的推广和应用具有重要的现实意义。 新型太阳能恒温沼气反应装置取代了修建传统沼气池的做法，在发酵过程中 可连续进料、连续出料、及时液体循环搅拌、连续产沼气，与同容积的沼气池相 广东工业大学硕士学位论文 比产气量和甲烷含量都比较高。该装置产气率高，重量轻、密封效果好，移动便 携方便。 1 3 国内外现状分析 1 3 1 国外技术现状 几千年以前，人们就己发现了沼气的存在

35、，并对其加以利用，但是不知道它 的成分。到1 7 7 6 年，意大利物理学家沃尔塔( A l e x a n d e rV o l t a ) 通过对湖泊底部植物 体腐烂所产生的气体测出含有甲烷。1 8 6 6 年勃加姆波( B e c h a m p ) 首先指出甲烷的形 成是一种微生物的作用过程。1 8 7 5 年俄国学者波波夫( P o p o f ) 首先利用河泥加入纤 维素物质中，产生出甲烷，并发现了甲烷发酵是一个微生物学的过程。这一发现 引起微生物学家的广泛兴趣，为沼气发酵的应用奠定了基础。1 9 0 1 年荷兰学者 S o e h n g e n 对甲烷细菌的形态特征，以及它们所

36、能进行的转化作用提出了一个比较 清楚的概念，并发现氢和二氧化碳的混合物能发酵生成甲烷。1 9 1 6 年俄国微生物 学家奥梅梁斯基( O m e l i a n s k y ) 分离到第一株甲烷菌，命名为奥氏甲烷菌 ( M e t h a n o b a i l l u s ) 。1 9 3 6 年巴克尔( H A B a r k e r ) 发现了沼气发酵分为产酸和分解酸 形成甲烷两个阶段。初步建立了沼气发酵的两阶段学说。1 9 5 0 年美国亨格特( R E H u n g a t e ) 教授建立了厌氧技术，解决了甲烷菌的分离和培养问题。1 9 6 7 年布赖恩 特( M P B r y

37、 a n t ) 用改良的亨格特技术将奥氏甲烷菌进行分离纯化，获得甲烷菌 H u n g a t e 菌株是两种菌的共生体，从而揭示了产氢细菌和产甲烷茵之间的相互依赖 关系，更进一步推动了甲烷发酵的研究向纵深发展1 5 】。 近年来，在甲烷菌的研究进展尤为突出，对甲烷菌的分离，培养，分类，生 理代谢，细菌结构和基因排列等方面都有一定的研究成果。 甲烷发酵的理论研究，促进了应用的发展。18 8 1 年，摩热斯发表了“自动清 净器 ，在法国建立了世界上第一个处理废水的消化器确塞) 。随后，英国、美国和 印度等国相继建立了大型的沼气发酵装置，处理城市污水。2 0 世纪3 0 年代，德国 许多城市用钢

38、瓶贮存压缩沼气，用作汽车燃料。 在德国，以农场沼气工程为主，普遍采用“沼气发电、余热升温、中温发酵、 无储气灌、自动控制、加氧脱硫、沼液施肥”的模式，沼气主要用于发电。至0 2 0 0 0 年，拥有大约有8 0 0 个达到6 0 k W 装机电力和6 0 0 m 3 消化装置容量的农业沼气工程。 4 第一章绪论 总装机功率达到约4 8 M W 。所有消化反应装置累积起来每年生产约为2 5 0 亿m 3 的 沼气【”。 由德国E C B ，E N V I R O ，B E R L I N A G 公司开发的高强度有机废物的两相厌氧消 化工艺，是把容易生物降解的废物处理成沼气和混肥料的一种新的替代

39、选择，不 会给环境造成任何负担。固体物质在被粉碎之后，在一个水解器里被处理。在两 周时间内实现的生物降解达到7 5 左右。既使P H 值处在最低水平，这一过程也很 稳定。在德国基本上没有一个城市对废弃物不进行厌氧处理，沼气技术发展的吸 引力源于有机废弃物处理的同时，又能进行肥料和能源利用，这是其他处理技术 无法替代的【3 1 。 俄罗斯在二次世界大战之前开始研究厌氧消化技术，1 9 4 1 年开始实际应用。 7 0 年代受到能源危机的冲击，可同时解决能源和环保问题的沼气技术得到重视， 8 0 年代，制定并开始执行沼气发展纲要， 之后，建造了一批大型禽畜场沼气工程， 建造了大型的沼气反应装置，苏

40、联解体 解决了自身环境污染和增温问题。针对 农村发生体制的变化，研制出适合农户和家庭农场使用的沼气发生装置。基本上 采用高温( 5 2 ) 发酵，冬季装置本身自耗能量占生产能源的3 0 ，其余用于生 活生产【1 】【4 】。 美国，生物质能利用占一次能源总能的4 左右，纽约的斯塔藤垃圾处理站投 资2 0 0 0 0 万美元，采用湿式处理垃圾，回收沼气，用于发电，同时生产肥料【l 】。S T M 公司是美国通用汽车公司发展斯特林发动机技术的专业公司，研制出的S T M 4 1 2 0 发动机被美国能源部平为世界上最先进的斯特林发动机，可与沼气技术或生物 质气化技术相结合。普林斯顿大学能源与环境中

41、心，在研制生物质燃气为燃料， 发电功率为2 0 0 k W 的小型燃料电池燃气轮机发电系统。 1 3 2 国内技术现状 在过去5 0 多年间，我国为沼气技术的发展做出了巨大的努力，到2 0 0 7 年9 月， 全国约拥有1 3 0 0 多万座沼气池，大中型沼气工程1 0 0 0 多处l l 】，一批成熟和使用的 沼气技术和模式得到了广泛的普及和应用，而且还带动了农村可再生能源产品及 其相关设备生产企业和服务公司的发展，形成了初具规模的沼气产业化发展势头。 沼气技术的广泛应用对保护和改善生态环境起到了重要作用。 我国和印度等一些发展中国家正在推广农村户用沼气，最常用的是“水压式 5 广东工业大学

42、硕士学位论文 沼气池”，其基本原理是把沼气池的发酵间和贮气间合为一体，利用发酵间与水压 间的压力差把沼气的炉具输送。它的综合功能良好，既能产气、贮气，又能积肥、 灭菌，具有多种功能；池型小巧，浅埋于地下，少占土地，且很少受气温变化影 响，抵抗早涝灾害的能力较强；池型采用圆形薄壳结构，其结构简单、施工不太 方便，受力比较合理，耐久性较好，一般可使用1 0 年左右；建池材料主要是砖、 石、混凝土，方便就地取材，造价较低；管理和维修技术比较繁琐。但实践中发 现，这种水压式沼气池，仍有不少需要改进的问题，主要是：随季节气候的变 化，温度变化大，产气波动也大，且产气率不高。沼气气压较高，且气压波动 变化

43、大，不利于燃烧利用；对各种工艺和各种原料的适应性较差，如采用未加 工的农作物的秸秆发酵，手工进出料较困难；建池手工操作，必须精心施工， 否则漏气就很严重，且不便携移动。这些问题己成为制约沼气技术进一步发展， 并成为形成新产业的瓶颈。 近年来，随着我国经济的发展、农村推广沼气经验的不断总结、沼气科研和 开发的不断积累，出现了一批“新型农村家用沼气池。有增温的沼气池，也有地 面上的反应罐等等，但总的来说各种沼气装置，优缺点各异，没有一种产气效率 高，安装、使用、管理方便的较理想的装置。 1 4 研究目标和内容 1 4 1 研究目标和拟解决的问题 传统沼气池及目前的沼气装置存在的问题主要有：1 、温

44、度随季节气候变化大， 产气波动大，产气率不高；2 、沼气气压波动变化大，不利于燃烧利用；3 、传统 沼气池对各种工艺和各种原料的适应性较差；4 、传统沼气池，建池手工操作，必 须精心施工，否则漏气就很严重。5 、在高寒地区沼气生产和利用受到很大的限制， 普及率较低。6 、传统沼气装置存在建池工期长、施工工艺复杂、日常管理不便、 维护成本高等问题。 本文研究的反应装置的设计应满足：l 、实现厌氧菌群的富集；2 、结构合理、 拆装、维修、移动方便；3 、利用绿色能源太阳能加热；4 、能够自动控制加热温 度并保持恒温；5 、每天的产气量应满足一家至少5 口人左右一天的利用；6 、液 料搅拌方便；7

45、、进、排料液方便；8 、寒冷地区冬季应该正常高效产气。 6 第一章绪论 1 4 2 研究内容 新型太阳能恒温沼气反应装置的结构示意图如图1 2 所示。 本系统主要由太阳能热水器、热水缓冲器、螺旋式换热器、自动控制系统( 温 度传感器、交流触电器、温控仪和电磁阀等) 、循环泵和其它辅助部件组成。该沼 气反应罐利用太阳能加热恒温发酵，发酵的温度设定为3 5 0 2 C 。 23 4 1 安全阀2 产气管3 压力表4 用气接口5 储气恒压罐6 污泥泵7 阀门8 污泥泵 9 。温度传感器l O 热水缓冲器l1 电磁水阀1 2 。太阳能热水器1 3 温度智能控制变送仪 1 4 螺旋加热器1 5 反应罐1

46、 6 压力表 图1 - 2 新型太阳能恒温沼气反应装置总体结构示意图 F i g 1 2O v e r a l ls t r u c t u r ed i a g r a mo fan e w - t y p es o l a re n e r g y c o n s t a n tt e m p e r a t u r em e t h a n er e a c t o r 1 太阳能恒温系统 当反应罐内的温度小于设定温度( 3 5 O 2 ) 时，由温度传感器反馈到温控 箱，从而开启循环泵，促使热水缓冲器中的热水流经反应罐中的螺旋管式换热器 进行循环，对液料进行加热，提升反应罐内的温度；当

47、反应罐内的温度达到设定 温度时，再由温度传感器反馈到温控箱，从而关闭循环泵，终止加热循环。 2 自动进、出料装置及搅拌装置 该系统由进料部分，排料部分，搅拌部分，轴流式污泥泵，转换阀门等组成， 7 广东工业大学硕士学位论文 实现了进排料、搅拌和布料一体化设计。 3 反应罐的绿色设计 反应罐的容积大小，材料，密封，防腐及恒温、保温的设计。 4 智能温度控制系统 当反应灌的温度低于3 4 8 C 时，自动执行，将太阳能热水器或者热水缓冲器 的热水进行循环，通过螺旋换热器将反应罐内的温度升高。当反应灌的温度达到 3 5 2 C 时，自动停止加热循环。当太阳能热水器的温度低于4 0 。C 时，停止加热

48、循 环。 5 贮气净化装置 将产出的沼气，储存的恒压装置。贮气装置使用水压法集气，通过水压差调 节罐内压力，随着气体的产生，贮气罐内的压力增大，浮罩逐渐上浮，浮罩上面 添加一定的配重来调节罐内气体的压力，确保罩内压力的恒定。 1 5 课题来源 本论文课题来源于新疆生产建设兵团科委2 0 0 4 年资助项目“畜禽粪便厌氧高 效处理工艺及生物膜反应装置的研究 ( 0 4 H J 4 6 ) 。 8 第二章绿色设计概述 第二章绿色设计概述 2 1 绿色设计产生的背景 在人类社会跨入2 l 世纪的今天，资源、环境、人口三大问题成为当今社会面 临的主要问题，特别是全球生态环境的日益恶化，使得人们越来越重

49、视对环境问 题的研究。而当代的先进生产模式与设计方法，如现代集成制造系统( C I M S ) 智能 制造、并行工程、协同设计、面向制造设计、面向装配设计等，都是以快速、低 成本、良好服务、高质量地向市场提供产品，实现产品良好的可制造性、使用性 能与功能为主，很少或根本没有考虑如环境保护、职业健康、资源回收和重用、 产品生命周期环境负担等环境问题。 丹麦工业大学的L e o A l t i n g 教授等于1 9 9 3 年最早提出绿色设计的理念，发表 于C I R P 年会的论文“持续工业生产的基础一一生命周期概念中指出：如果产 品及其生产系统最初也是为环境特性而设计，将会取得更为显著的经济及技术效 果，并以该理念为基础，提出了对环境、职业健康、资源消耗等影响最小的绿色 设计模式。 概括来说绿色设计理念的提出的背景可以来自三个方面。第一方面，生态环 境的恶化。全球性生态环境的迅速恶化，带来了人口、资源、环境与经济发展关 系的一系列尖锐矛盾。第二，市场需求与环境立法。为了缓解这种矛盾，人们通 过重新认识环境问题的来源与人类活动方式及消费模式间的关系，通过制度创新 与法律法规来协调人与自然的关系，同时人们对环境的重视也会带来新的市场需 求。第三方面，可持续发展理念。随着人类对环境问题认识的越来越深刻，可持 续发展理念将成为