现代工程设计.doc

现 代 工 程 设 计 结 课 论 文 现代工程设计——关于一种新型的沼气工程发酵装置的设计 摘要：设计是人类改造自然的基本活动之一，是设计者运用基础知识、专业知识、实践经验和系统工程等方法，进行设想和构思、计算和分析，最后以技术文件的形式，提供产品制造依据的全过程工作。本文将设计一种简单的一种秸秆微好氧预处理氢沼联合发酵系统，从一定程度上解决无法实现连续发酵，发酵过程不容易控制，发酵周期长，产气效率差的问题。 关键词：工程设计 沼气工程 微好氧 预处理 发酵系统 技术背景 氢能是一种公认的清洁的能源，是未来社会的主要替代能源。相对于基于化石燃料的化学方法制氢而言，生物制氢具有环境污染小、反应条件温和、原料来源丰富等优点。光合制氢作为一种生物制氢方法，利用光合细菌以光照为驱动力，通过光合细菌自身生化代谢将有机质转化为氢气。在光合制氢过程中，光合细菌可以处理淀粉、糖蜜废水、畜禽粪便废水和秸秆等原料。这些原料中，秸秆作为产量巨大的农业生产废弃物，在多种生物制氢原料中具有巨大的资源优势[1]。但由于秸秆是纤维素、木质素的天然大分子聚合体，很难被微生物直接利用。目前，在利用秸秆为原料的光合制氢过程中，主要采用先对秸秆进行纤维素酶生物处理、超微化处理或进行蒸煮糖化后获取还原糖，再将还原糖作为光合细菌产氢的原料，利用光合制氢反应器进行制氢。但这种方法存在加工成本高、无法实现大范围生产要求的缺陷。若将秸秆不做任何处理直接用于光合制氢反应器进行制氢，则会因为引发光屏蔽和光损导致反应器内光照不均，造成光合制氢反应器无法正常工作。 沼气发酵是处理农作物秸秆最有效的方法之一，通过微生物的自身代谢和能量转化，可以将秸秆等低品能源转化成高品能源沼气。但是由于秸秆是纤维素、半纤维素、木质素等组成的大分子聚合体，且表面覆盖蜡质层保护，多数微生物无法直接进行利用转化[2]。所以在沼气发酵之前要对秸秆进行预处理，通过破坏表面蜡质层、降解大分子聚合物等方式来达到提高秸秆沼气发酵的消化率和产气率的目的。当前秸秆预处理技术中比较成熟的方法有机械法、酸法、碱法、加热处理、生物法，以及几种方法相结合的预处理方式，但这些方法大都在技术、设备、环境影响和资金耗费等方面存在着不同程度的缺点，此外原料在预处理阶段产生的大量的热并没有被利用，造成能源的浪费。传统的秸秆沼气发酵过程中预处理装置与沼气发酵装置是两个分离的系统，无法实现连续发酵，发酵过程不容易控制，发酵周期长，产气效率差[3]。同时由于两个分离系统之间缺少传质传热的过程，使预处理阶段产生的热量无法得到应用。 设计内容 本发明的目的是提供一种秸秆微好氧预处理氢沼联合发酵系统和方法，能够对农作物秸秆进行好氧、微好氧、沼气的生物预处理，并将生成的渗滤液作为光合制氢反应器的原料进行制氢，克服了秸秆不易为光合细菌所利用的缺点，避免直接投料造成光合制氢反应器内光照不均，同时将预处理后的秸秆输送到沼气发酵罐内，为沼气发酵提供热量和易于利用的原料。 一种秸秆微好氧预处理氢沼联合发酵系统，包括预处理反应罐、沼气发酵罐和光合制氢反应器，预处理反应罐包括设置在预处理反应罐夹套内的预处理反应罐罐体，预处理反应罐罐体上下两端分别设置有预处理反应罐上封头和预处理反应罐下封头，预处理反应罐上封头上设置有与大气连通的预处理反应罐入料口、预处理反应罐物料取样口和预处理反应罐出气口，预处理反应罐罐体内设置有预处理反应罐通氧管和预处理反应罐搅拌输送装置，预处理反应罐罐体下端设置有预处理反应罐出料管，预处理反应罐罐体内设置有预处理反应罐渗滤液回流装置，预处理反应罐渗滤液回流装置包括预处理反应罐渗滤液吸管和栅板，预处理反应罐渗滤液吸管进水端设置在栅板下方的预处理反应罐下封头内，预处理反应罐渗滤液吸管出水端设置在预处理反应罐上封头上且穿过沼气发酵罐上封头；预处理反应罐渗滤液吸管出水端通过设置有加压泵的管道连接渗滤液存储罐进水口，泵与渗滤液存储罐之间设置有螺旋分离器，渗滤液存储罐的出水口连接光合制氢反应器的进料口；预处理反应罐内的物料通过预处理反应罐出料管进入到沼气发酵罐罐体内。反应装置如下图所示： 预处理反应罐搅拌输送装置包括预处理反应罐罐体中心轴向设置的预处理反应罐搅拌轴，预处理反应罐搅拌轴上端穿过预处理反应罐上封头连接预处理反应罐电机，预处理反应罐搅拌轴下端通过预处理反应罐支撑座设置在预处理反应罐出料管内，预处理反应罐搅拌轴上设置有预处理反应罐圆盘涡轮搅拌