1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

我国每年产生约7 亿吨农作物秸秆和20 亿吨畜禽粪便，许多未经有效处理直接排入环境，造成了较大的环境危害；同时2012 年我国已成为世界第一大能源消费国，全年消耗36.2 亿吨标煤^[1]。与此同时，相较于发达国家，中国能源消耗的结构中过度依赖化石能源^[2]，2011年原煤、原油和天然气的在总能量消耗里的比重分别为77.8%、9.1%和4.3%，如此大量的原煤、原油和天然气的消耗还会造成大约10亿吨温室气体产生，如此大量的温室气体排放对减排提出了巨大的挑战。

为了保证能源安全，减少环境污染，”十二五”规划明确提出将可再生能源作为国家能源发展的重要战略组成部分。因此，生物质发酵产能作为可再生能源的一个主要方面，在我国得到重视而迅速发展。据统计，截止2013 年，全国沼气工程数量91952 处，同比增长率为13.8%。尽管我国沼气工程发展迅速，但是其中中小型沼气工程占94%，规模小、产气速率慢和产气量低等原因，影响了沼气的市场化推广^[3]。

由论文中可大概了解沼气工程的定义：

中华人民共和国农业部发布的中华人民共和国农业行业标准NY/T 667-2011（替代NY/T 667-2003）中将沼气工程定义为采用厌氧消化技术处理各类有机废弃物（水）制取沼气的系统工程。

配套系统主要有发酵原料的预处理系统，进出料系统，回流、搅拌系统，沼气的净化、储存、输配和利用系统，计量系统，安全保护系统，监控系统，沼渣、沼液综合利用或后处理系统。其中原料的预处理系统为收集、沉淀、水解、除沙、粉碎、调节、计量和加热等。

其按规模可划分为四种：特大型、大型、中型、小型。

此外当日产沼气量大于0.2 m³/d，小于0.25 m³/d，而沼气池总体容积为8~10 m³时，此类沼气工程可归类为户用型沼气工程^[4]。此类沼气工程主要是以农村单个农户家庭为单位，以生活垃圾、农作物秸秆和人畜粪便等为发酵原料，以生产沼气满足农户用能和改善生产生活环境为目的的沼气池。

从分布区域角度看，我国大中型沼气工程主要集中在长江中下游地区、黄淮海和华南区，其次为西南区，而东北区、黄土高原区和西北干旱区分布较少，而青藏高原则几乎没有大中型沼气工程分布^[5]。即目前中国的沼气工程分布并不均匀，分布的密集度与区域经济有关。

表1-1 中国沼气工程分布

Table 1-1 The distribution of biogas plant in China

沼气工程从工艺角度主要分为低温发酵（15~25 ℃）、中温发酵（35~37 ℃）和高温发酵（50~60 ℃），改善厌氧发酵的发酵温度有利于增加产气量。早在1981年法国的Demeyer ^[9]就从反应机理上分析出厌氧发酵在反应过程中存在着两个最适宜温度范围，中温发酵的理论最适宜温度在35 ℃左右，高温发酵的理论最适宜温度在55 ℃左右。

”十一五”规划中我国重点发展了户用沼气和农村沼气，这类沼气发酵过程多数为常温发酵，产气速率较低。而在”十二五”规划中则将”沼气工程”作为一个主要的发展方向，沼气工程因为具备标准化和先进的工程化设备，例如加热器可以提供稳定的发酵温度，能够明显改善产气水平^[10]。与中温发酵相比，高温发酵能够有效杀灭寄生虫和病原菌，具备更快的物料处理速度，更短的发酵周期和更高的容积产气率^[11]。

沼气是一种混合气体，包含了大约40-60% CH₄、30-50% CO₂ 以及少量的 SO₂, NH₃^[12]. 沼气已被用作燃料的历史已经超过了一百年。由于沼气的主要成分为甲烷，人们可以将沼气提纯制作生物甲烷，当甲烷含量大于97％时，可以用作车用燃料。如今在生物甲烷技术最发达的瑞典，生物甲烷已经将近取代化石燃料，用于提供大部分的能源需求。如果采用生物甲烷替代化石燃料，可以有效降低温室气体的减排^[13]。

由农林废弃物、厨余垃圾或城市垃圾发酵生成的沼气并不仅仅是能源，同时也是环境治理的过程。中国作为世界上最大的农业国，每年约有40亿吨畜禽粪便和770万吨秸秆排放^[14] 。目前在农村农业模式仍然是以家庭为单位的分散式状态，在这些欠发达地区，户用沼气是农夫们处理分布式农业废弃物，并获得额外的能量用于做饭或家庭日常热水的完美解决方案。在发达地区面临的困扰则为处理庞大而密集的量城市垃圾、厨余，此外还包含大规模农场产生的的农业废弃物也变得更加集中，而沼气或生物甲烷正好可以治理这类地区的污染，并提供高品质的能量作为车用燃料，或者发电和区域供暖，此外对二氧化碳减排有很大的贡献^[15]。

参考文献

[1] Yuan Yuexiang(袁月祥), Wen Haoshen(文昊深), Huang Xianbo(黄显波), Li Xiangzhen(李香真), Liu Xiaofeng(刘晓风), Li Dong(李东),Yan Zhiying(闫志英). Biogas production using corn-stalks andprokaryotic community composition [J]. CIESC Journal(化工学报),2014, 65(5): 1784-1791.

[2]Davis S. J., Caldeira K., Matthews H. D. Future CO2 Emissions and Climate Change from Existing Energy Infrastructure [J]. Science, 2010, 329(5997): 1330-3.

[3] Education Department of Science and Technology in Ministry ofAgriculture(农业部科技教育司). 2009#8212;2013 Yearbook of RuralEnergy in China(中国农村能源年鉴（2009#8212;2013）) [M]. Beijing:China Agriculture Press, 2013: 452-458.

[4]何周蓉, 张红丽. 农村沼气能源开发利用模式分析 [J]. 资源开发与市场, 2013, 29(6): 637-40

[5]李宝玉, 毕于运, 高春雨, 聂华. 我国农业大中型沼气工程发展现状, 存在问题与对策措施 [J]. 中国农业资源与区划, 2010, (2): 57-61.

[6] 吴兆流. 沼气工程技术的现状与发展趋势 [C]. 沼气发展战略和对策研讨会文集, 2010.

[7] 陈子爱, 邓良伟, 蒲小东, 刘刈, 宋立, 闵师界. 沼气工程终端产品补贴方案构想 [J]. 中国沼气, 2013, 31(4): 46-8.

[8] 李景明. 中国沼气行业的发展 [R]. 2014.

[9] Demeyer A., Jacob F., Jay M. La conversion bioenergetique : du rayonnement solaire es les biotechnologies [M]. Paris: Technique amp; Documentation, 1981.

[10] Jiang Xinyuan, Sommer Sven G, Christensen Knud V. A review of the biogas industry in China [J]. Energy Policy, 2011, 39(10): 6073-81.

[11] El-Mashad Hamed M, Zeeman Grietje, van Loon Wilko KP, Bot Gerard, Lettinga Gatze. Effect of temperature and temperature fluctuation on thermophilic anaerobic digestion of cattle manure [J]. Bioresource Technology, 2004, 95(2): 191-201.

[12] Bioenergy IEA. Biogas upgrading and utilisation [M]. Task. 1999.

[13] Junginger Martin, de Visser Erika, Hjort-Gregersen Kurt, Koornneef Joris, Raven Rob, Faaij Andr#233;, Turkenburg Wim. Technological learning in bioenergy systems [J]. Energy Policy, 2006, 34(18): 4024-41.

[14] Zhang P. D., Yang Y. L., Tian Y. S., Yang X. T., Zhang Y. K., Zheng Y. H., Wang L. S. Bioenergy industries development in China: Dilemma and solution [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(9): 2571-9.

[15] Munster Marie, Lund Henrik. Comparing Waste-to-Energy technologies by applying energy system analysis [J]. Waste Management, 2010, 30(7): 1251-63.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本文基于热力学第一、第二定律，从总传热系数和有效能的理论角度出发，采用实验测量和理论计算的方式，获取了一些基础数据。通过对发酵罐罐壁、罐顶和罐底的热损进行建模，进而可以计算、预测及优化大中型沼气工程在不同纬度和不同季节的散热和罐外加热等问题，从而为达到能量的最优化利用提供理论参考。

罐顶

当罐顶温度t_surf高于空气温度t_∞时，罐顶热量散失q₂主要为罐顶和空气之间对流散失热量。

（1-1）