建筑工地沼气生产及综合利用

作者：江湖笑笑生目 录1绪论11.1选题背景11.2国内外研究现状21.3 课题实施的意义与必要性72课题研究的目标和内容72.1 课题实施的主要研发目标72.2 课题研究与开发的主要内容83课题研究的方法和步骤84课题研究的主要过程94.1沼气发酵技术94.1.1沼气发酵的基本原理94.1.2沼气发酵的影响因素104.1.3加热沼气池系统的设计与安装134.1.4沼气管道的设计与安装184.1.5系统检验194.2沼气工程的冷热电三联供系统应用分析204.2.1发电系统214.2.2制冷系统234.2.3供热系统264.3主要试验结果274.3.1沼气工程的冷热电联供系统模拟分析和工艺研究274.3.2发电机系统的过程模拟分析274.3.3发电机系统的模拟结果分析294.3.4制冷系统的模拟参数分析314.3.5制冷系统的模拟结果324.4装配式混凝土参数分析324.4.1装配式混凝土的施工安全评估334.4.2施工安全评估模型的主要结构框架334.4.3 安全评估矩阵的构建334.4.4沼气工程的冷热电三联供系统的基本结构和特点335总结与展望345.1经济、社会效益345.2课题成果应用前景分析351绪论1.1选题背景目前我国的建筑工程施工还处于劳动密集型的阶段，一个项目需要组织大量的人员进行工程施工，卫生间和化粪池是建筑工地不可缺少的临时设施。由于传统化粪池的密封性较差和有机物去除率较低，容易造成水土污染和空气污染，不符合“绿色施工”的理念。此外，还需花费一定的费用定时对化粪池内的污物进行抽除清理，既增加抽除和运输污物的经济支出又对污物处理厂造成了一定的负担。如果将化粪池改造成沼气池并形成一套沼气系统，用于建筑工地的照明、燃气和取暖，则既响应国家关于建筑工地绿色施工及节能环保的要求，又能为项目能源消耗节约一部分经济支出。此外，将卫生间、沼气池及沼气系统设计成可以周转使用的标准化配置，将使公司不再一次性投入一次性报废，可以减少项目建设成本。所以对建筑工地卫生间及化粪池进行标准化改造，形成一套能够周转使用的沼气系统，可以有效的解决目前建筑工地卫生间及化粪池功能不完备，不可周转、不经济、不能最大限度发挥利用价值、不绿色环保等现象，促进工程的绿色文明施工管理，最终实现标准化、产业化，制定企业（行业）标准。自20世纪80年代末至今，我国沼气工程建设也实现了快速发展。从刚开始的对国外沼气技术的引进，到20世纪90年代末，已经拥有了完善的、成熟的、标准化的大中型沼气工程技术，并且取得了显著的成绩。在学术界，对沼气的研究，也从对沼气发酵的微生物学发展到对其的生态学，经济学，社会学和生物化学等各个领域的研究，同时也取得了大量的学术成果，不仅丰富了我国对于沼气建设的理论研究，也为其实践推广提出了诸多具有现实意义的政策建议，使我国在沼气建设和发展的许多方面已经接近国际的先进水平。大力推广沼气建设项目是实现清洁能源与循环农业的重要基础。过去，沼气的原料只局限于牲畜粪便，而现在，对秸秆以及生活垃圾的利用，不仅拓宽了沼气的原料来源范围，且部分地解决了我国农村“脏、乱、差”的问题。2009年的农村户用沼气研究的相关报告指出，预计到2015年，中国规模化养殖场畜禽粪便资源的实物量将达到32.5亿吨，约可产出沼气1950亿m。此外，城市垃圾和生活污水也是沼气资源的重要来源。预计到2020年，中国沼气开发量将达到270亿m，比2000年的四倍还多，年增长率约为9.1%，远超于化石燃料的年增长速度，相当于约三千万吨原煤的数量。此外，目前我国提出到2020年，与2005年相比，国内单位生产总值的二氧化碳排放量，要实现下降40%-45%左右的目标。因此，大力推广沼气建设项目及其利用和发展，不仅是实现该目标的有效途径之一，也对解决我国能源匮乏，环境污染具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状在对以沼气为纽带的农业生态模式的研究中，国内外学术界都已经进行了诸多方面的研究，也形成了一些具有学术价值的研究成果。本文通过对国内外文献的综述，试图从中发现目前研究中的不足之处和有待完善之处。1、国外文献综述通过对国外文献的研究，发现国外关于沼气的研究主要集中于以下两个方面：沼气作为一种生物质能源的利用潜力研究，沼气利用过程中产生的问题研究。James RFischer（2006）的一次演讲中指出，生物质能源作为一种可再生能源随处可见，生物质产业不久也会发展到世界各地。2008 年美国农业部评估了牲畜粪便作为一种化肥资源所起作用，对环境的影响，作为一种潜在的生物质能源的潜质。并指出沼气作为生物质能源的一种可以产生热量用于燃烧和发电（2009）。例如 Sally Brown（2010）认为生产和生活废弃物通过填满和焚烧，可得到100%的气体集成效率，根据其调查结果，沼气利用的平均效率可以达到33%。他指出 20 世纪90年代初，是以废弃物利用的革命性开端，他通过结合厌氧消化与堆肥，垃圾填埋是绿色能量（沼气）的重要来源之一。DuncanGraham-Rown（2005）认为作为一种新的产生沼气的方式，对生活废弃物的利用所产生的能量为世界能源供应做出巨大的贡献，他通过详细的研究，给出了对生活废弃物有效利用的细节。William D McBride, Marc Ribaudo（2009）通过对小规模和大规模牧场结构变化的研究，发现对粪便的管理实践有很大不同，包括对所产生的沼气的处理，对有用物质的处理都存在差异。Angela M Crooks（2005）认为以沼气池为中心建立起来的农业生产模式，可以产生无污染的肥料，减少农业残留物，提高农作物产量等，沼气作为一种可更新的能源，可以为人类提供强大的电力。Ralph E.H.Sims（2006）分别从经济、生态和社会三个方面对以沼气为主的生物质资源利用效益进行综合分析，进而指出未来生物质能源的发展前景十分广阔。David B.Levin Heguang Zhu（2007）以加拿大的生物质废弃物的利用为例，通过对相关数据的分析，从微观的角度指出了以沼气利用为主的生物质资源利用所带来的价值。与此相反，也有很多学者认为对于以沼气为中心的能源利用也带来了诸多的负面影响。如Changkook Ryu（2010）认为，由废弃物产生的能源（Energy from waste）是可再生能源的重要部分，南韩目前家庭废弃物的回收率达到 57%，垃圾填埋利用率达到 26%，其余的17%焚烧后用来产生热量。由此看来废弃物焚烧产生的能量不容忽视。MaximeGrand, Eric Gaidos（2010）则认为沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，是温室气体的重要组成部分，在发展沼气事业的同时，也加速了全球气温变暖。Jonathan Long（2009）认为通过焚烧生活废弃物所产生的气体，虽然在一定程度上可以为人类生产生活所用，但同时也产生了寄生生物，病毒和细菌，由此引发地方性疾病。这些疾病导致牲畜的生产力下降，带来一些疾病，导致温室气体的增多。Dashka Slater（2010）也指出目前在美国，垃圾填埋是甲烷放射的最大来源。Kirk Smith（2009）也认为从长远看，要想使气候停止变暖，就必须减少二氧化碳和甲烷的放射量，因为气候变暖有一半的原因归结于二氧化碳气体的过度排放。Melinda Wenner（2009）从地球物理的角度，也认为，气候变化的一个直接性的问题就是由垃圾填埋和焚烧所产生的甲烷气体。由此看来对沼气的利用要考虑到这一弊端。由上述文献综述可以看出，国外对于与沼气有关的研究已经处于高度发展阶段，其研究方向不再局限于以沼气为纽带的生物质资源利用的效益研究，而是主要集中于一些诸如气候变暖，温室效应等前沿性问题的研究。我国属于发展中国家，目前发展的首要任务依然是大力发展生产力，提高我国的综合国力，对于全球升温等问题的处理，我们还不能完全和发达国家相比，因为国家的发展必然会在一定程度上导致对环境的破坏，但是，我国也正在努力逐步减少对二氧化碳等温室气体的排放。由此看来，国外的一些研究并不适合我国的发展情况。2、国内文献综述国内对与沼气相关的诸多方面的研究也是在第三阶段发展起来的。由于学者们研究的出发点，研究方法和研究结论的不同，本文对其中主要的研究成果归结为以下几个方面：（1）以沼气为中心的农业生产模式研究对以沼气为中心的农业生产模式的研究，主要集中在对“三位一体”、“四位一体”、“五位一体”等的资源生态模式的研究。陈荣均（1997）首先运用调查和定点研究相结合的方法，对广东省目前的主要农业生态系统模式进行详尽的分析，并且指出以沼气为主的农业生态系统有利于农业的可持续发展。赵玉环等（2001）则是以珠江三角洲典型地区的调研数据为基础，总结了现阶段基塘系统的主要模式类型，并对 6 种典型的模式进行详细的生态经济分析，同时指出经济因素对该系统的良性循环起着决定性作用。毛羽（2005）以其设计的符合云南省某区的生态农业模式为案例，讨论了以沼气为纽带的生态生态农业模式对农村地区用能结构的优化及生态环境保护方面的作用，并从经济、社会和环境的角度对该模式所带来的综合效益进行了评价。骆世明等（2006）在回顾广东沼气发历程之后，介绍了广东典型的沼气农业模式，包括广东西南部、东南部，东北部的丘陵区典型农户沼气模式等，并以此为基础分析了沼气农业模式的空间分布规律、沼气模式和经济发展的关系。董宜来等（2007）通过对平阴县西山村的“鱼-沼-猪”生态养殖模式的调研，指出该模式形成的有机生态链，不仅降低农户的生产成本，同时也减少环境污染。林忠华等（2007）认为沼气技术是解决畜禽粪便污染的最有效途径之一，并通过对“猪-沼-藻”模式的研究，指出这种高效循环农业模式能够把沼气池的建设、畜禽粪便的无害化处理与综合利用结合起来，实现低能耗，低成本，高资源回收率的目的。程梅珍（2007）在总结了天津滨海新区循环经济建设的成就之后，分析了滨海新区循环经济发展的特点，并针对这些特点提出了一些建议。李克敌等（2008）通过对“猪-沼-果-灯-鱼”五位一体的新型生态农业模式的调研报告的总结，结合对广西恭城县黄岭村“五位一体”生态农业模式的实践调研，分析了该种生态农业模式的经济合理性。魏世清等（2009）以广西田阳县的一个中学校园为主体，研究设计了“猪（厕）-沼-食堂（蔬）”生态校园模式，其良好的运作效果为其他农村学校的校园建设提供了示范和带头作用。陆宏等（2009）针对慈溪市城镇化过程中引起的粪便处理问题，指出利用以沼气为纽带的生态农业模式，能够有效地解决此问题，同时也能进一步改良土壤，节省肥料成本，提高农作物产量和品质等，从而取得显著的经济和生态效益。吴彩娥（2001）认为以沼气建设为纽带，循环利用农业生产过程中产生的废弃物，是实现有机质能量循环利用的主要途径，同时还消除了污染，形成系统内物质的良性的循环利用，进而促进了经济、社会和生态环境的协调发展。申登峰等（2005）以甘肃中部一个典型农户的庭院型“四位一体”生态农业模式为案例，从生态学的角度对该系统的能量流动状况进行研究。陈豫等27以陕西省为例，运用层次分析法，通过建立“四位一体”生态农业模式的区域影响因素，对“四位一体”生态农业模式区域适宜性进行了比较研究，并依据分析结果为政府提供了一些有价值的建议。孙贝烈等（2008）则根据北方地区的社会经济条件和资源特点，对“四位一体”生态农业模式的构成体系进行研究，确立了一套北方“四位一体”生态农业模式标准化结构设计标准。张培栋（2005），张忠俊（2007）都认为“四位一体”的生态农业模式已经成为发展循环农业的一个良好模式，并且能有效解决农村能源供应短缺，农民收入低下，农村环境恶劣等问题