چکيده

در این تحقیق عوامل مؤثر در طراحی، ساخت و کابرد یک واحد بیوگاز مورد بررسی قرار گردیده و پس از ساخت و تکمیل آن با کود آلی مورد آزمایش قرار گرفته تا صحت کار دستگاه مشخص گردد. در این راستا ابتدا کلیه عوامل محیطی تأثیر گذار در طراحی و ساخت یک رآکتور بیوگاز بررسی گردید. سپس رآکتور و کلیه تجهیزات جانبی آن توسط نرم افزار SolidWorks و AutoCad طراحی گردید. در مرحله بعد با استفاده از طرح­های بدست آمده، رآکتور بیوگاز ساخته شد. پس از اتمام طراحی و ساخت، رآکتور جهت آب بندی، گاز بندی و کنترل حرارتی مورد آزمایش قرار گرفت تا صحت کار آن مشخص گردد. بعد از تأئید کارکرد، رآکتور ابتدا با کود مرغی و سپس با کود بلدرچین بارگذاری شد و گاز تولید گردید. پس از پایان آزمایش­ها، بیوگاز تولیدی با دستگاه تست گاز تجزیه گردید و در نهایت نتایج مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت.

کلمات کليدي: بیوگاز، رآکتور، کنترل حرارتی، طراحی.

1- بررسی منابع.. 5

1-1- تعریف بیوگاز.. 5

1-2- منابع تولید بیوگاز.. 6

1-3- نحوه تولید بیوگاز.. 7

1-4- اصول هضم بي هوازي در تولید بیوگاز.. 8

1-5- مراحل شیمیائی تخمیر مواد آلی (شامل چربیها، هیدراتهای کربن و پرتئین ها).. 12

1-5-1- تخمیر چربیها.. 12

1-5-2- تخمیر هیدراتهای کربن.. 12

1-5-3- تخمیر پرتئینها.. 13

1-6- پارامترهاي مؤثر بر فرآيند هضم بيهوازي.. 13

1-6-1- درجه حرارت محیط تخمیر.. 14

1-6-2- اسیدیته ((PH.. 16

1-6-3- میزان حضور مواد مغذی در محیط (C/N).. 16

1-6-4- درجه غلظت مواد.. 17

1-6-5- میزان حضور عوامل سمی.. 17

1-6-6- مدت زمان ماند مخلوط در مخزن هضم.. 18

1-6-7- همزدن محتویات مخزن هضم و هموژنیزه کردن محتویات.. 19

1-6-8- آماده سازی مواد خام قبل از بارگیری.. 20

1-6-9- وجود مواد تسریع کننده واکنش.. 21

1-6-10- اصلاح و تغيير در طراحي دستگاه بيوگاز.. 21

1-6-11- مواد افزودني شيميائي.. 21

1-6-12- تغيير دادن نسبت خوراک دستگاه.. 21

1-6-13- محيط بيهوازي (بسته).. 22

1-7- انواع روشهای بارگذاری مخازن هضم:.. 22

1-7-1- سیستم پيوسته:.. 22

1-7-2- سیستم نيمه پيوسته:.. 22

1-7-3- سیستم ناپيوسته: 22

1-8- جمع آوري بیوگاز تولیدی:.. 23

1-9- بیوگاز و کود حاصل از آن:.. 24

1-10- ساختار کلي دستگاه توليد بيوگاز:.. 24

1-10-1- حوضچه ورودي:.. 24

1-10-2- حوضچه خروجي:.. 25

1-10-3- مخزن تخمير:.. 25

1-10-4- محفظه گاز:.. 26

1-11- مهمترین طرحهای بیوگاز ساخته شده در جهان:.. 28

1-11-1- دستگاه بیوگاز عمودی.. 28

1-11-2- دستگاه بیوگاز افقی.. 30

1-11-3- دستگاه بیوگاز مشترک.. 31

1-11-4-دستگاه بیوگاز مدل چینی (قبه ثابت).. 32

1-11-5- دستگاه بیوگاز مدل فرانسوی.. 34

1-11-6- دستگاه بیوگاز با لولههای چرمی.. 35

1-11-7-دستگاه بیوگاز با مخزن پلی اتیلنی.. 37

1-11-8- دستگاه بيوگاز با سرپوش شناور (مدل هندي):‏.. 37

1-11-9- دستگاه بيوگاز مدل تايواني (واحدهای بالونی):.. 39

1-11-10- دستگاه بیوگاز مدل نپال:.. 40

1-12 -مروری بر مطالعات انجام شده.. 40

2- مواد و روشها.. 49

2-1- مراحل ساخت واحد بیوگاز با تمام جزئیات آن:.. 49

2-1-1- انتخاب مکان ساخت واحد بیوگاز.. 49

2-1-2- بررسی شرایط جوی.. 51

2-1-3- بررسی شرایط خاک منطقه.. 51

2-1-4- بررسی مواد آلی مورد نیاز.. 52

2-1-4-1- کود مرغی.. 52

2-1-4-2- کود بلدرچین.. 52

2-2- طراحی و ساخت اتاقک عایق:.. 53

2-2-1- طراحی اتاقک عایق.. 53

2-2-2- ساخت اتاقک عایق.. 53

2-2-3- دریچه خروجی:.. 54

2-3- مراحل طراحی و ساخت  مخزن هضم دستگاه:.. 55

2-3-1- طراحی مخزن هضم:.. 55

2-3-2- ساخت دستگاه:.. 57

2-3-2-1- انتخاب مخزن هضم:.. 58

2-3-2-2- لوله ورودی:.. 58

2-3-2-3- لوله خروجی:.. 59

2-3-2-4- فشار سنج:.. 61

2-3-2-5- طراحی المنتها:.. 62

2-3-2-6- PH متر: 66

2-4- عایق کاری مخزن هضم.. 66

2-5- تست رآکتور.. 67

2-5-1- تست دستگاه با آب برای اطمینان از آب بندی بودن:.. 67

2-5-2- تست صحت کار المنتها:.. 68

2-5-3- تست گازبندی مخزن:.. 68

2-6- مشخصات دستگاه تست گاز:.. 70

2-6-1- دستگاه آنالایزر گاز ساخت کمپانی Testo آلمان.. 70

2-7- معرفی شبکه عصبی.. 71

2-8- شبكه عصبي مصنوعي.. 71

2-8-1- شبکه پس انتشار پیش خور (FFBP) :.. 76

2-8-2- شبکه های پس انتشار پیشرو (CFBP):.. 76

2-8-3- الگوریتم لونبرگ- مارکوارت (LM).. 77

2-8-4- الگوریتم تنظیم بیزی (BR).. 77

2-8-5- مجذور میانگین مربعات خطا.. 78

2-8-6- خطای میانگین مطلق.. 78

2-8-7- ضریب تعیین (همبستگی).. 78

2-9- انجام آزمایش:.. 79

3- نتایج.. 81

3-1- ساخت رآکتور.. 81

3-2- آزمایش کود مرغی در دمای 35 درجه سانتیگراد.. 83

3-2-1- بررسی اثر دما بر حجم بیوگاز تولیدی از کود مرغی.. 84

3-2-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز کود مرغی.. 85

3-2-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود مرغی.. 86

3-3- آزمایش  کود مرغی در دمای 30 درجه سانتیگراد.. 87

3-3-1- بررسی اثر دما بر حجم بیوگاز تولیدی از کود مرغی.. 87

3-3-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز کود مرغی.. 87

3-3-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود مرغی.. 88

3-4- آزمایش  کود بلدرچین در دمای 35 درجه سانتیگراد.. 89

3-4-1- بررسی اثر دما بر روی حجم بیوگاز تولیدی از کود بلدرچین   90

3-4-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز کود بلدرچین.. 91

3-4-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود بلدرچین.. 92

3-5- آزمایش با کود بلدرچین در دمای 30  درجه سانتیگراد.. 93

3-5-1- بررسی اثر دما بر روی حجم بیوگاز تولیدی از کود بلدرچین   93

3-5-2- بررسی اثر دما بر روی فشار بیوگاز تولیدی از کود بلدرچین   94

3-5-3- بررسی اثر PH بر روی تولید بیوگاز کود بلدرچین.. 95

3-6- بررسی و مقایسه پارامترهای کود مرغی و بلدرچین در دمای مشخص   96

3-6-1- مقایسه حجم گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 35 درجه سانتی گراد.. 96

3-6-2- مقایسه فشار گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 35 درجه سانتی گراد.. 97

3-6-3- مقایسه PH گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 35 درجه سانتی گراد.. 98

3-6-4- مقایسه حجم گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 30 درجه سانتی گراد.. 99

3-6-5- مقایسه فشار گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 30 درجه سانتی گراد.. 100

3-6-6- مقایسه PH گاز تولیدی کود مرغی و بلدرچین در دمای 30 درجه سانتی گراد.. 101

3-7- بررسی و مقایسه پارامترها در دو دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد   102

3-7-1- مقایسه حجم گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد   102

3-7-2- مقایسه فشار گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد.. 103

3-7-3- مقایسه PH گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد.. 104

3-7-4- مقایسه حجم گاز تولیدی کود بلدرچین  در دمای 30 و 35 درجه سانتی گراد.. 105

3-7-5- مقایسه فشار گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30  و 35 درجه سانتی گراد.. 106

3-7-6- مقایسه PH گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30  و 35 درجه سانتی گراد.. 107

3-8- نتایج شبکه عصبی.. 108

3-8-1- بررسی نتایج شبیه سازی در شبکه عصبی برای کود مرغی.. 109

3-8-1-1- بررسی فشار گاز در آزمایش کود مرغی.. 109

3-8-1-2- بررسی ph گاز در آزمایش کود مرغی.. 111

3-8-1-3- بررسی حجم گاز در آزمایش کود مرغی.. 114

3-8-2- بررسی نتایج شبیه سازی در شبکه عصبی برای کود بلدرچین.. 116

3-8-2-1- بررسی فشار گاز در آزمایش کود بلدرچین.. 116

3-8-2-2- بررسی ph گاز در آزمایش کود بلدرچین.. 118

3-8-2-3- بررسی حجم گاز در آزمایش کود بلدرچین.. 121

4- منابع:.. 125

شکل ‏1‑1 چرخه بیوگاز در طبیعت.. 7

شکل ‏1‑2- دستگاه بیوگاز.. 7

شکل ‏1‑3-  فرآیند تولید گاز در مخزن هضم.. 9

شکل ‏1‑4- مراحل مختلف تبدیل مواد آلی به بیوگاز.. 13

شکل ‏1‑5-  رآکتور بيوگاز به همراه همزن.. 20

شکل ‏1‑6-  مخزن ترکیب 2- لوله ورودی 3-مخزن هضم 4- مواد سنگین ته نشین شده 5- مخزن گاز 6- لوله خروج گاز 7- نگهدارنده درب مخزن هضم 8-  لوله خروجی 9- مخزن کودابه خروجی 10- درب مخزن تخلیه 11- سطح زمین 12- لوله انتقال گاز   27

شکل ‏1‑7-  مخزن ذخيره گاز فايبرگلاس.. 27

شکل ‏1‑8- بالنهاي ذخيره بيوگاز.. 28

شکل ‏1‑9- دستگاه بیوگاز عمودی.. 29

شکل ‏1‑10- دستگاه بیوگاز افقی 1. مخزنهای ترکیب 2. لوله ورودی 3. محفظه اولیه 4. محفظه ثانویه 5. حفره اصلی 6. بخش مخزن هضم بالای سطح زمین 7. حافظ گاز 8. مخلوط آب و روغن 9. خط گاز 10. دریچه خروجی 11.دریچه خروج آب 12.اجاق 13. سطح زمین.. 30

شکل ‏1‑11- دستگاه بیوگاز مشترک.. 32

شکل ‏1‑12- دستگاه بیوگاز اصلاح شده نوع چینی 1. محافظ گاز با قبه ثابت 2. مخزن هضم 3. مخزن ترکیب 4. محفظه کمکی 5. خط گازی 6. شیشه آب 7. لوله خروجی 8. اجاق.. 33

شکل ‏1‑13- دستگاه بیوگاز  مدل فرانسوی 1. لوله ورودی 2. مخزن هضم فولادی ضد زنگ 3. لوله خروجی 4. غلتک زیست توده با پوشش فولادی 5. خط گازی 6. شیر آب 7. لوله های تایر واگن باری 8. شیر گاز 9. اجاق 10. سطح زمین.. 35

شکل ‏1‑14- دستگاه بیوگاز با لولههای چرمی 1. مخزن ترکیب 2. مخزن هضم لوله چرمی 3. هواکش گازی 4. خروجی 5. حافظ گاز لوله  چرمی 6. خط گازی 7. اجاق   36

شکل ‏1‑15- دستگاه بیوگاز با مخزن پلی اتیلن. 1- مخزن مخلوط.2- لوله ورودی pvc. 3- کیسه مخزن هضم استوانهای روی زمین. 4- مخزن هضم استوانهای زیر زمین. 5- خروجی با لوله معین. 6- لوله گاز. 7- شیر خروج آب. 8- اجاق. 9- سطح زمین   37

شکل ‏1‑16- دستگاه بیوگاز با سرپوش شناور 1. مخزن ترکیب 2. مخزن هضم اولیه 3. مخزن هضم ثانویه 4. حافظ متحرک گاز 5. آب همراه با روغن 6. خط گاز 7. مقیاس اندازه گیری گاز 8. شیر اب 9. لولهی تخلیه 10. حفاظت از حرکت غلتک 11. کولونی... 38

شکل ‏1‑17- دستگاه بیوگاز مدل تایوانی.. 39

شکل ‏1‑18- دستگاه بیوگاز مدل نپال. مخزن ترکیب 2- لوله ورودی 3-مخزن هضم 4- مواد سنگین ته نشین شده 5- مخزن گاز 6- لوله خروج گاز 7- نگهدارنده درب مخزن هضم 8-  لوله خروجی 9- مخزن کودابه خروجی 10- درب مخزن تخلیه 11- سطح زمین.. 40

شکل ‏2‑1- نقشه اتاقک عایق، مخزن هضم و گودال کودابه.. 53

شکل ‏2‑2- مراحل ساخت اتاقک عایق و گودال ذخیره کودابه خروجی.. 54

شکل ‏2‑3- طراحی مخزن هضم با استفاده از نرم افزار اتوکد.. 57

شکل ‏2‑4- مخزن هضم پلی اتیلنی.. 58

شکل ‏2‑5- لوله ورودی و لوله خروجی.. 59

شکل ‏2‑6- الف-  لوله خروج کودابه ب- مخزن هضم و لولههای ورودی و خروجی   60

شکل ‏2‑7- لوله دو شاخه برای خروج گاز و نصب فشار سنج.. 61

شکل ‏2‑8- مدار الکتریکی المنتهای حرارتی.. 63

شکل ‏2‑9-  طراحی قاب المنتهای حرارتی.. 63

شکل ‏2‑10- المنتهای حرارتی در قاب فلزی قرار گرفتهاند... 64

شکل ‏2‑11-  الف- تابلوی برق، ب- کلیدهای کنترل کننده المنتها.. 65

شکل ‏2‑12- ترموستات.. 65

شکل ‏2‑13- الف- محلول های بافر  ب- PH متر.. 66

شکل ‏2‑14- عایقکاری رآکتور.. 67

شکل ‏2‑15- دستگاه تست گاز.. 70

شکل ‏2‑16- مدل ریاضی ساده شده عصب واقعی.. 72

شکل ‏2‑17- پرسپترون 3لایه با اتصالات کامل.. 73

شکل ‏3‑1- نمودار حجم- زمان کود مرغی در دمای35.. 85

شکل ‏3‑2- نمودار فشار- زمان کود مرغی در دمای35.. 86

شکل ‏3‑3-  نمودار PH- زمان کود مرغی در دمای35.. 86

شکل ‏3‑4- نمودار حجم- زمان کود مرغی در دمای30.. 87

شکل ‏3‑5- نمودار فشار- زمان کود مرغی در دمای30.. 88

شکل ‏3‑6- نمودار PH- زمان کود مرغی در دمای30.. 89

شکل ‏3‑7- نمودار حجم- زمان کود بلدرچین در دمای35.. 91

شکل ‏3‑8- نمودار فشار- زمان کود بلدرچین در دمای35.. 92

شکل ‏3‑9- نمودار PH - زمان کود بلدرچین در دمای35.. 93

شکل ‏3‑10- نمودار حجم- زمان کود بلدرچین در دمای30.. 94

شکل ‏3‑11-  نمودار فشار- زمان کود بلدرچین در دمای30.. 95

شکل ‏3‑12- نمودار PH - زمان کود بلدرچین در دمای30.. 96

شکل ‏3‑13- نمودار حجم - زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای35.. 97

شکل ‏3‑14- نمودار فشار - زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای35.. 98

شکل ‏3‑15- نمودار PH - زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای35.. 99

شکل ‏3‑16- نمودار حجم- زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای30.. 100

شکل ‏3‑17- نمودار فشار- زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای30.. 101

شکل ‏3‑18- نمودار PH - زمان کود مرغی و بلدرچین در دمای30.. 102

شکل ‏3‑19- نمودار حجم گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35.. 103

شکل ‏3‑20- نمودار فشار گاز تولیدی کود مرغی در دمای 30 و 35.. 104

شکل ‏3‑21- نمودار PH  کود مرغی در دمای 30 و 35.. 105

شکل ‏3‑22- نمودار حجم گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35.. 106

شکل ‏3‑23- نمودار فشار گاز تولیدی کود بلدرچین در دمای 30 و 35   107

شکل ‏3‑24- نمودار PH کود بلدرچین در دمای 30 و 35.. 108

شکل ‏3‑25- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای فشار کود مرغی.. 109

شکل ‏3‑26- نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های فشار گاز کود مرغی.. 110

شکل ‏3‑27- نمودار تست داده های فشار کود مرغی.. 111

شکل ‏3‑28- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای ph کود مرغی.. 112

شکل ‏3‑29 - نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های ph کود مرغی.. 113

شکل ‏3‑30- نمودار تست داده هایph کود مرغی.. 113

شکل ‏3‑31- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای حجم گاز کود مرغی.. 114

شکل ‏3‑32- نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های حجم کود مرغی.. 115

شکل ‏3‑33- نمودار تست داده های حجم گاز کود مرغی.. 116

شکل ‏3‑34- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای فشار گاز کود بلدرچین.. 117

شکل ‏3‑35- نمودار آموزش و اعتبار سنجی داده های فشار گاز کود بلدرچین   118

شکل ‏3‑36- نمودار تست داده های فشار گاز کود بلدرچین.. 118

شکل ‏3‑37- نمودار تعیین عملکرد شبکه برایph  کود بلدرچین.. 119

شکل ‏3‑38- نمودار آموزش و اعتبار سنجی ph کود بلدرچین.. 120

شکل ‏3‑39- نمودار تست داده های ph  کود بلدرچین.. 121

شکل ‏3‑40- نمودار تعیین عملکرد شبکه برای حجم گاز کود بلدرچین.. 122

شکل ‏3‑41- نمودار آموزش و اعتبار سنجی حجم گاز کود بلدرچین.. 123

شکل ‏3‑42- نمودار تست داده های تست برای حجم گاز کود بلدرچین.. 123

جدول ‏1‑1- ترکیبات موجود در بیوگاز.. 5

جدول ‏1‑2-  جدول فرآيندهاي مختلف تبديل زيست توده به بيوگاز.. 11

جدول ‏1‑4- محدودههای درجه حرارت در تخمير بيهوازي.. 15

جدول ‏1‑4- نمودار مدت زمان ماند مواد در داخل رآکتور.. 19

جدول ‏3‑1- مقایسه دستگاه بیوگاز نوع مخزن بتونی (مدل چینی) با مخزن پلی اتیلنی   82

جدول ‏3‑2- تجزیه بیوگاز کود مرغی.. 84

جدول ‏3‑3-  تجزیه بیوگاز کود بلدرچین.. 90

جدول ‏3‑4- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر فشار.. 110

جدول ‏3‑5- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر ph.. 112

جدول ‏3‑6-  تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر حجم.. 115

جدول ‏3‑7- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر فشار.. 117

جدول ‏3‑8- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر ph.. 119

جدول ‏3‑9- تعیین عملکرد شبکه برای مقادیر حجم.. 122