شکل ۷-۳ میزان تولید بیوگاز به دست آمده از نتایج تجربی برای واحد خوراک ۱۰۳

شکل ۷-۴ مقایسه نتایج تجربی با محاسبه شده مورد نیاز ماهانه ۱۰۴
شکل ۷-۵ مقایسه نتایج تجربی با محاسبه شده مورد نیاز هفتگی ۱۰۴
شکل ۷-۶ برآورد مقدار تولید در سیستم ترکیبی ساخته شده برای روستای فیرورق ۱۰۶
شکل ۷-۷ مقایسه میزان تولید بیوگاز نتایج تجربی و برآورد شده ۱۰۶
شکل ۷-۸ نتایج صحیح آزمایش دکتر عمرانی ۱۰۸
شکل ۷-۹ میزان فزایش تولید بیوگاز به دلیل تجهیزات به کار گرفته شده بر حسب درصد ۱۰۸
شکل۷-۱۰ تحلیل انرژی برای رآکتور اول ۱۰۹
شکل ۷-۱۱ تحلیل انرژی برای رآکتور دوم ۱۱۰
شکل۷-۱۲ تحلیل انرژی برای رآکتور سوم ۱۱۰
شکل ۷-۱۳ مقایسه رآکتور های نوع اول ، دوم و سوم ۱۱۲
چکیده
این پایان نامه به بررسی و تحلیل طراحی رآکتور های بی­هوازی می ­پردازد. سه رآکتور جهت افزایش راندمان پیشنهاد داده شده اند. تمام محاسبات طراحی هر سه رآکتور در نرم افزار EES انجام گردیده است. رآکتور اول، ساخت و بهره برداری یک رآکتور بیوگاز ترکیبی هندی و چینی است. هدر رفت گاز از مخزن خروجی و سفت شدن محلول از دلایل کم بودن راندمان در هاضم­‌های بیوگاز می­باشند. در طراحی و ساخت رآکتور موجود برای افزایش بازده ، از همزن مکانیکی جهت افزایش تولید و از سرپوش گازی برای استحصال بیوگاز حوضچه خروجی استفاده گردیده است. در رآکتور دوم کویل آبگرم داخلی و آبگرمکن بیوگازسوز تجهیزات ضمیمه شده به رآکتور اول هستند. در رآکتور سوم تجهیز آبگرمکن خورشیدی، به رآکتور دوم اضافه شده است. این رآکتورها با یکدیگر مقایسه گردیده و رآکتور ایده‌آل برای منطقه طراحی انتخاب و ساخته شده است. رآکتورها ، با مدت زمان اقامت ۱۱۷روز با حجم هاضم ۹۶۰۰ لیتر فضولات که با نسبت یک به یک با آب مخلوط شده اند، طراحی شده اند. هاضم ساده توانایی تولید متوسط بیش از یک مترمکعب گاز را در روز داراست. رآکتور اول با بتن مسلح در مرز شمال غربی کشور (شهرستان خوی-شهر فیرورق) احداث گردیده است. حجم مخزن خروجی دو مترمکعب و سرپوش گازی به حجم ۳۵۰ لیتر می باشد. در ابتدا میزان بارگیری مخزن ۱۲ تن مخلوط است که از آن پس به صورت متناوب با مقدار خوراک روزانه ۴۰ کیلوگرم فضولات گاوی می باشد. براساس آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌های تجربی میزان گاز خروجی با به کار بردن همزن ۵/۶ درصد ، سرپوش ۲۱ درصد و همزن و سرپوش ۵/۲۷درصد افزایش می یابد. نتایج تجربی بر حسب تعداد روزهای آزمایش ۱ تا ۱۱۷ روز ارائه شده است. مدل‌سازی نتایج علمی و تجربی در طول یک سال انجام گرفته است که در راستای آن نیاز انرژی ساختمان و انرژی گاز تولید شده بررسی شده است.
واژه‌گان کلیدی: تبدیل انرژی ، طراحی رآکتور بی‌هوازی ، سیستم بیوگاز، تامین انرژی ، بیوگاز
فصل اول
کلیات تحقیق
۱-۱ تحلیل مساله و ضرورت انجام تحقیق
با وجود مشکلات عرضه انرژی و هدفمند شدن یارانه ها و گرانی سوخت ، جایگاه انرژی های نو در کشور مشخص­تر می شود. حال با معرفی سیستم بیوگاز به عنوان حلال برخی مشکلات مذکور ،برای توجیه بهتر مسئله، (شادی طلب و نایه در، ۱۳۸۸) رآکتور بیوگاز شرح داده شده می­ شود( تقوی و عباسپور، ۱۳۹۲). هاضم های بی­هوازی دارای مشکلاتی هستند که محبوبیت استفاده از آنها را کم می­ کند. بزرگترین مشکل هاضم­ها عدم جوابگویی به نیاز انرژی ساختمان می باشد. در پروژه حاضر روش­های علمی جدیدی برای حل این مشکل آورده شده است که نو آوری تحقیق می باشد.
یک دستگاه بیوگاز عموماً و به طور کلی از دو حوضچه ورودی و خروجی, یک مخزن تخمیر و یک محفظه گاز تشکیل شده است که با توجه به شرایط خاص اقلیمی و امکانات فنی و مالی به شکل‌های مختلف ساخته شده و مورد بهره برداری قرار می‌گیرد (احمدی ،۱۳۶۴). برای اینکه فرایند تشکیل بیوگاز در مخزن تخمیر به خوبی صورت گیرد باید درجه حرارت حدود ۲۰ تا ۳۵ درجه سلسیوس باشد و مواد اولیه تقریباً هم حجم خود با آب مخلوط شده باشند (ساسه ،۱۳۷۴). بیو گاز توسط باکتریهایی که موجب تجزیه ، پوسیدن وشکسته شدن مواد آلی درشرایط بدون اکسیژن می­ شود لذا چنین فرآیندی را هضم بی­هوازی گویند که شامل دو مرحله است (خردمند و همکاران، ۱۳۸۸). اصولاً بیوگاز را می توان از هر ماده آلی به دست آورد. (مهراسبی ، ۱۳۷۶).
۱-۲ بیوگاز و مشخصات آن
بیوگاز به عنوان یک حامل انرژی می ­تواند جایگزین بسیار مناسبی برای سوختهای فسیلی باشد. بیوگاز سوخت تمیزی است که ایجاد آلودگی زیست محیطی نمی­کند(عمرانی ق،۱۳۶۳). این مخلوط گازی که از تخمیر مواد زاید آلی در شرایط بی­هوازی حاصل می­ شود دارای میزان۶۰ تا ۷۰ درصد متان،۳۰ تا۴۰ درصد دی­اکسیدکربن و مقادیر ناچیزی از گازهای دیگر مانند هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن، منواکسیدکربن و سولفید هیدروژن است. بیوگاز مقداری سبک­تر از هواست و دمای شعلۀ آن ۸۷۰ درجه سانتیگراد و دمای احتراق آن ۷۰۰ در جه سانتی گراد می­باشد که در مقایسه، گازوئیل ۳۵۰ درجه سانتیگراد ، نفت و پروپان در حدود ۵۰۰ درجه سانتی گراد مناسب است. (ساسه ، ۱۳۷۴)
۱-۳ انواع واحدهای بیوگاز
واحد مخزن گاز ثابت با فضای گاز ثابت مدل چینی غیر متحرک است و گاز حاصل در قسمت فوقانی دایجستر ذخیره می شود. در شکل۱-۱ واحد مخزن گاز ثابت نشان داده شده است. واحد با مخزن گاز شناور در شکل ۱-۲ شامل دایجستر و مخزن نگهدارنده گاز متحرک است مخزن نگهدارنده گاز یا بر روی لجن تخمیری یا در پوسته آب مخصوص به خود شناور می باشد گاز همچنان متصاعد شده در مخزن شناور جمع آوری می­ شود. اگر گاز خارج شود مخزن مجدداً به حالت اول بر می گردد زنگ زدگی سبب کوتاه شدن عمر واحد تا ۱۵ سال و در ناحیه گرمسیر حدود ۵ سال می شود. مخارج تعمیر و نگهداری مدام ناشی از هزینه­ های رنگ آمیزی و احداث وجود دارد. مخزن های از جنس پلیکا به خاطر عدم پایداری آنها در مقابل اشعه ماورای بنفش مناسب نیستند مخزن گاز شناور را می­توان با بالون بر روی دایجستر جایگزین نمود.
شکل۱-۱ واحد مخزن گاز ثابت یا دایجستر چینی (وافی محمدی م. ۱۳۸۶)
۱ – حوضچه و لولۀ ورودی ۲ - دایجستر ۳ - مخزن خروجی ۴ - مخزن نگهدارنده گاز ۵ - لولۀ گاز ۶ - در پوش ورودی ( با بهره گرفتن از وزنه ها مهار شده است ) ۷- اختلاف ارتفاع برابر با اختلاف فشار بر حسب سانتی متر آب ۸ - لایۀ زلال ۹ - (انباشتگی )لجن غلیظ ۱۰ -(انباشتگی)سنگ و شن ۱۱ -خط مبداء (صفر )ارتفاع پر شدن مخزن بدون فشار گاز
شکل ۱-۲ واحد مخزن گاز شناور یا دایجستر هندی (وافی محمدی م. ۱۳۸۶)
۱-۴ زیست توده
بیوگاز می تواند از فضولات حیوانی، انسانی، بقایای گیاهانی هم­چون باکاس ، کلش(کلوری و همکاران ، ۱۳۹۱)، تفاله‌های چغندر(عزت زادگان ، ۱۳۹۱) ، تفاله‌های گل محمدی (دعاگویی و همکاران ، ۱۳۹۰) و حتی زباله (یزدان داد و همکاران ، ۱۳۹۰) تولید شود. مواد آلی , فضولات حیوانی , انسانی و گیاهی قابل باز یافتند و تحت شرایط ویژه ای می توان از آنها گاز متان تهیه کرد ( ساسه ، ۱۳۷۴) . زباله‌تر تولیدی در شهر ها و روستاها، فضولات حیوانی و انسانی (روشنی و همکاران ،۱۳۹۱) ، بقایای گیاهی ، بقایای شهری ،( عتابی و همکاران، ۱۳۹۱) پساب صنایع ،تفاله نیشکر( مستعد و همکاران ، ۱۳۸۹)، لندفیل^[۱] ها (اسماعیلی و اسماعیلی ، ۱۳۹۲) (خردمند و همکاران ، ۱۳۸۸) ، تصفیه شیرابه (ذوقی و قویدل، ۱۳۸۸). از چغندر میتوان طی شرایطی بیو اتانول تولید نمود و با نسبت معینی گازوئیل ترکیب کرده به عنوان سوخت استفاده کرد و بدین وسیله از مصرف سوخت­های فسیلی کاسته و مانع تولید گازهای گلخانه­ای می­ شود.( Eric et al ،۲۰۰۱)
۱-۵ کارآیی منابع و نگرش اجتماعی
از دیگر دلایلی که مردم را نسبت به استفاده از بیوگاز بدبین نموده راندمان کم دایجستر­های خانگی می­باشد که اغلب جوابگوی نیاز ساختمان ها نبوده و بلا استفاده می مانند(آذری­کیا و اشجاری، ۱۳۹۳). این امر به دلیل استفاده از روش­های سنتی در طراحی هاضم­ها اتفاق می­افتد( قدیم­خانی وهمکاران، ۱۳۹۲). چند مورد از مزایای استفاده از بیوگاز، امکان تولید انرژی در محل مصرف و حذف تلفات شبکه انتقال نفت ، برق و گاز، امکان تحویل انرژی پاک ،ارزان و تحویل انرژی به­فرم آبگرم، سوخت یا روشنایی، ایجاد اشتغال و توسعه صنایع مرتبط، تبدیل زباله شهری و صنعتی و فاضلاب‌های شهری و زائدات کشاورزی، جنگلی و دامی به کود بهداشتی ( آذری کیا و اشجاری، ۱۳۹۲)، تولید همزمان برق و حرارت بیوگاز سوز در کشور (امین صالحی و عبدلی، ۱۳۸۸) و جلوگیری از مهاجرت بیان می‌شود(تقدیسی و احمدی، ۱۳۹۱).
۱-۶ رآکتور ترکیبی بیوگاز
هاضم بی­هوازی می ‌تواند در تمام ساعات و طول مدت سال بیوگاز تولید کند. می ­تواند به صورت خانگی در مصارف پخت و پز یا روشنایی و یا گرمایش به عنوان منبع انرژی استفاده شود. رآکتور ترکیبی در این تحقیق در سه نوع طبقه بندی شده است که هر سه در فصل دو شرح داده خواهد شد. رآکتور اول داری همزن و سرپوش می باشد که ساخت این رآکتور در این تحقیق انجام شده است. رآکتور دوم دارای امکانات رآکتور اول ، کویل داخلی و یک آبگرمکن بیوگازسوز است که در داخل دایجستر قرار میگیرد. در فصول سرد که دمای زمین پایین است، بیوگاز تولید شده در آبگرمکن تبدیل به آبگرم شده و وارد کویل داخلی شده و کمبود انرژی را جبران می­ کند. رآکتور سوم دارای امکانات رآکتور دوم و یک آبگرمکن خورشیدی می­باشد. هدف از ترکیب انرژی‌ های تجدید پذیر ، افزایش کارایی در سیستم مرکب نسبت به استفاده منفرد از انرژی ها می باشد.
فصل دوم
مروری بر کارهای انجام شده
۲-۱ تاریخچه بیوگاز
بیشتر تاریخچه موجود در این بخش از (عمرانی ، ۱۳۷۵) و همچنین (عمرانی ، ۱۳۷۶) استفاده شده است لذا از ذکر پیوسته این منابع در متن امتناع می­ شود. شناسایی و سوزاندن گازها به چند قرن پیش بر می گردد. برای اولین بار در سال ۱۶۳۰ در خصوص شناسایی و کشف گاز دفنگاه دانشمندی به نام وان هلمونت اقدام نمود. او کسی بود که به ماهیت گاز پی برد. ولی کشف بیوگاز در سال ۱۶۶۷ توسط دانشمندی به نام شرلی انجام شد. ولتا دانشمندی بود که در سال ۱۷۷۶ گاز متان به عنوان ترکیب اصلی بیوگاز از مواد تخمیر شده را شناسائی کرد. وی اولاً پی برد که بیوگاز تولیدی، بستگی تام به مقدار مواد آلی دارد که توسط گیاهان پوسیده در طبقات زیرین خاک بوجود آمده‌اند و ثانیاً اگر نسبت معینی از این گاز با اکسیژن ترکیب شود تولید انفجار می‌کند. کروئیک شانک در سال ۱۸۰۱ اثبات کرد متان فاقد اکسیژن می‌باشد و در سال ۱۸۰۶ فرمول اصلی گاز متان را کشف کرد.
در سال ۱۸۰۸میلادی، سِر همفری دیوی به وجود گاز متان در فضولات حیوانی پی برد. اولین مخزن هاضم به شکل نوین در سال ۱۸۵۹ در بمبئی هندوستان ساخته شد. این ایده به انگلستان برده شد و شکل بهتری از هاضم طراحی شد و در سال ۱۸۹۵ از بیوگاز حاصل برای روشنایی چراغ­های گازی خیابان­ها که در آن زمان در انگلستان مرسوم بود استفاده شد. با پیشرفت علم میکروب­شناسی و تحقیقات بوزول^[۲] و دیگران در۱۹۳۰ باکتری­ های بی­هوازی و شرایط لازم برای تولید بهینه متان کشف شد و گام­های بیشتری در جهت استفاده از بیوگاز در دنیا برداشته شد. از آن زمان تاکنون شمار زیادی از کشورهای صنعتی و در حال توسعه، در جهت بهبود و توسعه صنعتی و بهره.برداری بهینه از این انرژی ارزان و در دسترس به پیشرفت.های زیادی دست یافته.اند.
در سال ۱۸۷۵ یک زارع آلمانی بنام وترستیر^[۳] برای اولین بار از گاز متان خروجی از اعماق زمین روشنایی تولید کرد. در سال ۱۸۹۵ کامرون در انگلستان از یک گودال عفونی بیوگاز به دست آورد و در بعضی مواقع جهت روشنایی معابر شهر اکستر استفاده می‌کرد. در سال ۱۸۹۷ اولین دستگاه بیوگاز هندی در بمبئی هند ساخته شد. به کار اندازی موتور از طریق کاربرد گاز متان برای اولین بار در سال ۱۹۰۷ مورد آزمایش قرار گرفته و با نتیجه مثبت مواجه گردید. از سال ۱۹۳۰ در چین و هند که پیشتازان استفاده از بیوگاز در دنیا می‌باشند گاز مرداب به صورت عمومی در روستاها و شهرهایشان مورد استفاده بوده و با دارا بودن میلیون‌ها دستگاه کوچک و بزرگ بیشترین استفاده را از بیوگاز می‌کنند. در چین تا پایان سال ۲۰۰۹ حدود ۱۵ میلیون دستگاه کوچک خانگی و در حدود ۲,۰۰۰ هاضم بزرگ و متوسط نصب گردیده و قرار است تعداد ۲۲,۵۷۰ هاضم دیگر با منبع فضولات دامی و ۶۳۰ هاضم نیز با منبع زباله‌های شهری و فاضلاب شهری ساخته و نصب گردد.
در آمریکا در سال ۲۰۱۱ در حدود ۳/۱۴ تراوات ساعت جذب متان از دفنگاه وجود داشته است و از آن برای تولید انرژی مورد نیاز یک میلیون خانوار استفاده شده است .همچنین  از بیوگاز حاصل از لندفیل های مذکور برای تولید ۵ تراوات ساعت انرژی در بخش کشاورزی نیز استفاده شده است .هم اکنون حدود ۵/۸ گیگا وات برق از زیست توده تامین شده وارد برق سراسری آمریکا میگردد (Kevin&Margaret ، ۱۹۹۶) . مشهورترین نمونه استفاده کاربردی از فاضلاب در ایران در حمام شیخ بهایی است که در دوره ی صفویه قرن ۱۱ هجری توسط شیخ بهایی طراحی شد. گرمای آب خزینه این حمام توسط گازهای ناشی از فاضلاب مسجد جمعه و شعله یک شمع تامین می­شده است.اولین دستگاه بیوگاز در سال ۱۳۵۴ در روستاهای نیاز آباد لرستان ساخته شده که ظرفیت آن به گنجایش ۵ متر مکعب بوده که فضولات گاوی روستا را به بیوگاز مصرفی حمام تبدیل می کند. در سال ۱۳۵۹ دو واحد آزمایشی در دانشگاه بوعلی سینا همدان که با فضولات کشتارگاه و کودگاوی تغذیه می‌گردید ساخته شد. دانشگاه صنعتی شریف در سال ۱۳۶۱ یک واحد ۳ متر مکعبی را به صورت آزمایشی مورد مطالعه قرار داد که با فضولات گاوی بارگیری می‌شد. در کل از سال ۱۳۵۳ تاکنون مطالعات پراکنده انجام شده توسط ۱۶ موسسه تحقیقاتی و دانشگاهی منجر به ساخت ۶۰ دستگاه آزمایشی گردیده است. مطالعات گسترده دیگری نیز درحال اجراست که نیروگاهها و فن آوری های جدیدی را عرضه خواهد کرد. (عمرانی ، ۱۳۷۶)
درسالهای ۶۵-۱۳۶۱ مرکز تحقیقات انرژی‎های نو در سازمان انرژی اتمی ، پژوهشهای ویژه‎ای را در این زمینه به انجام رساند که از جمله می‎توان به احداث ۱۰ واحد بیوگاز در استانهای سیستان و بلوچستان، ایلام و کردستان اشاره کرد. در دهه ۱۳۶۰ وزارت جهاد سازندگی نیز در این راه اقداماتی صورت داد: ابتدا در سال ۱۳۶۳ یک واحد آزمایشی در حیدر آباد کرج ساخته شد، سپس در سال ۱۳۶۴ یک نمونه واقعی در روستای چین سیب­لی از توابع بخش آق­قلا در منطقه گرگان احداث گردید. این وزارتخانه ۴۰ هاضم دیگر در مناطق مختلف کشور ساخت که ۱۸ واحد آن به مرحله گازدهی رسید. همچنین مراکز دانشگاهی و تحقیقاتی در این زمینه گامهایی برداشته‎اند. از جـمله می‎توان به واحد احداث شده توسط جهاد دانشگاهی دانشکده کشاورزی کرج در سالهای ۶۵-۶۳ و واحد احداث شده توسط مهندس خلیل شیخ قاسمی کارشناس شرکت آب و فاضلاب در شاهین دژ آذربایجان غربی در سال ۱۳۷۲ اشاره کرد. متأخرترین واحدهای ساخته شده، یک واحد بیوگاز برای هضم فاضلاب انسانی در جزیره کیش و یک واحد بیوگاز گاوداری در ماهدشت کرج بوده که هر دو توسط سازمان انرژی اتمی در سالهای ۷۸-۱۳۷۷ طراحی و ساخته شده ­اند. در مورد رآکتور های تصفیه بی­هوازی در ایران، باید گفت که متأسفانه هم­اکنون از این رآکتورها در هیچ یک از تصفیه‎خانه‎های فاضلاب شهری استفاده نمی‎گردد. تعداد رآکتورهای بی­هوازی در کشور کمتر از ۱۰واحد می باشد (عدل و علی قارداشی ، ۱۳۸۰).
۲-۲ موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ تجربی
نوع آزمایشات در این تحقیق مطابق تحقیقات محققین دیگر بوده ولی روش ها، تحلیل ها و مقایسات منحصر به فرد می باشند بنابراین نتایجی که استخراج خواهد شد نیز به دلیل موردی بودن منحصر به فرد بوده و دارای ارزش علمی می باشد. در فصل ششم به نتایج تجربی پرداخته خواهد شد.
۲-۳ موقعیت تحقیق حاضر به لحاظ تجهیز
برای افزایش بازده در هاضم بی­هوازی، پنج گزینه همزن، سرپوش گازی، کویل داخلی ، آبگرمکن بیوگازسوز و آبگرمکن خورشیدی بررسی شده و سیستم ایده­آل انتخاب گردیده است. همزن دستی طراحی شده برای همگن کردن خوراک و افزایش تولید بیوگاز و سرپوش گازی به منظور جمع آوری گاز مخزن خروجی ، کویل داخلی برای بالا نگه داشتن دمای دایجستر ، آبگرمکن بیوگازسوز و خورشیدی نیز برای گرم کردن کویل داخلی به کار می‌رود.
۲-۳-۱ همزن