厌氧发酵生产沼气是秸秆等农牧废弃物处理的一种重要手段,可同时解决农村能源供给和环境污染问题。现阶段我国反应器多采用中温发酵方式(35℃左右),而各地区全年多数月份气温远低于发酵温度,影响沼气发酵稳定性。室外反应器发酵周期较长,反应中需要克服其向周围环境持续散热的技术障碍。目前多采用太阳能盘管式加热器以解决上述问题,但其在实现换热过程中运行所利用得水泵会消耗大量电能,导致利用高品位能处理废弃物经济性严重降低。要普及此生产沼气方式势必会对能源利用效率提出更高的要求,亟需找到一种新型、高效的加热方式。直接吸收式太阳能加热技术具有设备简单、能量利用率高的优点,广泛应用于海水淡化等工业生产之中,可将其应用于加热厌氧反应器。目前,这类直接吸收式反应器应用前景明朗,但尚需理清反应器内部复杂的光生化转化机理。同时,厌氧反应器外侧玻璃围护结构隔热以及其内部温控问题也是限制该技术发展的瓶颈。针对此情况,本文利用实验与数值模拟相结合的方法研究了此类反应器内部的热质输运机理,并通过在玻璃围护结构内部填充石蜡材料的方法改善其隔热与蓄热性能。针对直接吸收式反应器内部的光生化转化模拟分析,采用Monte-Carlo法、有限体积法与谱带模型等对反应器内部的光热传输与厌氧发酵生化反应过程进行了耦合求解。通过削减变量的方式改进ADM1模型,并应用热量交换系数修正各反应速率常数的方法,实现其对非恒温发酵过程的数值计算。利用Fortran语言编制了相应的计算程序,分别从介质内的太阳光传输、光热转化与生化反应三方面与实验数据对比,验证了模型与计算方法的可靠性,分析太阳辐照强度、TS浓度等因素对其光生化转化过程的影响。介质光学参数是研究直接吸收式反应器内光生化转化过程的关键物性基础。针对含颗粒沼液的光学特性,先选取双厚度法、双厚度与函数逼近法利用光学腔透过率实验值反演出沼液的吸收系数与折射率。然后基于Mie理论建立含颗粒沼液内部的太阳光传输正问题模型,并设置合适的颗粒半径、浓度与散射方向。将计算结果与含颗粒沼液的光学腔透过率实验值相对比,获得沼液的散射系数。结果表明沼液在可见光波段的吸收系数比红外波段的值要小,沼液可见光波段的折射率与红外波段的值相近,但其波动情况比红外波段小。设计搭建了太阳辐照下直接吸收式反应器内的传热传质过程实验测量平台,研究了沼液内部的温度梯度、容积平均温度与厌氧发酵过程中各项参数之间的关系,包括底物浓度、挥发性脂肪酸含量、沼液p H、产气量等。建立热量交换系数中的指数项与沼液温度波动程度之间的关系模型,利用室外实验数据确定关系模型中的变量值。定义太阳能吸热效率与相对节能效率两个系数来评价直接吸收式反应器的节能效果,考虑沼液表面的蒸发损失、环境散热损失、水泵能耗与剩余甲烷燃烧值等因素的作用,分析反应器节能效果受沼液TS浓度、室外环境季节变化等因素的影响。结果表明相比于传统盘管式加热方式,直接吸收加热方式可有效节约电能。但反应器的太阳能吸热效率都低于50%,且春秋季节甚至低于30%。为提升直接吸收式反应器的节能效率,研究在反应器玻璃围护结构内填充相变材料后的发酵效果。设计搭建了分体式实验台,分析反应器添加石蜡材料后沼液温度、底物浓度、产气量、节能效率系数等参数的变化情况。提出采用分阶段与分区域求解方法解决反应器结构复杂、高径比大的问题。在利用实验数据验证模型可靠性的基础上,数值模拟了东北地区一年内春、夏、秋季时反应器的运行情况,确定相应的填充相变材料层厚度、相变温度等参数。研究发现在直接吸收式反应器围护结构内填充石蜡可有效提升其隔热、蓄热性能,降低沼液表面蒸发损失,故其太阳能吸热效率可提高到0.66,其节能效率值也可平均提升29.7%。通过研究,验证了将直接吸收式技术应用于加热厌氧反应器的可行性,深入认识了太阳辐照作用下厌氧反应器内部的光热传输与生化转化机理,获得了此类反应器在新型加热方式下运行过程的实验数据与数值模拟方法,掌握了太阳辐照作用下由沼液内部温度梯度所引起的非恒温发酵过程中各生化反应速率变化规律和相关因素的影响规律,实现了利用石蜡相变材料提升此加热方式节能效率的突破。研究结果为直接吸收式反应器的设计、节能效率评估与优化提供了理论基础和参考依据。