秸稈沼氣厭氧發(fā)酵的預(yù)處理工藝優(yōu)化及經(jīng)濟實用性分析

【摘要】：隨著農(nóng)村環(huán)境污染和能源短缺問題的日益嚴(yán)重，戶用沼氣的發(fā)展受到人們的廣泛關(guān)注，成為了我國新農(nóng)村建設(shè)的重要組成部分和農(nóng)村能源發(fā)展的主要內(nèi)容。大力開發(fā)生物質(zhì)能源，利用農(nóng)業(yè)廢棄物進行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，是解決我國農(nóng)村能源緊張和環(huán)境污染問題的關(guān)鍵。本研究對比分析了戶用沼氣和大中型沼氣工程在我國農(nóng)村的適用性，并針對因規(guī)?；B(yǎng)殖代替散養(yǎng)模式造成的戶用沼氣發(fā)酵原料不足的問題，提出了通過化學(xué)預(yù)處理提高秸稈沼氣化利用效率的方法，重點研究了不同預(yù)處理劑、預(yù)處理時間和預(yù)處理溫度對水稻、玉米和小麥三種秸稈厭氧發(fā)酵的影響，并對處理效果較好的酸、堿試劑進行工藝優(yōu)化，得出最佳預(yù)處理參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，對兩種預(yù)處理方法的沼氣經(jīng)濟實用性進行了分析，旨在為我國農(nóng)村秸稈沼氣高效利用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。研究得到如下結(jié)論： 1.選用雙氧水（H_2O_2）、醋酸（CH_3COOH）、硫酸（H_2SO_4）和鹽酸（HCl）對水稻、玉米、小麥三種秸稈進行厭氧消化預(yù)處理，結(jié)果表明，不同濃度的酸預(yù)處理劑對秸稈的纖維素含量、沼氣產(chǎn)量以及產(chǎn)氣效率影響較大。其中，H_2O_2和CH_3COOH預(yù)處理的最佳濃度為3%，HCl和H_2SO_4的最佳濃度為2%。四種試劑中，3%H_2O_2的預(yù)處理效果最好，產(chǎn)氣效率分別達(dá)315、320和285mL/g VS。 2.選用氫氧化鈉（NaOH）、氫氧化鈣（Ca(OH)2）和氨水（NH_3·H_2O）對水稻、玉米、小麥三種秸稈進行預(yù)處理，結(jié)果表明，不同濃度的堿預(yù)處理劑對秸稈的纖維素含量、沼氣產(chǎn)量以及產(chǎn)氣效率影響較大。其中，8%Ca(OH)2的預(yù)處理效果最好，產(chǎn)氣效率分別達(dá)325、285和320mL/g VS。 3.不同預(yù)處理時間對秸稈厭氧發(fā)酵的影響顯著。其中，H_2O_2、CH_3COOH、HCl、H_2SO_4和NaOH對纖維素和半纖維素的降解程度隨預(yù)處理時間的延長而增加，Ca(OH)2和NH_3H_2O則在預(yù)處理1天和4天后纖維素含量無顯著變化，但預(yù)處理7天后，其含量顯著降低。H_2O_2、CH_3COOH、Ca(OH)2和NH_3·H_2O預(yù)處理的秸稈產(chǎn)氣效率均隨預(yù)處理時間的增加而升高，HCl和H_2SO_4預(yù)處理的產(chǎn)氣效率則在預(yù)處理4天時最高。 4.不同預(yù)處理溫度對秸稈的厭氧發(fā)酵具有一定影響。在15℃、35℃和55℃預(yù)處理中，H_2O_2、CH_3COOH、Ca(OH)2和NH_3H_2O在15℃和35℃下纖維素和半纖維素含量以及產(chǎn)氣效率無顯著差異，而在55℃下纖維素和半纖維素含量顯著降低，產(chǎn)氣效率顯著升高。HCl、H_2SO_4和NaOH預(yù)處理的纖維素和半纖維素含量均隨預(yù)處理溫度的升高而降低，產(chǎn)氣效率隨溫度的升高而增加。 5.以水稻秸稈為原料，對H_2O_2和Ca(OH)2的預(yù)處理過程進行優(yōu)化。選擇預(yù)處理時間、預(yù)處理劑濃度和接種物量3個參數(shù)分析兩種試劑對水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響。結(jié)果表明，H_2O_2的最佳處理參數(shù)為：6.18天（預(yù)處理時間）、2.68%（濃度）以及1.08（接種物比），在最優(yōu)條件下沼氣產(chǎn)量理論值為287.9mL/g VS；Ca(OH)2的最佳處理參數(shù)為：5.89天（預(yù)處理時間）、9.81%（濃度）以及45.12%（接種物量），在最優(yōu)條件下產(chǎn)氣量理論值為217.8mL/g VS。H_2O_2和Ca(OH)2優(yōu)化模型的決定系數(shù)（R2）分別為95.2%和96.0%，表明兩個產(chǎn)氣模型利用試驗值對實際厭氧發(fā)酵進行預(yù)測具有較高的可信度。為驗證優(yōu)化方案的可信度，分別采用兩種預(yù)處理劑在預(yù)測的最優(yōu)條件下進行發(fā)酵試驗，結(jié)果表明，H_2O_2預(yù)處理后產(chǎn)氣量達(dá)到290.3mL/gVS，Ca(OH)2預(yù)處理達(dá)到225.3mL/g VS，較對照分別增加了88.0%和73.3%。因此，H_2O_2和Ca(OH)2可作為秸稈厭氧發(fā)酵的預(yù)處理劑，能夠有效提高秸稈的能量轉(zhuǎn)化效率。 6.水稻秸稈經(jīng)H_2O_2和Ca(OH)2處理后分別與牛糞、雞糞混合發(fā)酵，結(jié)果表明，預(yù)處理能夠顯著提高秸稈混合發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量和產(chǎn)氣效率。與未處理的秸稈相比，預(yù)處理后的秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)氣量增加了29%-43%，產(chǎn)氣效率增加了24%-31%。因此，采用H_2O_2和Ca(OH)2預(yù)處理提高厭氧發(fā)酵效率，不僅適用于秸稈單一原料，同樣也適用于混合原料。 7.化學(xué)預(yù)處理秸稈厭氧發(fā)酵的經(jīng)濟實用性評價表明，與使用原煤作為燃料相比，使用H_2O_2和Ca(OH)2預(yù)處理秸稈進行厭氧發(fā)酵每年每戶可節(jié)約311.41元和312.4元。對秸稈沼氣利用潛力和溫室氣體減排進行估算，我國每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈直接焚燒會產(chǎn)生8.85×108t CO_2，若將這些秸稈全部進行戶用沼氣發(fā)酵，每年可生產(chǎn)12.97×106萬m3的沼氣，同時可減少6.70×108t CO_2的排放。化學(xué)預(yù)處理技術(shù)不僅能夠提高秸稈的能量轉(zhuǎn)化效率，而且秸稈沼氣化利用可有效減少溫室氣體的排放，因此，應(yīng)推廣化學(xué)預(yù)處理技術(shù)在農(nóng)村戶用沼氣中的應(yīng)用，從而達(dá)到秸稈的沼氣化高效利用。 【關(guān)鍵詞】：戶用沼氣 厭氧發(fā)酵 預(yù)處理 秸稈 溫室氣體
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：S216.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 文獻綜述13-34
• 1.1 研究背景13-14
• 1.1.1 中國農(nóng)村能源現(xiàn)狀13
• 1.1.2 中國農(nóng)村非點源污染現(xiàn)狀13-14
• 1.2 中國農(nóng)村沼氣發(fā)展概況14-21
• 1.2.1 中國沼氣發(fā)展歷程14-15
• 1.2.2 中國沼氣發(fā)展的生態(tài)模式15-17
• 1.2.3 戶用沼氣與大中型沼氣工程的對比17-21
• 1.3 秸稈沼氣厭氧發(fā)酵21-24
• 1.3.1 秸稈沼氣厭氧發(fā)酵的原理21-22
• 1.3.2 秸稈沼氣厭氧發(fā)酵存在的問題22-24
• 1.4 國內(nèi)外秸稈厭氧發(fā)酵研究進展24-32
• 1.4.1 發(fā)酵原料對秸稈厭氧發(fā)酵的影響24
• 1.4.2 溫度對秸稈厭氧發(fā)酵的影響24-25
• 1.4.3 pH 值對秸稈厭氧發(fā)酵的影響25
• 1.4.4 接種物對秸稈厭氧發(fā)酵的影響25-26
• 1.4.5 預(yù)處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響26-32
• 1.5 研究目的及意義32-34
• 第二章 研究內(nèi)容與方法34-38
• 2.1 研究內(nèi)容34
• 2.2 試驗材料與方法34-36
• 2.2.1 試驗材料34
• 2.2.2 試驗裝置34-35
• 2.2.3 試驗設(shè)計35
• 2.2.4 數(shù)據(jù)處理35-36
• 2.3 研究框架體系36-37
• 2.4 研究創(chuàng)新點37-38
• 第三章 不同酸預(yù)處理方法對秸稈厭氧發(fā)酵的影響38-52
• 3.1 試驗材料與研究方法38-39
• 3.1.1 試驗材料38
• 3.1.2 試驗方法38-39
• 3.1.3 試驗參數(shù)39
• 3.1.4 測量指標(biāo)39
• 3.2 結(jié)果與分析39-50
• 3.2.1 H_2O_2預(yù)處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響39-42
• 3.2.2 CH_3COOH 預(yù)處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響42-45
• 3.2.3 HCl 預(yù)處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響45-47
• 3.2.4 H_2SO_4預(yù)處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響47-49
• 3.2.5 不同酸處理后秸稈產(chǎn)氣效率的對比49-50
• 3.3 討論50-51
• 3.4 小結(jié)51-52
• 第四章 不同堿預(yù)處理方法對秸稈厭氧發(fā)酵的影響52-63
• 4.1 試驗材料與方法52
• 4.1.1 試驗材料52
• 4.1.2 試驗方法52
• 4.2 結(jié)果與分析52-61
• 4.2.1 NaOH 預(yù)處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響52-56
• 4.2.2 Ca(OH)_2預(yù)處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響56-57
• 4.2.3 NH_3 H_2O 預(yù)處理對秸稈厭氧發(fā)酵的影響57-61
• 4.2.4 不同堿處理后秸稈產(chǎn)氣效率的對比61
• 4.3 討論61-62
• 4.4 小結(jié)62-63
• 第五章 預(yù)處理時間和預(yù)處理溫度對秸稈厭氧發(fā)酵的影響63-76
• 5.1 試驗材料與方法63-64
• 5.1.1 試驗材料63-64
• 5.1.2 試驗方法64
• 5.1.3 測定方法64
• 5.2 結(jié)果與分析64-74
• 5.2.1 預(yù)處理時間對秸稈厭氧發(fā)酵的影響64-69
• 5.2.2 預(yù)處理溫度對秸稈厭氧發(fā)酵的影響69-74
• 5.3 討論74-75
• 5.4 小結(jié)75-76
• 第六章 秸稈高效發(fā)酵的化學(xué)預(yù)處理參數(shù)研究及其優(yōu)化76-97
• 6.1 試驗材料與方法76-80
• 6.1.1 試驗材料76
• 6.1.2 試驗方法76-77
• 6.1.3 試驗設(shè)計77-80
• 6.1.4 測量指標(biāo)80
• 6.2 結(jié)果與分析80-96
• 6.2.1 H_2O_2預(yù)處理參數(shù)優(yōu)化80-87
• 6.2.2 Ca(OH)_2預(yù)處理參數(shù)優(yōu)化87-96
• 6.3 小結(jié)96-97
• 第七章 化學(xué)預(yù)處理對秸稈混合厭氧發(fā)酵的影響97-102
• 7.1 試驗材料與方法97-98
• 7.1.1 試驗材料97-98
• 7.1.2 試驗方法98
• 7.1.4 測量方法98
• 7.2 結(jié)果與分析98-101
• 7.2.1 對產(chǎn)氣速率的影響98-99
• 7.2.2 對累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣效率的影響99-100
• 7.2.3 揮發(fā)性脂肪酸/堿度變化趨勢100-101
• 7.3 小結(jié)101-102
• 第八章 化學(xué)預(yù)處理在戶用沼氣中的經(jīng)濟實用性分析102-108
• 8.1 化學(xué)預(yù)處理的經(jīng)濟效益102-105
• 8.1.1 成本分析102-104
• 8.1.2 收益分析104
• 8.1.3 年總經(jīng)濟效益104-105
• 8.2 化學(xué)預(yù)處理的社會、生態(tài)、能源效益105
• 8.3 化學(xué)預(yù)處理的實用性105-107
• 8.3.1 戶用沼氣發(fā)酵潛力105-106
• 8.3.2 溫室氣體減排量估算106-107
• 8.4 小結(jié)107-108
• 第九章 結(jié)論與展望108-111
• 9.1 主要結(jié)論108-110
• 9.2 研究展望110-111
• 參考文獻111-124
• 致謝124-126
• 作者簡介126

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CSTR集中型沼氣工程建設(shè)運行成本比較研究    劉弘博

秸稈類原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗研究    高鑫

寒冷地區(qū)沼氣穩(wěn)定生產(chǎn)技術(shù)研究開發(fā)    朱彧

風(fēng)能—太陽能—沼氣集成系統(tǒng)的性能研究    高海濤