汽爆預處理對秸稈微觀結構和厭氧發(fā)酵特性影響的試驗研究

【摘要】：在化石能源日漸匱乏、能源形勢日益緊張的今天,人類尋找替代或輔助能源并提高能源利用效率的要求顯得愈加迫切。生物質能作為可再生能源由于其安全性及穩(wěn)定性成為國家重點鼓勵發(fā)展的新能源。結合我國國情,目前我國農(nóng)作物秸稈資源總量豐富但利用水平較低,如能將其用于沼氣發(fā)酵,不僅能解決當前因焚燒秸稈、濫用化肥而造成的環(huán)境污染,也能緩解能源緊張給社會帶來的壓力。 農(nóng)作物秸稈中主要成分為纖維素、半纖維素及木質素,且三者相互盤繞結構復雜。尤其是木質素的存在嚴重阻礙了發(fā)酵過程微生物對纖維素和半纖維素的分解利用。因此,如要充分利用秸稈資源必須對其進行預處理,以達到破壞三者的物理結構,增加秸稈利用率的目的。目前對秸稈的預處理方法主要有物理法、化學法和生物法三種。三種預處理方法各有利弊,但目前尚未研究出集各種優(yōu)勢為一體、成本低、效率高且能在生產(chǎn)中進行推廣的預處理方法。 蒸汽爆破預處理已經(jīng)被廣大學者證明是一種有效的秸稈預處理方法。本研究將玉米秸稈進行了蒸汽爆破預處理并進行厭氧發(fā)酵試驗,研究了汽爆預處理對秸稈微觀結構的影響及秸稈經(jīng)汽爆預處理后的厭氧發(fā)酵特性。 本文較全面的反映了作者的研究情況,具體內容如下： (1)分析、測試秸稈的基本參數(shù)及汽爆預處理前后宏觀、微觀結構和三素的變化,研究蒸汽爆破預處理對秸稈預處理的作用機理。結果表明,汽爆預處理顯著改變了秸稈的宏觀、微觀機構和三素含量。 (2)對未經(jīng)預處理和經(jīng)汽爆預處理的秸稈進行厭氧發(fā)酵對比試驗,考察其厭氧發(fā)酵特性,研究汽爆預處理對秸稈厭氧發(fā)酵特性的影響。結果表明,汽爆預處理有效促進了秸稈的單位VS產(chǎn)氣率,在汽爆壓力2.5MPa,保留時間90s的預處理條件下,汽爆后干秸稈在TS=4%時達到最大單位VS產(chǎn)氣率325.54mL/g,汽爆后青秸稈在TS=3%時達到最大單位VS產(chǎn)氣率334.77mL/g。但是2.5Mpa和1.5Mpa的發(fā)酵結果幾乎沒有不同,因此,最優(yōu)的汽爆壓力應該選為1.5Mpa。 (3)選用青秸稈和干秸稈作對比,在不同預處理條件下進行厭氧發(fā)酵試驗,研究經(jīng)蒸汽爆破預處理后,青秸稈和干秸稈發(fā)酵效果異同。結果表明,經(jīng)汽爆預處理后,干秸稈發(fā)酵周期比青秸稈長；干秸稈產(chǎn)氣率在汽爆壓力較高(2.5MPa)時大于青秸稈,在汽爆壓力較低(1.5MPa)時小于青秸稈；汽爆預處理后,干秸稈產(chǎn)氣速率低于青秸稈。 (4)對汽爆秸稈產(chǎn)沼氣過程進行能量分析,研究其實用性、市場推廣前景。結果表明,汽爆預處理后秸稈的能量轉換效率大大提高,比未處理秸稈提高達15.66%,但由于汽爆過程耗能較大,使其有效輸出能量減少,導致綜合能量利用率較低。 【關鍵詞】：蒸汽爆破 預處理 玉米秸稈 沼氣 微觀結構
【學位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：S216.2
【目錄】：

• 致謝4-8
• 摘要8-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 研究背景9-10
• 1.1.1 能源利用背景9
• 1.1.2 玉米秸稈結構分析9-10
• 1.2 預處理方法的研究與發(fā)展現(xiàn)狀10-13
• 1.2.1 物理法預處理10-11
• 1.2.2 化學法預處理11
• 1.2.3 生物法預處理11
• 1.2.4 蒸汽爆破預處理研究與發(fā)展現(xiàn)狀11-13
• 1.3 研究內容的提出及研究思路13
• 1.3.1 研究內容13
• 1.3.2 技術路線13
• 2. 試驗材料與試驗方法13-19
• 2.1 試驗材料13-14
• 2.2 試驗儀器與設備14
• 2.3 分析方法14-17
• 2.3.1 TS測定方法14
• 2.3.2 VS測定方法14
• 2.3.3 含碳量測定方法14-15
• 2.3.4 含氮量測定方法15
• 2.3.5 纖維素、半纖維素和木質素含量測定15-16
• 2.3.6 pH值的測定方法16
• 2.3.7 產(chǎn)氣量測定方法16
• 2.3.8 沼氣中CH_4含量測定方法16-17
• 2.4 試驗方法17-19
• 2.4.1 原料的預處理17-18
• 2.4.2 濕式厭氧發(fā)酵方案18-19
• 3. 蒸汽爆破預處理對秸稈結構的影響19-23
• 3.1 汽爆預處理前后秸稈形態(tài)的變化19-22
• 3.1.1 宏觀形態(tài)的變化19-20
• 3.1.2 汽爆預處理對秸稈微觀結構的影響20-22
• 3.2 汽爆預處理前后秸稈成分的變化22-23
• 3.3 小結23
• 4. 玉米秸稈厭氧發(fā)酵試驗研究23-32
• 4.1 汽爆玉米秸稈發(fā)酵條件探究23-25
• 4.1.1 汽爆玉米秸稈在高TS下發(fā)酵效果23
• 4.1.2 汽爆玉米秸稈在低TS下發(fā)酵效果23-24
• 4.1.3 結果與討論24-25
• 4.2 汽爆干秸稈厭氧發(fā)酵試驗結果與討論25-27
• 4.2.1 汽爆干玉米秸稈在不同條件下產(chǎn)氣情況25-26
• 4.2.2 不同條件下汽爆干玉米秸稈產(chǎn)氣中甲烷含量對比26-27
• 4.3 汽爆青秸稈厭氧發(fā)酵試驗結果與討論27-30
• 4.3.1 汽爆青秸稈不同條件下厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣情況27-28
• 4.3.2 汽爆青秸稈不同條件下產(chǎn)氣中甲烷含量對比28-30
• 4.4 小結30-32
• 5. 汽爆秸稈產(chǎn)沼氣能量分析32-38
• 5.1 流入的能量32-35
• 5.1.1 秸稈自身能量32
• 5.1.2 蒸汽爆破耗能32-34
• 5.1.3 秸稈粉碎耗能34
• 5.1.4 發(fā)酵耗能34-35
• 5.2 產(chǎn)生的能量35
• 5.3 秸稈沼氣的理論能量轉換效率35
• 5.4 秸稈沼氣的實際能量轉換效率35-36
• 5.5 結果與討論36-37
• 5.5.1 蒸汽爆破預處理對秸稈沼氣實際能量轉換率的影響36
• 5.5.2 蒸汽爆破預處理時秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的綜合能量利用效率36-37
• 5.6 小結37-38
• 6. 結論38
• 參考文獻38-41
• 碩士期間發(fā)表論文41-42

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