稻草秸稈干發(fā)酵產沼氣的生命周期評價

【摘要】：隨著我國工業(yè)的發(fā)展、人口壓力的加大再加上現(xiàn)行經濟體制的需求,我國對能源的消耗和索取也與日俱增?，F(xiàn)在的主流能源依然是以不可再生的化石能源為主的石油、煤炭和天然氣,經過地球沉淀的這些資源越來越少,直接導致能源危機的出現(xiàn)。同時化石能源開采至使用的階段,整個過程中都會對生態(tài)環(huán)境造成影響甚至是嚴重的破壞,而這些影響和破壞都最終的直接或間接的作用在使用的人類身上。而生物質能源中沼氣發(fā)酵模式為解決能源危機和由此產生的環(huán)境危機提出了新出路。本文開展稻草秸稈的干發(fā)酵產沼氣試驗研究,在此基礎上研制出模擬太陽能循環(huán)加熱干發(fā)酵產沼氣裝置,并運用該裝置進行稻草秸稈干發(fā)酵試驗的研究；通過采用生命周期評價的方法,對秸稈沼氣化的過程中,各部分的耗能、產出以及相關的經濟、社會和自然資源的影響作出客觀評價。研究結果如下： (1)稻草秸稈干發(fā)酵產沼氣試驗表明,在相同的溫度的情況下,濃度越高,產氣量越大,在總產氣量方面,25℃時濃度為6%、10%和15%的總產氣量分別是2935mL、7865mL和18685mL：在30℃時分別是2050mL、6245mL和13205mL；35℃時分別是15015mL和26535mL。在相同發(fā)酵濃度的情況下,隨著溫度從25℃上升到35℃,產氣總量的排序為35℃25℃30℃,30℃總產氣量低于25℃的原因,可能是因為試驗分段進行,由于兩組試驗所用的接種物存在差異造成的。在TS產氣潛力方面,相同溫度的情況下,濃度越高其產氣的潛力越大,在相同濃度的情況下35℃的情況下產氣潛力最高,30℃的最低,其原因可能是因為接種物的差異造成的,同時,在35℃的情況下,6%的產氣潛力最好,其原因是其他兩種濃度因為較高沒有充分發(fā)酵所導致的。發(fā)酵開始的前30天左右是產氣的高峰期,但隨著發(fā)酵濃度的上升,產氣最大值出現(xiàn)的時間也往后移。從總體情況看,提高發(fā)酵溫度和發(fā)酵濃度,都能提高產沼氣效率。 (2)稻草秸稈干發(fā)酵相關物料熱解分析表明,稻草、接種物及發(fā)酵物料的熱解反應是分段進行的,第一階段主要是物質的干燥脫水處理,第二階段主要是在250℃-460℃的熱解,主要是開始分解半纖維素、纖維素以及木質素,第三階段主要是在460℃-520℃對剩余木質素的熱解以及殘余物質的緩慢分解、碳化和灰分。同時,熱解在250～380℃階段時,樣品的失重速率最大。10%和20%兩種濃度的稻草發(fā)酵物料在加熱到250℃以后,發(fā)酵前與發(fā)酵后的TG曲線有明顯差異,說明了稻草作為基質在發(fā)酵的過程中主要消耗的是稻草中的半纖維素、纖維素和木質素。 (3)模擬太陽能輔助加熱干發(fā)酵產沼氣裝置的研究表明,將太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)與沼氣發(fā)酵系統(tǒng)有機結合,可實現(xiàn)秸稈沼氣發(fā)酵的恒溫、連續(xù)和高效進行。 (4)以湖南省為例的稻草干發(fā)酵產沼氣的生命周期評價表明,采用沼氣干發(fā)酵的方式可以帶來很好的能源、經濟和社會效益,具體包括： ①能源方面,湖南省在水稻種植到收割階段能量總輸入為：標準煤約208.87萬噸、水資源71.2萬立方米,平均每公頃投入1.46萬噸標準煤和用水500m3；采用干發(fā)酵處理方式比一般使用情況下可以多產生118.8萬噸標準煤的能量,平均每公頃多0.83萬噸標準煤；全省的稻草應用于沼氣工程可產生203.51萬噸沼肥和生物農藥,則可節(jié)約能源263.34萬噸標準煤,平均每公頃節(jié)約1.85萬噸標準煤。 ②生態(tài)環(huán)境方面,沼氣發(fā)酵過程中不會對生態(tài)環(huán)境造成破壞影響,湖南省秸稈發(fā)酵的主要產物沼氣換算成標準煤,其數(shù)值比一般處理方式多118.8萬噸,即可認為少使用118.8萬噸標準煤；同時,發(fā)酵反應后的產物可以轉化成340萬噸沼肥和203.51萬噸沼肥農藥以及多出近20萬噸的飼料,按照能量階段農藥方面可以節(jié)約263.34萬噸標準煤,按照每噸標準煤產生2.66～2.72噸二氧化碳來計算,總共至少降低約1000～1200萬噸二氧化碳的排放,平均每公頃減少二氧化碳7～8.4萬噸；同時,沼肥和沼肥農藥是可以替代種植階段中所使用的化肥和農藥,其意義不只是單純的購置成本的降低,最主要的是使用沼肥和沼肥農藥不會對環(huán)境產生破壞的同時還能改善之前被破壞的土壤等。 ③經濟方面,湖南省采用沼氣干發(fā)酵處理方式可以產生1062.2億元的收益,是秸稈一般處理方式價值的5.6倍,采用干發(fā)酵產沼氣的一系列附加值都沒有算入進來,所以一般處理方式與干發(fā)酵產沼氣的處理方式的差距將更加大。通過采用秸稈發(fā)酵產沼氣能有效降低環(huán)境污染從而降低環(huán)境治理成本,由此也能進一步降低因為環(huán)境污染所造成的醫(yī)療成本。 【關鍵詞】：生命周期評價 稻草秸稈 沼氣發(fā)酵 沼氣
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：S216.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 緒論11-27
• 1.1 沼氣工程的國內外研究現(xiàn)狀11-16
• 1.1.1 國外研究現(xiàn)狀11-14
• 1.1.2 國內研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2 沼氣發(fā)酵的原理和工藝條件16-20
• 1.2.1 基本原理16-18
• 1.2.2 工藝條件18-20
• 1.3 作物秸稈制備沼氣的意義20-21
• 1.4 生命周期評價法21-25
• 1.4.1 生命周期評價的概念21
• 1.4.2 生命周期評價的步驟21-24
• 1.4.3 生命周期評價法的研究現(xiàn)狀24-25
• 1.5 課題研究意義、內容及方案25-27
• 1.5.1 課題研究的意義25-26
• 1.5.2 本課題研究內容26
• 1.5.3 本課題總體研究方案26-27
• 第2章 稻草干發(fā)酵產沼氣的研究27-47
• 2.1 稻草干發(fā)酵產沼氣的試驗研究27-38
• 2.1.1 材料與方法28-31
• 2.1.2 結果與分析31-37
• 2.1.3 結論37-38
• 2.2 稻草千發(fā)酵產沼氣相關物料的熱解特性研究38-47
• 2.2.1 材料與方法38-39
• 2.2.2 結果與分析39-44
• 2.2.3 結論44-47
• 第3章 模擬太陽能輔助加熱干發(fā)酵產沼氣裝置的研發(fā)47-55
• 3.1 太陽能的利用現(xiàn)狀47
• 3.2 本裝置研究的目標、思路、內容和意義47-49
• 3.2.1 研究目標47-48
• 3.2.2 研究思路48
• 3.2.3 研究內容48
• 3.2.4 研究意義48-49
• 3.3 裝置的工作原理49
• 3.4 裝置結構的設計和選擇49-52
• 3.4.1 厭氧發(fā)酵罐裝置的設計49-51
• 3.4.2 太陽能加熱系統(tǒng)的設計51-52
• 3.5 模擬太陽能輔助加熱干發(fā)酵產沼氣裝置的應用52-54
• 3.5.1 材料與方法52-53
• 3.5.2 結果與分析53-54
• 3.6 本章小結54-55
• 第4章 稻草干發(fā)酵產沼氣的生命周期評價55-73
• 4.1 目標與范圍的確定55-56
• 4.1.1 稻草結軒全生命周期評價模型確立55
• 4.1.2 全生命周期評價系統(tǒng)范圍確定55
• 4.1.3 數(shù)據(jù)來源55-56
• 4.2 清單匯總與影響分析56-70
• 4.2.1 階段劃分56-59
• 4.2.2 能量清單分析59-60
• 4.2.3 環(huán)境排放清單與影響分析60-69
• 4.2.4 經濟清單分析69-70
• 4.3 結果解釋70-71
• 4.4 本章總結71-73
• 第5章 結論與展望73-77
• 5.1 結論73-74
• 5.2 研究展望74-77
• 致謝77-79
• 參考文獻79-85
• 附錄85-87

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