浓度波扩散模型在玉米秸秆厌氧干发酵中的应用

【摘要】：基于浓度波扩散模型，使用MATLAB7.0软件，运用最小二乘法，求解出了适宜玉米秸秆厌氧干发酵的模型系数；并对模型进行了拟合和验证，实现了对秸秆厌氧干发酵过程中基质特性变化及发酵进程的数学模拟；对玉米秸秆厌氧干发酵罐散热过程进行了理论分析，构建了发酵罐的散热模型，并利用温度监测系统进行温度采集，实现了对干发酵系统温度的实时监测。具体研究内容如下： 1.在初始含水量为70%条件下进行玉米秸秆厌氧干发酵试验，发酵温度为37℃，接种物与底物混合均匀分装12个发酵反应罐（8L，Φ145mm），分别于发酵第2、4、6、8、10、12、15、18、21、24、27和30d，各取出1罐进行分析。将发酵料按照纵向尺寸均匀地分12层进行取样，分析测定每层样品的挥发性固形物（VS）含量（W）、挥发性脂肪酸浓度（S）和甲烷化菌的数量（B）变化。根据试验数据，运用MATLAB7.0软件求解出了浓度波扩散模型方程中的系数。以初始含水率为75%、80%和85%进行验证试验，将所得的的模型系数与初始含水率为70%条件下的系数进行比较，结果表明所得模型系数在含水率70%~80%时相关性较好。 2．采用MATLAB微分工具箱中pdepe函数并对其进行适当修改，利用得到的挥发性脂肪酸(VFA)扩散系数（DS）、生物量的扩散系数（DB），VFA的最大利用速率（ρm）等浓度波扩散模型系数，并结合数值积分，求解出了玉米秸秆干发酵基质中W、S和B随发酵时间和发酵罐空间变化的数值解。将根据模型求解的数值解与试验实测值进行拟合，结果表明：在整体验证时，初始含水率在70%~80%范围内，利用求解的浓度波扩散模型能够较为准确的预测玉米秸秆干发酵基质中VS、VFA和甲烷化微生物数量的变化；分段验证时，建立的模型在发酵前期和中期能很好的预测实验过程中物料特性的变化，而在发酵后期出现了偏差。 3.构建了厌氧干发酵温度监测系统，实现了发酵料温度的自动采集，并通过无线传输实时显示和记录；建立了玉米秸秆厌氧干发酵的散热模型，并通过试验监测数据对其进行了验证，为厌氧干发酵罐的保温设计提供了依据。 【关键词】：浓度波扩散模型 厌氧干发酵 拟合 温度监测系统 散热模型
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ920.6
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-22
• 1.1 研究背景及意义8
• 1.2 厌氧干发酵研究现状8-12
• 1.2.1 沼气发酵的定义8-9
• 1.2.2 沼气发酵的微生物9
• 1.2.3 沼气发酵机理9-11
• 1.2.4 影响秸秆干发酵的因素11-12
• 1.3 有机厌氧发酵固废降解模型研究现状12-21
• 1.3.1 不同固废模型建立的方法14
• 1.3.2 城市固废可降解部分产甲烷简化模型14-16
• 1.3.3 厌氧发酵的基本扩散模型16-17
• 1.3.4 批式厌氧发酵模型17-18
• 1.3.5 两级厌氧消化模型18
• 1.3.6 非均匀初始浓度下一级固废消化模型18-20
• 1.3.7 二维厌氧消化模型20-21
• 1.4 本文研究主要内容21-22
• 第二章 玉米秸秆厌氧干发酵浓度波扩散模型系数的求解22-37
• 引言22-23
• 2.1 浓度波扩散模型介绍23-24
• 2.2 材料与方法24-28
• 2.2.1 试验材料24
• 2.2.2 仪器设备24
• 2.2.3 秸秆厌氧干发酵试验24-25
• 2.2.4 试验指标测定方法25-28
• 2.3 结果与分析28-35
• 2.3.1 模型系数的确定28-31
• 2.3.2 不同初始含水率求解的模型系数比较31-35
• 2.4 小结35-37
• 第三章 模型的求解及拟合验证37-49
• 引言37
• 3.1 材料与方法37
• 3.2 结果与讨论37-48
• 3.2.1 浓度波扩散模型参数确定37-38
• 3.2.2 浓度波扩散模型的数值解38-42
• 3.2.3 模型验证42-48
• 3.3 小结48-49
• 第四章 玉米秸秆厌氧干发酵散热模型的建立49-57
• 4.1 厌氧发酵罐结构49-50
• 4.2 玉米厌氧干发酵温度监测系统的建立50-53
• 4.2.1 nRF24L01 简介51
• 4.2.2 系统硬件组成51-52
• 4.2.3 玉米秸秆厌氧干发酵温度监测系统软件设计52-53
• 4.3 厌氧发酵罐散热模型的构建53-55
• 4.3.1 发酵罐顶部和底部散热模型54
• 4.3.2 发酵罐壁面散热模型54-55
• 4.4 厌氧干发酵罐散热模型验证55-56
• 4.5 小结56-57
• 第五章 总结与展望57-59
• 5.1 总结57-58
• 5.2 展望58-59
• 参考文献59-64
• 硕士期间发表的论文64-65
• 致谢65

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