农作物秸秆干式厌氧发酵特性的研究

【摘要】：农作物秸秆厌氧发酵制备沼气,是我国农作物秸秆能源化和资源化利用的发展方向,但与发达国家相比,目前我国的农作物秸秆厌氧发酵制沼气技术起步较晚,大型农作物秸秆厌氧发酵制备沼气工程项目的运行经验也相对较少。本文采用实验与理论相结合的方法,研究了可供农作物秸秆发酵制备沼气的大型沼气项目进行工艺选择、工艺参数确定和经济性计算的有效方法。本文的主要研究成果及结论如下： (1)根据厌氧发酵过程的生化反应动力学理论,建立了两个适用于生物质厌氧发酵的动力学模型,可对生物质的厌氧发酵过程进行数值模拟,预估沼气成分的变化和产气规律,指导生物质厌氧发酵系统的设计和运行。 (2)介绍了农作物秸秆的主要破碎方式,对不同厂家生产的农作物秸秆破碎能耗进行了分析,在相同破碎出力条件下,破碎粒度越小,能耗越高。工程实际中可根据不同粒径的需求,尽量降低破碎能耗。 (3)根据分型理论,建立了农作物秸秆的质量分形模型y=(R/Rmax)3-D,结合该分形模型,获得了破碎不同粒径所需的能耗。 (4)以玉米秸秆为原料,通过批量式厌氧发酵,研究了不同因素对秸秆产气特性的影响。实验结果显示,添加菌种能有效提高发酵的产气率,缩短发酵周期；产气量随温度的增加而增大,50℃条件下的产气量与38℃时相比,增加不多,从能耗方面考虑,宜选取发酵温度为38℃、发酵浓度为25%；粒度小于2mm的玉米秸秆与粒度为20～10mm的玉米秸秆相比,在产气量上并无显著增加,为减少破碎能耗,建议玉米秸秆的粒径为20～10mm。 (5)给出了秸秆总费用的计算方法,得到了秸秆价格的上涨对利润大小的波动曲线；根据谷草比的统计数据,提出了估算农作物秸秆总量计算依据；提出了农作物秸秆厌氧制备沼气工程项目的经济性计算方法,可用于计算大型农作物秸秆制备沼气工程项目的经济性。 【关键词】：秸秆厌氧发酵 沼气 粒度表征 产气率 经济性
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-25
• 1.1 我国一次能源消费状况9
• 1.2 国内外新能源与可再生能源发展状况9-12
• 1.3 农作物秸秆能源化利用与资源化利用的途径与特点12-17
• 1.3.1 农作物秸秆的能源化利用13-16
• 1.3.2 农作物秸秆的资源化利用16-17
• 1.4 农作物秸秆发酵制备沼气现状与发展趋势17-23
• 1.4.1 发酵工艺的研究18-19
• 1.4.2 发酵原料预处理的研究19-21
• 1.4.3 发酵过程工艺参数的研究21-23
• 1.5 本文研究的目的、技术路线与预期成果23-24
• 1.6 本章小结24-25
• 第2章 农作物秸秆发酵制备沼气反应动力学25-37
• 2.1 厌氧发酵原理与工艺25-29
• 2.1.1 发酵的基本原理25-26
• 2.1.2 厌氧发酵的常见工艺及影响因素26-29
• 2.1.2.1 厌氧发酵的常见工艺26-27
• 2.1.2.2 影响厌氧发酵过程的参数和因素27-29
• 2.2 厌氧发酵的动力学模型29-35
• 2.2.1 厌氧发酵动力学模型的研究和应用现状29
• 2.2.2 厌氧发酵反应动力学模型29-35
• 2.2.2.1 厌氧发酵反应动力学模型一29-33
• 2.2.2.2 厌氧发酵反应动力学模型二33-35
• 2.3 本章小结35-37
• 第3章 农作物秸秆破碎原理、粒度表征与能耗分析37-49
• 3.1 农作物秸秆破碎原理37-39
• 3.1.1 农作物秸秆的破碎原理37
• 3.1.2 常见的农作物秸秆破碎工艺37-39
• 3.1.2.1 常见的破碎工艺37-38
• 3.1.2.2 常见的秸秆破碎方式38-39
• 3.2 农作物秸秆粒度表征39-44
• 3.2.1 常见的粒度表征方法39-40
• 3.2.1.1 频率分布39
• 3.2.1.2 累积分布39
• 3.2.1.3 频率分布于累积分布的关系39-40
• 3.2.2 粒度表征方法分析40-44
• 3.2.2.1 秸秆颗粒的分形理论模型40-41
• 3.2.2.2 秸秆粒度表述分析结果41-43
• 3.2.2.3 分形维数的含义43-44
• 3.3 农作物秸秆破碎能耗分析44-48
• 3.3.1 农作物秸秆的破碎能耗44-46
• 3.3.2 农作物秸秆破碎粒度与能耗的关系46
• 3.3.3 农作物秸秆破碎能耗的经济性分析46-48
• 3.4 本章总结48-49
• 第4章 农作物秸秆干式厌氧发酵实验研究49-61
• 4.1 实验目的49
• 4.2 发酵原料与实验方法49-53
• 4.2.1 发酵原料49-52
• 4.2.1.1 发酵原料的工业分析49-51
• 4.2.1.2 发酵原料的元素分析51-52
• 4.2.2 实验装置52
• 4.2.3 实验操作流程52-53
• 4.3 干式厌氧发酵产气规律的实验研究53-60
• 4.3.1 发酵菌种对产气的影响规律分析53-56
• 4.3.1.1 实验材料53
• 4.3.1.2 实验方法53-54
• 4.3.1.3 实验结果与分析54-56
• 4.3.2 发酵温度对产气的影响规律分析56-57
• 4.3.2.1 实验材料56
• 4.3.2.2 实验方法56
• 4.3.2.3 实验结果与分析56-57
• 4.3.3 发酵物料浓度对产气的影响规律与分析57-59
• 4.3.3.1 实验材料57
• 4.3.3.2 实验方法57
• 4.3.3.3 实验结果与分析57-59
• 4.3.4 发酵原料粒度对产气的影响规律与分析59-60
• 4.3.4.1 实验材料59
• 4.3.4.2 实验方法59
• 4.3.4.3 实验结果与分析59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 农作物秸秆干式厌氧发酵系统运行的经济性分析61-72
• 5.1 农作物于式厌氧发酵的系统组成61-62
• 5.2 农作物秸秆干式厌氧发酵系统运行的优化62-71
• 5.2.1 秸秆价格对系统经济性的影响62-65
• 5.2.1.1 秸秆总费用计算62-64
• 5.2.1.2 运输费用与运输距离的关系64
• 5.2.1.3 秸秆运输距离与种植面积的关系64-65
• 5.2.2 秸秆资源化利用对系统经济性的影响65-70
• 5.2.2.1 秸秆总量65-69
• 5.2.2.2 发酵产气量69-70
• 5.2.3 厌氧发酵产物对系统经济性的影响70-71
• 5.2.3.1 沼气利用对系统经济性的影响70-71
• 5.2.3.2 沼渣利用对系统经济性的影响71
• 5.3 本章小结71-72
• 第6章 全文总结与展望72-75
• 6.1 全文总结72-73
• 6.2 进一步研究工作的展望73-75
• 参考文献75-79
• 硕士期间发表的论文79-80
• 致谢80

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