汽爆预处理对秸秆微观结构和厌氧发酵特性影响的试验研究

【摘要】：在化石能源日渐匮乏、能源形势日益紧张的今天,人类寻找替代或辅助能源并提高能源利用效率的要求显得愈加迫切。生物质能作为可再生能源由于其安全性及稳定性成为国家重点鼓励发展的新能源。结合我国国情,目前我国农作物秸秆资源总量丰富但利用水平较低,如能将其用于沼气发酵,不仅能解决当前因焚烧秸秆、滥用化肥而造成的环境污染,也能缓解能源紧张给社会带来的压力。 农作物秸秆中主要成分为纤维素、半纤维素及木质素,且三者相互盘绕结构复杂。尤其是木质素的存在严重阻碍了发酵过程微生物对纤维素和半纤维素的分解利用。因此,如要充分利用秸秆资源必须对其进行预处理,以达到破坏三者的物理结构,增加秸秆利用率的目的。目前对秸秆的预处理方法主要有物理法、化学法和生物法三种。三种预处理方法各有利弊,但目前尚未研究出集各种优势为一体、成本低、效率高且能在生产中进行推广的预处理方法。 蒸汽爆破预处理已经被广大学者证明是一种有效的秸秆预处理方法。本研究将玉米秸秆进行了蒸汽爆破预处理并进行厌氧发酵试验,研究了汽爆预处理对秸秆微观结构的影响及秸秆经汽爆预处理后的厌氧发酵特性。 本文较全面的反映了作者的研究情况,具体内容如下： (1)分析、测试秸秆的基本参数及汽爆预处理前后宏观、微观结构和三素的变化,研究蒸汽爆破预处理对秸秆预处理的作用机理。结果表明,汽爆预处理显著改变了秸秆的宏观、微观机构和三素含量。 (2)对未经预处理和经汽爆预处理的秸秆进行厌氧发酵对比试验,考察其厌氧发酵特性,研究汽爆预处理对秸秆厌氧发酵特性的影响。结果表明,汽爆预处理有效促进了秸秆的单位VS产气率,在汽爆压力2.5MPa,保留时间90s的预处理条件下,汽爆后干秸秆在TS=4%时达到最大单位VS产气率325.54mL/g,汽爆后青秸秆在TS=3%时达到最大单位VS产气率334.77mL/g。但是2.5Mpa和1.5Mpa的发酵结果几乎没有不同,因此,最优的汽爆压力应该选为1.5Mpa。 (3)选用青秸秆和干秸秆作对比,在不同预处理条件下进行厌氧发酵试验,研究经蒸汽爆破预处理后,青秸秆和干秸秆发酵效果异同。结果表明,经汽爆预处理后,干秸秆发酵周期比青秸秆长；干秸秆产气率在汽爆压力较高(2.5MPa)时大于青秸秆,在汽爆压力较低(1.5MPa)时小于青秸秆；汽爆预处理后,干秸秆产气速率低于青秸秆。 (4)对汽爆秸秆产沼气过程进行能量分析,研究其实用性、市场推广前景。结果表明,汽爆预处理后秸秆的能量转换效率大大提高,比未处理秸秆提高达15.66%,但由于汽爆过程耗能较大,使其有效输出能量减少,导致综合能量利用率较低。 【关键词】：蒸汽爆破 预处理 玉米秸秆 沼气 微观结构
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 致谢4-8
• 摘要8-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 研究背景9-10
• 1.1.1 能源利用背景9
• 1.1.2 玉米秸秆结构分析9-10
• 1.2 预处理方法的研究与发展现状10-13
• 1.2.1 物理法预处理10-11
• 1.2.2 化学法预处理11
• 1.2.3 生物法预处理11
• 1.2.4 蒸汽爆破预处理研究与发展现状11-13
• 1.3 研究内容的提出及研究思路13
• 1.3.1 研究内容13
• 1.3.2 技术路线13
• 2. 试验材料与试验方法13-19
• 2.1 试验材料13-14
• 2.2 试验仪器与设备14
• 2.3 分析方法14-17
• 2.3.1 TS测定方法14
• 2.3.2 VS测定方法14
• 2.3.3 含碳量测定方法14-15
• 2.3.4 含氮量测定方法15
• 2.3.5 纤维素、半纤维素和木质素含量测定15-16
• 2.3.6 pH值的测定方法16
• 2.3.7 产气量测定方法16
• 2.3.8 沼气中CH_4含量测定方法16-17
• 2.4 试验方法17-19
• 2.4.1 原料的预处理17-18
• 2.4.2 湿式厌氧发酵方案18-19
• 3. 蒸汽爆破预处理对秸秆结构的影响19-23
• 3.1 汽爆预处理前后秸秆形态的变化19-22
• 3.1.1 宏观形态的变化19-20
• 3.1.2 汽爆预处理对秸秆微观结构的影响20-22
• 3.2 汽爆预处理前后秸秆成分的变化22-23
• 3.3 小结23
• 4. 玉米秸秆厌氧发酵试验研究23-32
• 4.1 汽爆玉米秸秆发酵条件探究23-25
• 4.1.1 汽爆玉米秸秆在高TS下发酵效果23
• 4.1.2 汽爆玉米秸秆在低TS下发酵效果23-24
• 4.1.3 结果与讨论24-25
• 4.2 汽爆干秸秆厌氧发酵试验结果与讨论25-27
• 4.2.1 汽爆干玉米秸秆在不同条件下产气情况25-26
• 4.2.2 不同条件下汽爆干玉米秸秆产气中甲烷含量对比26-27
• 4.3 汽爆青秸秆厌氧发酵试验结果与讨论27-30
• 4.3.1 汽爆青秸秆不同条件下厌氧发酵产气情况27-28
• 4.3.2 汽爆青秸秆不同条件下产气中甲烷含量对比28-30
• 4.4 小结30-32
• 5. 汽爆秸秆产沼气能量分析32-38
• 5.1 流入的能量32-35
• 5.1.1 秸秆自身能量32
• 5.1.2 蒸汽爆破耗能32-34
• 5.1.3 秸秆粉碎耗能34
• 5.1.4 发酵耗能34-35
• 5.2 产生的能量35
• 5.3 秸秆沼气的理论能量转换效率35
• 5.4 秸秆沼气的实际能量转换效率35-36
• 5.5 结果与讨论36-37
• 5.5.1 蒸汽爆破预处理对秸秆沼气实际能量转换率的影响36
• 5.5.2 蒸汽爆破预处理时秸秆厌氧发酵产沼气的综合能量利用效率36-37
• 5.6 小结37-38
• 6. 结论38
• 参考文献38-41
• 硕士期间发表论文41-42

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