热化学预处理玉米秸秆厌氧发酵产气特性的研究

【摘要】：厌氧消化产沼气是秸秆能源转化有效技术之一,由于秸秆结构的特殊性所导致的难降解问题,一直是秸秆能源化利用的难题。以秸秆预处理方式的高效率、低消耗、低污染、低成本的发展方向为原则,结合木质纤维素低温快速热解机理,我们提出了热化学预处理方法,通过快速升温加热秸秆使其物理化学结构发生变化,从而使其高效降解,提高秸秆厌氧消化率和产气率。该方法不但具有耗时短,效率高,而且有很好的连续性的特点。 本文利用流化床热解反应器(加热速率103℃/s)对玉米秸秆进行了热化学预处理,通过对热化学预处理后的玉米秸秆颗粒物化性及其微观结构的检测及后续发酵试验分析,证明了此热化学预处理在沼气发酵应用上具有可行性。本文的研究内容及主要结论如下： 1.利用流化床热解反应器在预设温度180℃,滞留时间为1s,常压的环境下对玉米秸秆进行了热化学预处理,并且利用粗纤维测定仪、扫描式电子显微镜和傅里叶红外光谱仪对热化学处理后的玉米秸秆颗粒进行了分析。结果表明热化学预处理可使玉米秸秆表面结构变得松散,木质纤维素含量均明显减少,纤维素、半纤维素和木质素的去除率分别达到15.93%、12.22%和26.64%。 2.以180℃热化学预处理后玉米秸秆为原料进行厌氧发酵试验。试验结果表明,热化学预处理玉米秸秆30天单位发酵体积的累计产气量为15.0L,与未处理玉米秸秆相比,处理后的玉米秸秆沼气产量增加了18.48%,总固体(TS,Total Solid)与挥发性固体(VS, Volatile Solid)的单位产气量分别提高了8.18%,12.00%；此外,将热化学预处理方法与碱预处理方法、堆腐预处理方法进行性了对比试验,通过三种预处理方式的对比试验,得出热化学预处理的处理效果要优于堆腐预处理,劣于碱预处理,但是热化学预处理玉米秸秆发酵启动较快,能较早的进入产气高峰期。 3.对热化学预处理的处理温度及发酵过程中的发酵浓度两个试验参数进行了优化。试验证明,处理温度为200℃时,热化学预处理的效果最为显著,同时当发酵浓度为8%时,其沼气产量及甲烷含量能达到最大值。 4.根据不同温度热化学预处理玉米秸秆结构变化与其发酵产气情况,对热化学预处理玉米秸秆结构变化规律及发酵机理做了简要分析。为今后热化学预处理方法的改进提供一定的参考依据。 【关键词】：玉米秸秆 厌氧发酵 预处理 热化学
【学位授予单位】：山东理工大学
【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
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 玉米秸秆的成分及其特征10-11
• 1.2.1 纤维素的结构特征10
• 1.2.2 半纤维素的结构特征10-11
• 1.2.3 木质素的结构特征11
• 1.3 玉米秸秆厌氧消化产沼气技术11-13
• 1.3.1 玉米秸秆厌氧消化产沼气的步骤与机理11-12
• 1.3.2 玉米秸秆厌氧消化产沼气的限制因素12-13
• 1.4 玉米秸秆的预处理方式13-16
• 1.5 课题研究内容、目的及意义16-18
• 1.5.1 课题研究内容16
• 1.5.2 课题研究的目的与意义16-18
• 第二章 热化学预处理玉米秸秆及其对结构影响18-31
• 2.1 热解反应器介绍18-19
• 2.2 流化床热解预处理玉米秸秆19-22
• 2.2.1 热解预处理玉米秸秆原理19
• 2.2.2 流化床反应器构造及其工作原理19-21
• 2.2.3 流化床热解器预处理玉米秸秆方法步骤21-22
• 2.3 热化学预处理对玉米秸秆的影响22-30
• 2.3.1 纤维素、半纤维素及木质素的含量变化22-25
• 2.3.2 扫描式电子显微镜观察玉米秸秆微观结构的变化25-27
• 2.3.3 傅里叶红外光谱仪测定玉米秸秆化学结构的变化27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 热化学预处理玉米秸秆发酵特性试验31-43
• 3.1 试验材料与仪器31-32
• 3.1.1 试验材料31
• 3.1.2 试验仪器31-32
• 3.2 沼气发酵原料的特性分析32-34
• 3.2.1 含水率的测定32
• 3.2.2 挥发性固体含量的测定32
• 3.2.3 总碳含量的测定32-33
• 3.2.4 总氮含量的测定33-34
• 3.3 热化学预处理玉米秸秆发酵试验34-38
• 3.3.1 试验装置及方法34-35
• 3.3.2 试验参数确定35-37
• 3.3.3 试验测试指标及分析方法37-38
• 3.4 试验结果与分析38-42
• 3.4.1 沼气产量38-39
• 3.4.2 沼气成分分析39-40
• 3.4.3 TS与VS去除率40-41
• 3.4.4 pH变化情况41-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 热化学预处理与其他预处理方法的对比发酵试验43-50
• 4.1 预处理方法43
• 4.1.1 热化学预处理43
• 4.1.2 碱预处理43
• 4.1.3 堆腐预处理43
• 4.2 试验装置与分析方法43-44
• 4.2.1 试验装置与方法43
• 4.2.2 试验参数确定43-44
• 4.2.3 试验测试指标与分析方法44
• 4.3 试验结果与分析44-49
• 4.3.1 预处理前后原料成分分析44-46
• 4.3.2 产气量分析46-47
• 4.3.3 产气成分分析47-49
• 4.3.4 总固体去除率与挥发性固体去除率49
• 4.4 本章小结49-50
• 第五章 热化学预处理玉米秸秆发酵试验条件的优化50-57
• 5.1 热化学预处理处理温度的优化50-53
• 5.1.1 试验条件及试验测试指标50
• 5.1.2 试验结果50-53
• 5.2 热化学预处理发酵料液固体含量的优化53-56
• 5.2.1 试验条件及试验测试指标53
• 5.2.2 试验结果53-56
• 5.3 本章小结56-57
• 第六章 热化学预处理对沼气发酵效果影响的机理研究57-63
• 6.1 热化学预处理玉米秸秆结构变化规律57-61
• 6.1.1 纤维素、半纤维素及木质素变化规律57-58
• 6.1.2 微观结构变化规律58-59
• 6.1.3 化学结构变化规律59-61
• 6.2 热化学预处理玉米秸秆厌氧发酵产气变化规律61-63
• 第七章 全文总结及下一步工作建议63-66
• 7.1 总结63-64
• 7.2 工作建议64-66
• 在读期间公开发表的论文及参与课题66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-71

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