主要农作物秸秆组成成分和能源利用潜力

【摘要】：农作物秸秆是一种重要的生物质资源,全世界各类秸秆年产出量巨大,其科学利用有利于实现农业可持续发展,改善生态环境,因而受到各国高度重视。本研究以小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆为研究对象,探讨了不同成熟期、种类和地区的秸秆的组成成分和能源潜力的差异性、变异性和相关性,采用近红外光谱技术对小麦秸秆组成成分和高位热值进行了快速表征与分析,并分析了不同种类农作物秸秆的燃烧动力学和燃烧产物。主要研究结论如下： 从生长天数为236天到263天,小麦秸秆逐渐成熟,其干物质、纤维素和半纤维素含量显著增加,可溶性糖、粗蛋白、N、P和Cu显著降低,木质素、灰分、S、K和Na先增加后略有下降,而其挥发分、固定碳、C、H、O和高位热值几乎保持恒定。成熟期小麦秸秆的干物质、纤维素、可溶性糖、粗蛋白、N、P、Cu与生长天数之间具有极显著的相关性(P0.01)。 近红外光谱是分析小麦秸秆组成成分和高位热值的一种快速、可行的技术。遗传算法-偏最小二乘法(GA-PLS)模型和PLS模型均可用于分析不同成熟期小麦秸秆的组成成分和高位热值,GA分析可提供与小麦秸秆组成成分和高位热值密切相关的敏感光谱变量。近红外光谱的GA-PLS模型可对小麦秸秆的可溶性糖、粗蛋白、灰分和N含量进行较优秀的分析,可成功对干物质、纤维素、挥发分和高位热值进行定量分析,对半纤维素、C、S和H的分析基本有用。 5种秸秆的纤维素含量为24.91-52.26%,半纤维素为8.39-32.74%,木质素为10.40-33.36%,可溶性糖为0.32-19.85%,粗蛋白为1.15-13.98%,水分为1.08-8.94%,挥发分为55.82-80.25%,灰分为1.81-19.63%,固定碳为8.57-27.45%,C为34.65-52.33%,H为3.17-7.95%,O为30.82-50.35%,N为0.18-2.23%,S为0.15-1.44%,P为0.04-3.57g/kg,K为2.04-49.53g/kg,Na为0.01-10.97g/kg,Ca为0.03-19.23g/kg,Mg为0.05-5.97g/kg,Fe为0.03-2.37g/kkg。其高位热值为12.98-18.58MJ/kg,乙醇理论产率为331.89-630.16g/kg,甲烷理论产率为156.40-267.79L/kg。5种秸秆的组成成分和能源潜力的差异性显著(P0.05)。秸秆的组成成分的变异系数和平均值之间呈显著的负相关关系(P0.01)。半纤维素-纤维素/木质素/可溶性糖/粗蛋白/P、可溶性糖-粗蛋白、粗蛋白-N-P-Mg-Cu、挥发分-灰分-固定碳、C-H-O-N-S、P-K-Na-Ca和灰分-C/H/O/K存在显著的相关性(P0.01)。 中国西北、西南和华中地区农作物秸秆的纤维素、半纤维素、挥发分、O、乙醇理论产率和甲烷理论产率显著高于华东、华北和东北地区,而中国东北、华北和华东地区农作物秸秆的木质素、粗蛋白、灰分、固定碳、N、P、K、Ca、Fe含量显著的高于华中、西南和西北地区。纤维素、半纤维素、木质素、水分、挥发分、O、乙醇理论产率、甲烷理论产率与纬度、经度均呈显著负相关(P0.05),可溶性糖、粗蛋白、灰分、固定碳、N、P、K、Na、Ca、Mg、Fe、Cu、高位热值与纬度、经度呈显著正相关(P0.05)。 农作物秸秆的着火点温度和燃尽点温度范围为236.45-268.60℃和490.51-558.68℃。基于热重分析的小麦秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆燃烧特性最好,其次是棉花秸秆,水稻秸秆最差。一级反应动力学分析表明农作物秸秆具有较低的活化能。秸秆燃烧特征参数和动力学参数与组成成分具有显著的相关性(P0.05)。秸秆在燃烧阶段析出大量的CO2和H2O,少量的CH4、C2H5和NH3,微量的NO、HCN、NO2、ECl、SO2。玉米秸秆、油菜秸秆和棉花秸秆燃烧生成的气体产物要高于水稻秸秆和小麦秸秆。秸秆的灰分碱性指数大于0.34。相同温度下,小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆燃烧灰分残渣的物相结构相同,与油菜秸秆和棉花秸秆灰分的物相结构均不同。 【关键词】：农作物秸秆 组成成分 燃烧特性 能源潜力 差异性 相关性
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 插图和附表清单9-12
• 缩略词表12-13
• 主要符号表13-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 研究目的和意义14-16
• 1.2 农作物秸秆的基础特性16-18
• 1.3 国内外研究现状分析18-26
• 1.4 课题研究目标、研究内容和研究思路26-30
• 第二章 小麦秸秆组成成分和高位热值随成熟进程的动态变化及相关性分析30-46
• 2.1 引言30
• 2.2 材料和方法30-35
• 2.3 结果与讨论35-44
• 2.4 本章小结44-46
• 第三章 不同成熟期小麦秸秆组成成分和高位热值的NIRS快速表征与分析46-62
• 3.1 引言46-47
• 3.2 材料和方法47-52
• 3.3 结果与讨论52-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 不同种类农作物秸秆组成成分比较和能源潜力分析62-80
• 4.1 引言62-63
• 4.2 材料和方法63-65
• 4.3 结果与讨论65-78
• 4.4 本章小结78-80
• 第五章 不同地区农作物秸秆组成成分比较和能源潜力分析80-100
• 5.1 引言80-81
• 5.2 材料和方法81-83
• 5.3 结果与讨论83-99
• 5.4 本章小结99-100
• 第六章 基于热重分析的不同种类农作物秸秆燃烧特性及其产物研究100-124
• 6.1 引言100-101
• 6.2 材料和方法101-104
• 6.3 结果与讨论104-123
• 6.4 本章小结123-124
• 第七章 结论与进一步研究设想124-126
• 7.1 结论124-125
• 7.2 创新之处125
• 7.3 进一步研究设想125-126
• 参考文献126-140
• 致谢140-142
• 作者简介142-143

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