玉米秸秆氢氧化钾及蒸汽爆破耦合预处理厌氧发酵产沼气研究

【摘要】：利用厌氧消化技术处理木质纤维素类生物质,能够产生高效、清洁的生物质能源—沼气。但是木质纤维类原料存在着复杂的结构,导致其厌氧消化具有延迟期长和产气率低等问题。克服木质纤维素的阻碍是利用木质纤维类生物质生产沼气的有效手段。本课题研究了多种预处理方式以提高玉米秸秆的生物降解性能。研究不同压力(1.2、1.5、1.8、2.1MPa)和不同维压时间(5、10、15、20、25 min)下,蒸汽爆破预处理对玉米秸秆厌氧发酵的影响。结果显示,蒸汽爆破是一种高效的预处理手段,考虑到能耗和效率,将1.2MPa、10 min选择为最佳汽爆条件,累积甲烷产量为223.2 mL/gvs,相对于未预处理秸秆,提高了55.2%。研究了20℃下不同浓度(0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)KOH预处理及与蒸汽爆破耦合预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响。结果显示,KOH预处理是提高累积甲烷产量的一种优良方法,选择1.5% KOH为最佳预处理方法,累积甲烷产量为208.6 mL/gvs,相对于未预处理秸秆,提高了45.1%。相对于未预处理秸秆,经1.5% KOH与蒸汽爆破耦合预处理,甲烷累积产量(258.8 mL/gvs)获得了80.0%的极显著提升,玉米秸秆的生物降解性为62.5%。研究了60℃下不同浓度(0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)KOH预处理及与蒸汽爆破耦合预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响。结果显示,热KOH对玉米秸秆的预处理效果优于常温KOH,选择1.5%热KOH为最佳预处理方法,累积甲烷产量为243.1 mL/gvs,相对于未预处理秸秆,提高了56.4%;相对于20℃下的1.5% KOH预处理秸秆,提高了16.5%。相对于未预处理秸秆,经1.5%热KOH与蒸汽爆破耦合预处理,甲烷累积产量(292.9 mL/gvs)获得了88.5%的极显著提升,玉米秸秆的生物降解性达到了70.7%。研究了预浸用水量对蒸汽爆破预处理玉米秸秆厌氧消化的影响,结果表明,预浸对蒸汽爆破必不可少。固液比1：4和1：9(含水率分别为80%和90%)对蒸汽爆破的影响效果基本一致,固液比1：4可以在蒸汽爆破预处理中节省大量的水,是一种更为经济实用的方法。为了降低KOH预处理的成本,本论文研究了KOH预处理的余液(黑液)多次循环回用预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响。结果表明,黑液经10次循环回用,玉米秸秆的累积甲烷产量达到211.1 mL/gvs,相对于未预处理秸秆提升了56.1%。1.5% KOH和黑液预处理玉米秸秆的总体甲烷产量(overall methane yield)无显著性差异,而且相对于纯KOH预处理,黑液预处理分别节省耗水量和KOH消耗量56%和57%。在未来的沼气工业化中,常温／热氢氧化钾与蒸汽爆破耦合预处理及黑液预处理可能会成为具有实际应用潜力的玉米秸秆的预处理方法。 【关键词】：玉米秸秆 蒸汽爆破 氢氧化钾 耦合预处理 厌氧消化
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 符号说明17-18
• 第一章 绪论18-30
• 1.1 厌氧消化技术18-21
• 1.1.1 厌氧消化机理18-19
• 1.1.2 厌氧消化的影响因素19-21
• 1.2 木质纤维类生物质利用中存在的问题21-23
• 1.3 木质纤维类生物质预处理技术23-27
• 1.3.1 物理方法23
• 1.3.2 化学方法23-25
• 1.3.3 物化方法25-27
• 1.3.4 生物方法27
• 1.4 研究意义和内容27-30
• 1.4.1 研究意义27-28
• 1.4.2 研究内容28-30
• 第二章 实验材料与方法30-36
• 2.1 实验原料与接种物30
• 2.2 实验装置30-31
• 2.3 测试项目与方法及实验仪器31-36
• 2.3.1 测试项目与方法31-33
• 2.3.2 实验仪器33-34
• 2.3.3 原料的理论甲烷产量34
• 2.3.4 原料的生物降解率34-35
• 2.3.5 动力学分析35
• 2.3.6 统计学分析35-36
• 第三章 蒸汽爆破预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响36-42
• 3.1 预处理36
• 3.2 厌氧消化36-37
• 3.3 玉米秸秆的理论甲烷产量37
• 3.4 统计学分析37
• 3.5 实验结果与分析37-41
• 3.5.1 蒸汽爆破预处理玉米秸秆的累积甲烷产量37-38
• 3.5.2 玉米秸秆的生物降解性和加权平均甲烷含量38-39
• 3.5.3 动力学分析39-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第四章 KOH、KOH与蒸汽爆破耦合预处理(SPPE)对玉米秸秆厌氧消化的影响42-56
• 4.1 KOH预处理对玉米秸秆厌氧消化性能的影响42-46
• 4.1.1 预处理42
• 4.1.2 厌氧消化42-43
• 4.1.3 玉米秸秆的理论甲烷产量43
• 4.1.4 统计学分析43
• 4.1.5 实验结果分析43-46
• 4.2 KOH与蒸汽爆破耦合预处理(SPPE)对玉米秸秆厌氧消化性能的影响46-54
• 4.2.1 预处理46-47
• 4.2.2 厌氧消化47
• 4.2.3 玉米秸秆的理论甲烷产量47
• 4.2.4 统计学分析47
• 4.2.5 实验结果分析47-54
• 4.3 本章小结54-56
• 第五章 热KOH、热KOH与蒸汽爆破耦合预处理(SPTPE)对玉米秸秆厌氧消化的影响56-66
• 5.1 热KOH预处理对玉米秸秆厌氧消化性能的影响56-60
• 5.1.1 预处理56
• 5.1.2 厌氧消化56
• 5.1.3 玉米秸秆的理论甲烷产量56
• 5.1.4 统计学分析56-57
• 5.1.5 实验结果分析57-60
• 5.2 热KOH与蒸汽爆破耦合预处理(SPTPE)对玉米秸秆厌氧消化性能的影响60-64
• 5.2.1 预处理60
• 5.2.2 厌氧消化60
• 5.2.3 玉米秸秆的理论甲烷产量60
• 5.2.4 统计学分析60
• 5.2.5 实验结果分析60-64
• 5.3 本章小结64-66
• 第六章 预浸用水量对蒸汽爆破预处理玉米秸秆厌氧消化的影响66-72
• 6.1 预处理66
• 6.2 厌氧消化66
• 6.3 玉米秸秆的理论甲烷产量66-67
• 6.4 统计学分析67
• 6.5 实验结果分析67-70
• 6.5.1 甲烷日产量67
• 6.5.2 累积甲烷产量67-68
• 6.5.3 玉米秸秆的生物降解性和加权平均甲烷含量68-69
• 6.5.4 动力学分析69-70
• 6.6 本章小结70-72
• 第七章 KOH预处理玉米秸秆的黑液的循环利用72-80
• 7.1 预处理72-73
• 7.2 厌氧消化73
• 7.3 玉米秸秆和接种物的性质73
• 7.4 玉米秸秆的理论甲烷产量73-74
• 7.5 统计学分析74
• 7.6 实验结果与分析74-79
• 7.6.1 水和KOH的消耗量74
• 7.6.2 预处理玉米秸秆厌氧消化产沼气性能74-76
• 7.6.3 玉米秸秆的固体回收率、生物降解性、初始和终点pH及加权平均甲烷含量76-77
• 7.6.4 总体沼气/甲烷产量77-78
• 7.6.5 动力学分析78-79
• 7.7 本童小结79-80
• 第八章 结论与建议80-82
• 8.1 结论80-81
• 8.2 建议81-82
• 参考文献82-88
• 致谢88-90
• 研究成果及发表的学术论文90-92
• 作者和导师简介92-93
• 专业学位硕士研究生学位论文答辩委员会决议书93-94

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