秸秆高效沼气发酵研究

【摘要】： 本文以玉米秸和麦秸为原料,设定30℃、35℃、40℃三个中温温度梯度和48℃、51℃、54℃、57℃四个高温温度梯度,进行静态厌氧消化产气潜力和特性研究,并确定合适的温度作为秸秆动态厌氧消化运行温度。然后对适宜温度下动态运行的发酵装置和运行工艺控制条件进行了研究,并实现相应的最高池容产气率。主要结论如下: (1) 35～40℃为秸秆中温静态厌氧发酵的合适温度范围。35℃下玉米秸和麦秸原料TS产气率分别为0.492 m~3·kg~(-1)和0.499 m~3·kg~(-1);40℃下分别为0.515 m~3·kg~(-1)和0.517 m~3·kg~(-1)。秸秆高温静态厌氧消化合适的温度范围为51～54℃。51℃下玉米秸和麦秸原料TS产气率分别为0.572 m~3·kg~(-1)和0.576 m~3·kg~(-1);54℃下分别为0.528 m~3·kg~(-1)和0.530 m~3·kg~(-1)。 (2)秸秆中温动态厌氧发酵合适的发酵温度首选40℃,在SRT 17～18d,发酵温度40℃下,理想状态的池容产气率2.3～2.4m~3·m~(-3)·d~(-1),原料TS产气率0.41m~3·kg~(-1);高温动态厌氧发酵合适的发酵温度为51～54℃。在原料滞留期17～20d,发酵温度51℃下,理想状态的池容产气率2.3～2.7 m~3·m~(-3)·d~(-1),原料TS产气率0.46 m~3·kg~(-1);在原料滞留期14～15d,发酵温度54℃下,理想状态的池容产气率2.8～3.0 m~3·m~(-3)·d~(-1),原料TS产气率0.42 m~3·kg~(-1)。 (3)秸秆动态厌氧反应器内物料呈“上部秸秆浮渣-下部发酵液”两相分布,设计底部进料反应器在上部出料;顶部进料反应器在下部出料,出料口在原料浮渣和发酵液接触面附近。 (4)对于顶部进料反应器,适当搅拌可以显著增加产气量,平均池容产气率比不搅拌反应器提高了65%。 (5)相对于底部进料,顶部进料方式并没有表现出运行优势,在施加搅拌下,其池容产气率仅提高了2%,并且表现出出渣困难。建议秸秆动态厌氧发酵采用“底部进料-上部出料”方式,无需搅拌。 (6)在原料滞留期17d左右,秸秆高温(52±1℃)和中温(39±1℃)动态厌氧消化运行的最高有机负荷均为4.71kgTS/(m3·d)左右,最高池容产气率分别为1.92 m~3·m~(-3)·d~(-1)和1.63 m~3·m~(-3)·d~(-1),原料TS产气率分别为0.41 m~3·kg~(-1)和0.35 m~3·kg~(-1)。高温厌氧消化的最高池容产气率和相应原料产气率比中温提高了17%。从升温保温的代价进行考察,认为大型秸秆沼气工程经济可行的发酵温度首选40℃。 【关键词】：秸秆 厌氧消化 反应器优化 工艺条件 产气率
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 作物秸秆的产生和主要成分11-12
• 1.1.1 作物秸秆的产生11-12
• 1.1.2 作物秸秆主要成分12
• 1.2 秸秆的利用途径12-14
• 1.2.1 秸秆还田12
• 1.2.2 秸秆饲料化12-13
• 1.2.3 燃料化13
• 1.2.4 秸秆成型及炭化技术13-14
• 1.2.5 工业化利用14
• 1.3 厌氧消化技术概述14-18
• 1.3.1 厌氧消化反应机理14-16
• 1.3.2 厌氧发酵的工艺条件及其控制16-18
• 1.4 作物秸秆沼气发酵研究现状18-21
• 1.4.1 优化底物组成18
• 1.4.2 原料预处理18-19
• 1.4.3 反应器接种19
• 1.4.4 原料投加浓度19
• 1.4.5 发酵条件控制19-20
• 1.4.6 发酵过程相分离20-21
• 1.4.7 存在问题21
• 1.5 大规模秸秆厌氧发酵产沼气应用现状21-23
• 1.5.1 国外大规模秸秆厌氧发酵产沼气应用现状21-22
• 1.5.2 我国大规模秸秆厌氧发酵产沼气应用现状22
• 1.5.3 存在问题22-23
• 1.6 研究内容23-24
• 第二章 玉米秸麦秸中温厌氧发酵产气潜力及特性的研究24-33
• 2.1 试验目的24
• 2.2 材料和方法24-27
• 2.2.1 试验材料24-25
• 2.2.2 试验装置25
• 2.2.3 试验方法25-26
• 2.2.4 试验参数的确定26
• 2.2.5 分析测试项目与方法26-27
• 2.2.6 试验运行与维护27
• 2.3 结果与讨论27-32
• 2.3.1 玉米秸和麦秸中温厌氧发酵的日产气量和累积产气量变化27-28
• 2.3.2 甲烷含量的变化28-29
• 2.3.3 产气性能分析29-31
• 2.3.4 秸秆中温动态厌氧发酵运行参数的确定31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 玉米秸麦秸高温厌氧发酵产气潜力及特性的研究33-42
• 3.1 试验目的33
• 3.2 材料和方法33-35
• 3.2.1 试验材料33-34
• 3.2.2 试验装置34
• 3.2.3 试验方法34
• 3.2.4 试验参数的确定34
• 3.2.5 分析测试项目与方法34
• 3.2.6 试验运行与维护34-35
• 3.3 结果与讨论35-40
• 3.3.1 玉米秸和麦秸高温厌氧发酵的日产气量和累积产气量变化35-37
• 3.3.2 产气性能分析37-38
• 3.3.3 秸秆高温动态厌氧发酵运行参数的确定38-40
• 3.4 中温和高温厌氧发酵产气率的比较40-41
• 3.4.1 产气特性比较40
• 3.4.2 动态厌氧发酵运行参数比较40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 动态发酵试验试运行与优化42-48
• 4.1 试验目的42
• 4.2 材料和方法42-44
• 4.2.1 试验材料42
• 4.2.2 试验方法42-43
• 4.2.3 分析测试项目与方法43-44
• 4.3 结果与讨论44-47
• 4.3.1 反应器日产气情况44-45
• 4.3.2 池容产气率和原料产气率45
• 4.3.3 装置的优化和运行参数的初步确定45-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第五章 搅拌和进出料方式对秸秆动态厌氧发酵的影响48-56
• 5.1 试验目的48
• 5.2 材料和方法48-50
• 5.2.1 试验材料48
• 5.2.2 试验装置48
• 5.2.3 试验方法48-49
• 5.2.4 分析测试项目与方法49-50
• 5.3 结果与讨论50-55
• 5.3.1 搅拌对产气的影响50
• 5.3.2 不同进料方式对产气的影响及可行性研究50-51
• 5.3.3 高温底部进料方式的最大池容产气率51-52
• 5.3.4 运行过程中pH 和 NH4+-N 变化52-53
• 5.3.5 运行过程中气体的品质和补水量53-54
• 5.3.6 运行过程中的物料平衡54-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第六章 秸秆中温动态厌氧发酵运行试验56-62
• 6.1 试验目的56
• 6.2 材料和方法56-57
• 6.2.1 试验材料56
• 6.2.2 试验装置56
• 6.2.3 试验方法56-57
• 6.2.4 分析测试项目与方法57
• 6.3 结果与讨论57-60
• 6.3.1 中温底部进料方式的最大池容产气率57-58
• 6.3.2 运行过程中pH和 NH_4~+-N 变化58-59
• 6.3.3 运行过程中气体的品质和补水量59-60
• 6.3.4 运行的物料平衡60
• 6.4 秸秆中温和高温动态厌氧消化比较60-61
• 6.5 本章小结61-62
• 第七章 结论与建议62-64
• 7.1 结论62-63
• 7.2 创新点63
• 7.3 建议63-64
• 参考文献64-67
• 致谢67-68
• 作者简历68

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