一体化两相厌氧反应器玉米秸秆产气研究

【摘要】：随着能源危机与环境污染成为制约人类社会发展的重要因素，开发高效、低碳、可再生的新能源受到世界各国的高度重视。秸秆类物质作为一种数量庞大、价格低廉、获取容易的农业废弃物，具有成为新能源所需底物的巨大潜力。然而，通常的秸秆类物质利用过程面临着效率较低的瓶颈问题。近年来，两相厌氧消化技术在玉米秸秆利用过程中表现出廉价、环保、高效的诸多优点，其研究与推广具有较大的应用价值与现实意义。基于此本文研究了玉米秸秆的发酵前预处理以及小型一体化两相厌氧反应器的玉米秸秆产气特性，同时设计了放大尺寸的一体化两相厌氧发酵平台。 为提高玉米秸秆在两相厌氧反应器中的发酵效果，本研究采用正交试验考察了重要参数对玉米秸秆酸、碱预处理过程的影响。结果显示，温度为影响酸、碱预处理过程的关键因素，且酸预处理的玉米秸秆糖化率远高于碱预处理。酸预处理得到的糖化液产气能力略高于碱预处理，且产气时间大幅缩短。单位质量秸秆通过酸预处理得到的产气量为53ml/g，为碱预处理的15.1倍，因此酸预处理为较适宜的玉米秸秆预处理方法。 考察了一体化两相厌氧小试反应器利用玉米秸秆的产气过程，提出以廉价糖蜜为替代底物的厌氧反应器启动方案，并研究了此方案下的启动特性。研究结果表明：启动时产酸相污泥接种量为9.7g-VSS/L，甲烷相反应器利用厌氧污泥接种，实现了28天的快速启动过程，其中产酸反应器与产甲烷反应器分别在第14天和第18天即出现产气现象。结果表明利用糖蜜且接种成熟的厌氧污泥可以实现厌氧反应器的快速启动过程。 利用一体化两相厌氧反应器进行玉米秸秆产气的小试试验研究，结果表明：当进水秸秆含量为0.74g/L，反应器总容积负荷为0.678kg-COD/m3·d，总HRT为96h时，最大产气量为1.06L/d；玉米秸秆在产酸相停留时间最少应达到16h；另外，降低玉米秸秆颗粒的尺寸、延长水力停留时间都可以提高厌氧反应器对玉米秸秆利用效率。试验发现，一体化两相厌氧反应器具有较强的抗冲击能力，其中甲烷相在底物改变过程中能够稳定产气，表现出这种反应器形式在复杂底物利用方面的优势。 为进一步研究玉米秸秆两相厌氧消化的产能特性，优化并搭建了中试水平的一体化厌氧发酵产气装置。在优化设计过程中，利用MATLAB辅助计算，重新设计了产气装置的保温系统。经过计算新的保温系统，系统仅需568W即可在最恶劣的工作环境下维持整个系统的控温要求。通过Fluent软件，利用计算流体力学的方法优化了扰泥结构，提高了厌氧反应器的性能。通过设计建立了此类问题的设计计算方法，而且此方法经过适当调整可适用于不同类型的厌氧反应器。 【关键词】：两相厌氧消化 预处理 动态试验 玉米秸秆 反应器设计
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 生物质能的特点11
• 1.2 玉米秸秆厌氧发酵产能研究现状11-15
• 1.2.1 农业废弃物能源化利用的意义11-12
• 1.2.2 玉米秸秆厌氧发酵产能的优势12-13
• 1.2.3 玉米秸秆预处理方法13-14
• 1.2.4 玉秸秆产气研究现状14-15
• 1.3 两相厌氧消化工艺的优势及处理复杂底物的应用现状15-19
• 1.3.1 两相厌氧消化工艺的特点与优势15-17
• 1.3.2 两相厌氧消化工艺应用于复杂底物的研究现状17-19
• 1.4 厌氧反应器中试设计与试验研究现状19-21
• 1.4.1 中试厌氧反应器的设计思路19
• 1.4.2 国内外厌氧反应器中试试验现状19-21
• 1.5 本文研究的主要内容与意义21-23
• 1.5.1 课题的提出21
• 1.5.2 研究意义21
• 1.5.3 研究内容与思路21-23
• 第2章 试验材料与方法23-28
• 2.1 试验材料23
• 2.2 试验装置23-24
• 2.3 试验方法24-26
• 2.3.1 玉米秸秆预处理条件优化试验24-25
• 2.3.2 玉米秸秆静态产气试验25-26
• 2.4 测量指标与方法26-28
• 2.4.1 预处理试验中还原糖测量方法26-27
• 2.4.2 玉米秸秆静态产气试验产气量测量27-28
• 第3章 玉米秸秆酸、碱预处理参数优化研究28-36
• 3.1 酸、碱预处理糖化效果的影响因素选取28-29
• 3.2 基于正交试验法的最佳预处理参数确定研究29-33
• 3.2.1 玉米秸秆酸预处理试验30-31
• 3.2.2 玉米秸秆碱预处理试验31-33
• 3.3 不同预处理方式影响发酵菌利用玉米秸秆研究33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 玉米秸秆动态产气小试试验研究36-48
• 4.1 厌氧反应器快速启动试验研究36-39
• 4.1.1 启动底物选取与污泥接种36
• 4.1.2 启动负荷的选取36-37
• 4.1.3 启动特性分析37-39
• 4.2 酸预处理玉米秸秆动态产气试验研究39-47
• 4.2.1 各因素对反应器运行状况的影响39-45
• 4.2.2 秸秆动态发酵试验运行总结45-47
• 4.3 本章小结47-48
• 第5章 中试水平一体化两相厌氧试验装置优化设计48-68
• 5.1 中试一体化两相厌氧产气装置介绍48-52
• 5.2 中试水平一体化两相厌氧产气装置的优化设计52-67
• 5.2.1 保温结构优化设计52-56
• 5.2.2 扰泥结构优化设计56-63
• 5.2.3 其它结构设计63-67
• 5.3 本章小结67-68
• 结论68-70
• 参考文献70-77
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果77-78
• 致谢78

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