氨水循环爆破法对玉米秸秆预处理效果的研究

【摘要】： 能源和环境压力迫使人们开始寻求新能源代替传统的化石能源,生物质能以其资源丰富、低碳的优点成为新能源首选,但也面临着成本高、技术不成熟的难题。预处理做为生物质能转化的一项关键技术,成为目前各国研究的重点。本文以氨预处理为基础,设计加工了一套氨水循环爆破预处理装置,并以此为基础采用正交实验法研究了预处理过程中处理温度、处理时间、物料含湿量和氨水流速对玉米秸秆预处理效果的影响。 研究结果表明,氨循环爆破法处理2~3cm玉米秸秆时,可以有效解离秸秆中木质素对纤维素、半纤维素的包裹,增加了纤维素和半纤维素的酶触面积。 温度对玉米秸秆预处理效果有较大影响。当预处理温度从60℃上升到90℃时,纤维素含量增加17.13%,而木质素含量降低了17.73%;XRD分析结果表明,90℃处理条件下,秸秆表皮结晶度由0.5674下降至0.5611,秸秆芯部由于非结晶物质的去除,结晶度由0.4268上升至0.5435,此时葡聚糖酶解率为75.2%,木聚糖酶解率为90.0%。 玉米秸秆的预处理时间过短则效果不明显,而时间太长又会造成酶解率下降。当预处理时间由9min延长到12min时,葡聚糖酶解率下降幅度达15.4%;木聚糖酶解率降低了4.61%。在本研究中,选取最优处理时间为9min。 秸秆初始含湿量对半纤维素含量有较大影响,随秸秆含湿量的增加,预处理后秸秆中半纤维素含量增加,但是木聚糖酶解率下降。当物料含湿量由80%增加到120%时,木聚糖酶解率下降了12.67%。在本研究中,最佳物料含湿量为80%。 氨水循环有助于木质素的去除,当氨水流速由1.5L/min上升至4.5L/min时,木质素含量由14.02%降至13.30%。但是氨水流速的增加对纤维素含量变化和葡聚糖酶解率并没有起到积极地作用。在氨流速为0、1.5、3、4.5L/min时,纤维素含量分别为42.26%、45.14%、42.14%和44.36%,并不呈现规律性,而葡聚糖酶解率则在氨水流速为0时达到最大,为76.8%。 综合对比各种预处理条件下秸秆的纤维素含量和葡聚糖酶解率发现,氨水循环爆破预处理玉米秸秆的最优处理条件为预处理温度90℃,物料含湿量80%,处理时间9min,氨流速1.5L/min。在此条件下,预处理后玉米秸秆纤维素百分含量为50.45%,葡聚糖酶解率为75.61%。 【关键词】：氨水循环爆破 玉米秸秆 预处理 酶解
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ352.1
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 文献综述8-22
• 1.1 研究背景8-11
• 1.1.1 世界能源消费现状8
• 1.1.2 发展可再生能源的重要性8-9
• 1.1.3 生物质能发展现状及预测9-11
• 1.1.4 生物质能转化技术存在的问题11
• 1.2 预处理方法研究现状及比较11-20
• 1.2.1 原料预处理的必要性11-13
• 1.2.2 原料预处理机理13-15
• 1.2.3 预处理方法的研究现状15-19
• 1.2.4 预处理方法对比分析19-20
• 1.3 本文研究意义、内容和方法20-22
• 1.3.1 研究意义20-21
• 1.3.2 研究内容及方法21-22
• 第二章 氨水循环爆破设备及工作原理22-32
• 2.1 氨水循环爆破预处理工艺22-23
• 2.2 氨水循环爆破工艺中主体装置设计23-32
• 2.2.1 氨液爆破罐的设计23-26
• 2.2.2 氨液缓冲罐的设计26-27
• 2.2.3 物料接收罐的设计27-29
• 2.2.4 液氨泵的选型29
• 2.2.5 管件的设计29-30
• 2.2.6 设备安装及附属设备30-31
• 2.2.7 设备验收和操作人员培训31-32
• 第三章 材料和方法32-42
• 3.1 氨水循环爆破预处理实验32-37
• 3.1.1 实验材料32-33
• 3.1.2 实验条件的确定33-35
• 3.1.3 正交实验设计35-36
• 3.1.4 实验设备36
• 3.1.5 实验步骤36-37
• 3.2 物料成分分析37-39
• 3.2.1 实验仪器37-38
• 3.2.2 实验试剂38
• 3.2.3 检测方法38-39
• 3.3 生物质酶解39-41
• 3.3.1 实验仪器39
• 3.3.2 实验材料39-40
• 3.3.3 实验方法40-41
• 3.4 生物质微观结构分析41-42
• 第四章 氨水循环爆破预处理玉米秸秆的研究42-59
• 4.1 氨水循环爆破对生物质表面形态及结构特性的影响42-47
• 4.1.1 预处理前后秸秆的直观形态42-43
• 4.1.2 预处理前后秸秆的电镜分析43-45
• 4.1.3 预处理前后秸秆的红外光谱分析45
• 4.1.4 预处理前后秸秆的XRD 分析45-47
• 4.2 氨水循环爆破预处理对玉米秸秆组分的影响47-54
• 4.2.1 预处理前后生物质组分的变化47-48
• 4.2.2 预处理对生物质纤维素含量的影响48-50
• 4.2.3 预处理对半纤维素和木质素含量的影响50-54
• 4.3 氨水循环爆破预处理对玉米秸秆酶解率的影响54-58
• 4.3.1 预处理温度对酶解率的影响55
• 4.3.2 预处理时间对酶解率的影响55-56
• 4.3.3 物料含湿量对酶解率的影响56-57
• 4.3.4 氨水流速对酶解率的影响57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 结论59-60
• 参考文献60-65
• 发表论文和参加科研情况说明65-66
• 附录66-72
• 致谢72

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