中国农村户用沼气区域化特征与原料配比研究

【摘要】：中国是农业人口大国,庞大的农村人口数量给农村的能源安全带来巨大的挑战。农村户用沼气作为农村生物质能利用方式,能够缓解农村能源紧缺的问题,有效的改善农村生态环境,具有显著的社会、经济和生态效益。近年来,我国农村户用沼气的使用量逐年增加,但各地区因经济发展水平、人口数量、气候条件、发酵原料种类和数量、教育程度等方面的差异,导致各地区间的户用沼气发展水平差异显著。本文在搜集、整理、分析大量数据的基础上,运用ArcGis 10.1将我国农村户用沼气的空间发展分为3个区域,即Ⅰ区:沼气发展水平较低,Ⅱ区:沼气发展水平较高,Ⅲ区:沼气发展水平中等;通过灰色关联分析研究影响这种分区特征的主导因素,并最终在众多影响因素中确定温度和发酵原料与这种分区特征的关联度最大,因此结合各分区内温度和原料的特征制定室内试验方案,确定发酵温度为15、25℃,发酵原料为农村地区常见、易收集、数量充足且具有普遍性的玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、猪粪、牛粪和羊粪。通过分析原料的产气特性,将产气效果最优的配比与沼气分区特征结合,得出适宜于不同地区户用沼气使用的最佳投料方案,最后通过优化15、25℃条件下产气效果最优的羊/稻9:1与牛/麦7:3配比进一步提升沼气产量,促进农村年户沼气的可持续发展,论文得出如下结论:1.从数量上看,我国农村户用沼气的发展已经达到了较高水平,但是各地区的户用沼气发展情况存在较大差异,总体呈现出由南向北、由东向西依次减少的趋势,以河北-河南-湖北-四川省界和山东-河南-湖北-湖南-广西省界为分割线,将我国户用沼气的空间布局划分为三个主要的区域。河北-四川线以北为我国农村户用沼气发展Ⅰ区,该区域包含13个省市,属于地广人稀,气候偏寒冷,户用沼气发展水平不高的区域;河北-四川线与山东-广西线两界线之间为Ⅱ区,该区域包含11各省市,属于农村人口多,经济发展水平中等,气候适宜,户用沼气发展水平较高的区域;山东-广西线以东为我国户用沼气发展Ⅲ区,该区域包含7个省,属于人口密集,经济发展水平较高,气候适宜,户用沼气发展水平中等的区域。2.灰色关联分析表明,影响我国农村户用沼气区域发展特征的主要影响因素是温度、原料、农村人口数量、收入和教育程度,其中温度和发酵原料与之关联度最大,其关联系数达到0.889和0.747,成为主导影响因素,根据3个分区内这两类主导因素的特征,筛选出农村地区最常见、易收集、数量多且具有普遍性的六类生物质能源作为发酵原料(玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、猪粪、牛粪和羊粪)。3.25℃发酵条件下,除小麦秸秆外,其余发酵原料(单一或混合)累积产气量均高于15℃发酵条件下的产气量。15℃发酵条件下,羊粪发酵的累积产气量最高,水稻秸秆的累积产气量最少,且在该温度下,除了猪/玉1:9和猪/羊3:7外,单一原料发酵的累积产气量均低于混合发酵的产气量,混合原料发酵产气效果最优的组合是羊/稻9:1,其累积产气量达到3754 mL,分别是羊粪和水稻秸秆单独发酵产气量的2.46倍和10.72倍;25℃发酵条件下,牛粪的产气量最高,小麦秸秆的产气量最少,在该温度下,玉麦1:9的产气量低于玉米秸秆单一发酵的产气量,因此不建议玉麦混合发酵。除此之外,混合发酵的产气量均高于单一原料发酵的产气量,尤其牛/麦7:3的累积产气量达到了16199 mL,分别是牛粪和小麦秸秆单独发酵产气量的1.88倍和29.8倍。4.两种原料混合发酵条件下,5种配比中产气效果最优的配比为:15℃发酵条件下,猪/牛7:3,猪/麦1:9,猪/稻9:1,牛/羊7:3,牛/玉9:1,牛/麦7:3,牛/稻9:1,羊/玉5:5,羊/麦3:7,羊/稻9:1,玉/麦9:1,玉/稻7:3,麦/稻1:9,其中猪/玉1:9混合发酵的产气量玉米秸秆单一发酵的产气量,猪/羊3:7混合发酵的产气量羊粪单一发酵的产气量,因此不被列在配比表中,在众多混合发酵的组合中,累积产气量最高为羊/稻9:1(3754mL);25℃发酵条件下为,猪/牛5:5,猪/羊9:1,猪/玉9:1,猪/麦5:5,猪/稻5:5,牛/羊9:1,牛/玉1:9,牛/麦7:3,牛/稻9:1,羊/玉1:9,羊/麦7:3,羊/稻3:7,玉/稻9:1,麦/稻5:5,玉/麦混合发酵的产气量玉米秸秆单独发酵的产气量,因此不列入配比表,在众多原料混合发酵的组合中,累积产气量最高为牛/麦7:3(16199 mL)。5.结合配比表和各分区内原料种类与数量制定适合不同地区农村户用沼气发酵的最佳投料方案。Ⅰ区中的内蒙古和新疆地区,牛粪、羊粪充足,因此建议15℃发酵条件下首先考虑牛/麦9:1混合发酵,其次考虑羊/麦7:3混合发酵。25℃发酵条件下首先考虑牛/麦7:3混合发酵,其次考虑牛/羊9:1混合发酵;Ⅱ区的河南、山东地区牛粪、猪粪、玉米、小麦秸秆资源丰富,因此建议该地区15℃发酵条件下首先考虑牛/麦9:1混合发酵,其次考虑猪/麦1:9混合发酵。25℃发酵条件下首先考虑牛/麦7:3混合发酵,其次考虑猪/玉9:1混合发酵;Ⅲ区中安徽、江苏地区牛粪、猪粪、水稻、小麦秸秆数量较多,因此建议该地区15℃发酵条件下首先考虑牛/稻9:1混合发酵,其次考虑牛/麦9:1混合发酵。25℃发酵条件下首先考虑牛/麦7:3混合发酵,其次考虑猪/牛5:5混合发酵。6.优化筛选出的15、25℃条件下产气效果最优的羊/稻9:1与牛/麦7:3组合,最终得到15℃发酵条件下,羊/稻9:1发酵的最优因素组合为:预处理时间为10.93 d、氨水浓度为18%,接种物浓度为12.84%,预期最大沼气产量为7238.92 mL;25℃发酵条件下,牛/麦7:3发酵最优因素组合为:预处理时间为8.23 d、氨水浓度为15.15%,接种物浓度为14.37%,预期最大沼气产量为19651.5 mL。 【关键词】：农村户用沼气 区域化 影响因素 产气特性 配比表 相应曲面法
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-14
• 第一章 文献综述14-23
• 1.1 选题背景14-18
• 1.1.1 生物质概述14
• 1.1.2 生物质能的特征、分类和利用方式14-16
• 1.1.3 开发利用生物质能的意义16-17
• 1.1.4 中国农村户用沼气在生物质能利用中的地位17
• 1.1.5 发展农村户用沼气的效益评价17-18
• 1.1.6 中国农村户用沼气发展的区域特征18
• 1.2.研究的目的和意义18-20
• 1.2.1 为我国农村户用沼气发展的合理布局提供参考18-19
• 1.2.2 因地制宜，研究户用沼气发酵原料的最佳投料方案19-20
• 1.3 国内外户用沼气发展概述20-22
• 1.3.1 混合发酵生产沼气发展历程20-21
• 1.3.2 我国农村户用沼气发展历程21-22
• 1.4 发展农村发展户用沼气的机遇与挑战22-23
• 第二章 材料与方法23-28
• 2.1 试验材料23
• 2.2 试验设计及技术路线23-25
• 2.2.1 数据来源23
• 2.2.2 发酵原料配比表23-25
• 2.3 实验装置25-26
• 2.4 试验方法26-28
• 2.4.1 原料的预处理26
• 2.4.2 指标的测定26-28
• 第三章 中国农村户用沼气区域化发展特征28-34
• 3.1 前言28-30
• 3.2 数据与方法30
• 3.3 结果与分析30-33
• 3.3.1 2009-2012年中国农村户用沼气发展概况30-32
• 3.3.2 我国农村户用沼气区域化发展特征32-33
• 3.4 小结33-34
• 第四章 灰色关联分析影响我国农村户用区域化发展的主导因素34-49
• 4.1 引言34
• 4.2 数据与方法34-35
• 4.3 结果与分析35-47
• 4.3.1 温度对我国农村户用沼气区域化发展的影响36-39
• 4.3.2 原料对我国农村户用沼气区域化发展的影响39-44
• 4.3.3 人均收入对我国农村户用沼气区域化发展的影响44-45
• 4.3.4 人口数量对我国农村户用沼气区域化发展的影响45-46
• 4.3.5 教育水平对我国农村户用沼气区域化发展的影响46-47
• 4.4 小结47-49
• 第五章 单一原料低温发酵产气特性研究49-55
• 5.1 前言49
• 5.2 材料与方法49-50
• 5.3 结果与分析50-53
• 5.3.1 15℃发酵条件下单一原料发酵产气特性50
• 5.3.2 15℃发酵条件下单一原料发酵过程中pH、VFAs的变化50-52
• 5.3.3 25℃发酵条件下单一原料发酵产气特性52
• 5.3.4 25℃发酵条件下单一原料发酵过程中pH、VFAs的变化52-53
• 5.4 讨论53-54
• 5.5 小结54-55
• 第六章 秸秆混合发酵配比研究55-63
• 6.1 前言55
• 6.2 材料与方法55
• 6.3 结果与分析55-61
• 6.3.1 15℃发酵条件下玉米/小麦秸秆混合发酵产气特性55-56
• 6.3.2 15℃发酵条件下玉米/水稻秸秆混合发酵产气特性56-57
• 6.3.3 15℃发酵条件下小麦/水稻秸秆混合发酵产气特性57-58
• 6.3.4 25℃发酵条件下玉米/小麦秸秆混合发酵产气特性58-59
• 6.3.5 25℃发酵条件下玉米/水稻秸秆混合发酵产气特性59-60
• 6.3.6 25℃发酵条件下小麦/水稻秸秆混合发酵产气特性60-61
• 6.4 讨论61-62
• 6.5 小结62-63
• 第七章 粪便混合发酵配比研究63-71
• 7.1 前言63
• 7.2 材料与方法63
• 7.3 结果与分析63-69
• 7.3.1 15℃发酵条件下猪粪/牛粪混合发酵产气特性63-64
• 7.3.2 15℃发酵条件下猪粪/羊粪混合发酵产气特性64-65
• 7.3.3 15℃发酵条件下牛粪/羊粪混合发酵产气特性65-66
• 7.3.4 25℃发酵条件下猪粪/牛粪混合发酵产气特性66-67
• 7.3.5 25℃发酵条件下猪粪/羊粪混合发酵产气特性67-68
• 7.3.6 25℃发酵条件下牛粪/羊粪混合发酵产气特性68-69
• 7.4 讨论69-70
• 7.5 小结70-71
• 第八章 秸秆与粪便混合发酵配比研究71-92
• 8.1 前言71
• 8.2 材料与方法71-72
• 8.3 结果与分析72-90
• 8.3.1 15℃发酵条件下猪粪与三种秸秆混合发酵产气特性72-75
• 8.3.2 15℃发酵条件下牛粪与三种秸秆混合发酵产气特性75-78
• 8.3.3 15℃发酵条件下羊粪与三种秸秆混合发酵产气特性78-81
• 8.3.4 25℃发酵条件下猪粪与三种秸秆混合发酵产气特性81-84
• 8.3.5 25℃发酵条件下牛粪与三种秸秆混合发酵产气特性84-87
• 8.3.6 25℃发酵条件下羊粪与三种秸秆混合发酵产气特性87-90
• 8.4 讨论90-91
• 8.5 小结91-92
• 8.5.1 15℃条件下粪便与秸秆混合发酵产气特性91
• 8.5.2 25℃条件下粪便与秸秆混合发酵产气特性91-92
• 第九章 农村户用沼气分区与投料方案研究92-99
• 9.1 引言92
• 9.2 结果与分析92-97
• 9.2.1 中国农村户用沼气区域化发展特征92-93
• 9.2.2 15℃条件下不同发酵原料产气特性对比93-94
• 9.2.3 25℃条件下不同发酵原料产气特性对比94-95
• 9.2.4 中国农村户用沼气分区投料配比方案95-97
• 9.3 小结97-99
• 第十章 优化 15℃、25℃条件下羊粪/水稻秸秆 9:1 和牛粪/小麦秸秆 7:399-111
• 10.1 引言99
• 10.2 材料与方法99-101
• 10.2.1 发酵原料99
• 10.2.2 试验设计99-100
• 10.2.3 试验方法100-101
• 10.2.4 数据分析101
• 10.3 结果与分析101-109
• 10.3.1 15℃条件下，优化羊/稻 9:1 混合发酵工艺参数101-105
• 10.3.2 25℃条件下，优化牛/麦 7:3 混合发酵工艺参数105-109
• 10.4 讨论109
• 10.5 小结109-111
• 第十一章 全文结论与创新点111-113
• 11.1 全文结论111-112
• 11.2 创新点112-113
• 参考文献113-119
• 致谢119-121
• 作者简介121

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