稻草秸秆干发酵产沼气的生命周期评价

【摘要】：随着我国工业的发展、人口压力的加大再加上现行经济体制的需求,我国对能源的消耗和索取也与日俱增。现在的主流能源依然是以不可再生的化石能源为主的石油、煤炭和天然气,经过地球沉淀的这些资源越来越少,直接导致能源危机的出现。同时化石能源开采至使用的阶段,整个过程中都会对生态环境造成影响甚至是严重的破坏,而这些影响和破坏都最终的直接或间接的作用在使用的人类身上。而生物质能源中沼气发酵模式为解决能源危机和由此产生的环境危机提出了新出路。本文开展稻草秸秆的干发酵产沼气试验研究,在此基础上研制出模拟太阳能循环加热干发酵产沼气装置,并运用该装置进行稻草秸秆干发酵试验的研究；通过采用生命周期评价的方法,对秸秆沼气化的过程中,各部分的耗能、产出以及相关的经济、社会和自然资源的影响作出客观评价。研究结果如下： (1)稻草秸秆干发酵产沼气试验表明,在相同的温度的情况下,浓度越高,产气量越大,在总产气量方面,25℃时浓度为6%、10%和15%的总产气量分别是2935mL、7865mL和18685mL：在30℃时分别是2050mL、6245mL和13205mL；35℃时分别是15015mL和26535mL。在相同发酵浓度的情况下,随着温度从25℃上升到35℃,产气总量的排序为35℃25℃30℃,30℃总产气量低于25℃的原因,可能是因为试验分段进行,由于两组试验所用的接种物存在差异造成的。在TS产气潜力方面,相同温度的情况下,浓度越高其产气的潜力越大,在相同浓度的情况下35℃的情况下产气潜力最高,30℃的最低,其原因可能是因为接种物的差异造成的,同时,在35℃的情况下,6%的产气潜力最好,其原因是其他两种浓度因为较高没有充分发酵所导致的。发酵开始的前30天左右是产气的高峰期,但随着发酵浓度的上升,产气最大值出现的时间也往后移。从总体情况看,提高发酵温度和发酵浓度,都能提高产沼气效率。 (2)稻草秸秆干发酵相关物料热解分析表明,稻草、接种物及发酵物料的热解反应是分段进行的,第一阶段主要是物质的干燥脱水处理,第二阶段主要是在250℃-460℃的热解,主要是开始分解半纤维素、纤维素以及木质素,第三阶段主要是在460℃-520℃对剩余木质素的热解以及残余物质的缓慢分解、碳化和灰分。同时,热解在250～380℃阶段时,样品的失重速率最大。10%和20%两种浓度的稻草发酵物料在加热到250℃以后,发酵前与发酵后的TG曲线有明显差异,说明了稻草作为基质在发酵的过程中主要消耗的是稻草中的半纤维素、纤维素和木质素。 (3)模拟太阳能辅助加热干发酵产沼气装置的研究表明,将太阳能热水循环系统与沼气发酵系统有机结合,可实现秸秆沼气发酵的恒温、连续和高效进行。 (4)以湖南省为例的稻草干发酵产沼气的生命周期评价表明,采用沼气干发酵的方式可以带来很好的能源、经济和社会效益,具体包括： ①能源方面,湖南省在水稻种植到收割阶段能量总输入为：标准煤约208.87万吨、水资源71.2万立方米,平均每公顷投入1.46万吨标准煤和用水500m3；采用干发酵处理方式比一般使用情况下可以多产生118.8万吨标准煤的能量,平均每公顷多0.83万吨标准煤；全省的稻草应用于沼气工程可产生203.51万吨沼肥和生物农药,则可节约能源263.34万吨标准煤,平均每公顷节约1.85万吨标准煤。 ②生态环境方面,沼气发酵过程中不会对生态环境造成破坏影响,湖南省秸秆发酵的主要产物沼气换算成标准煤,其数值比一般处理方式多118.8万吨,即可认为少使用118.8万吨标准煤；同时,发酵反应后的产物可以转化成340万吨沼肥和203.51万吨沼肥农药以及多出近20万吨的饲料,按照能量阶段农药方面可以节约263.34万吨标准煤,按照每吨标准煤产生2.66～2.72吨二氧化碳来计算,总共至少降低约1000～1200万吨二氧化碳的排放,平均每公顷减少二氧化碳7～8.4万吨；同时,沼肥和沼肥农药是可以替代种植阶段中所使用的化肥和农药,其意义不只是单纯的购置成本的降低,最主要的是使用沼肥和沼肥农药不会对环境产生破坏的同时还能改善之前被破坏的土壤等。 ③经济方面,湖南省采用沼气干发酵处理方式可以产生1062.2亿元的收益,是秸秆一般处理方式价值的5.6倍,采用干发酵产沼气的一系列附加值都没有算入进来,所以一般处理方式与干发酵产沼气的处理方式的差距将更加大。通过采用秸秆发酵产沼气能有效降低环境污染从而降低环境治理成本,由此也能进一步降低因为环境污染所造成的医疗成本。 【关键词】：生命周期评价 稻草秸秆 沼气发酵 沼气
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 沼气工程的国内外研究现状11-16
• 1.1.1 国外研究现状11-14
• 1.1.2 国内研究现状14-16
• 1.2 沼气发酵的原理和工艺条件16-20
• 1.2.1 基本原理16-18
• 1.2.2 工艺条件18-20
• 1.3 作物秸秆制备沼气的意义20-21
• 1.4 生命周期评价法21-25
• 1.4.1 生命周期评价的概念21
• 1.4.2 生命周期评价的步骤21-24
• 1.4.3 生命周期评价法的研究现状24-25
• 1.5 课题研究意义、内容及方案25-27
• 1.5.1 课题研究的意义25-26
• 1.5.2 本课题研究内容26
• 1.5.3 本课题总体研究方案26-27
• 第2章 稻草干发酵产沼气的研究27-47
• 2.1 稻草干发酵产沼气的试验研究27-38
• 2.1.1 材料与方法28-31
• 2.1.2 结果与分析31-37
• 2.1.3 结论37-38
• 2.2 稻草千发酵产沼气相关物料的热解特性研究38-47
• 2.2.1 材料与方法38-39
• 2.2.2 结果与分析39-44
• 2.2.3 结论44-47
• 第3章 模拟太阳能辅助加热干发酵产沼气装置的研发47-55
• 3.1 太阳能的利用现状47
• 3.2 本装置研究的目标、思路、内容和意义47-49
• 3.2.1 研究目标47-48
• 3.2.2 研究思路48
• 3.2.3 研究内容48
• 3.2.4 研究意义48-49
• 3.3 装置的工作原理49
• 3.4 装置结构的设计和选择49-52
• 3.4.1 厌氧发酵罐装置的设计49-51
• 3.4.2 太阳能加热系统的设计51-52
• 3.5 模拟太阳能辅助加热干发酵产沼气装置的应用52-54
• 3.5.1 材料与方法52-53
• 3.5.2 结果与分析53-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第4章 稻草干发酵产沼气的生命周期评价55-73
• 4.1 目标与范围的确定55-56
• 4.1.1 稻草結轩全生命周期评价模型确立55
• 4.1.2 全生命周期评价系统范围确定55
• 4.1.3 数据来源55-56
• 4.2 清单汇总与影响分析56-70
• 4.2.1 阶段划分56-59
• 4.2.2 能量清单分析59-60
• 4.2.3 环境排放清单与影响分析60-69
• 4.2.4 经济清单分析69-70
• 4.3 结果解释70-71
• 4.4 本章总结71-73
• 第5章 结论与展望73-77
• 5.1 结论73-74
• 5.2 研究展望74-77
• 致谢77-79
• 参考文献79-85
• 附录85-87

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