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[硕士论文] 张继宇
环境工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:目前全球的能源消费结构依然是以化石能源为主,寻找代替的能源刻不容缓。生物质能作为资源最为丰富的可再生能源之一,近年来已经被世界各国学者所重视。然而,仅凭借常见的有机废弃物不足以满足生物质能源发展的原料需求。因此,能源作物进入了大家的视线。我国有大量的边际性土地不能开垦为耕地,但可以种植能源作物,去填补生物质能源的原料空缺。本课题探究了一种典型的能源作物——柳枝稷的厌氧消化性能,并系统地比较了各种预处理的处理效果,探究了最佳的厌氧消化操作条件,利用热解对实验产生的沼渣进行了处理并对能量回收进行了评估。
  首先,比较了NaOH、KOH、Ca(OH)2、H2O2、HCl、H2SO4和蒸汽爆破7种预处理方法在厌氧消化性能提升上对柳枝稷的影响。结果表明本文选取的所有预处理方法在室温(20℃)下均能对柳枝稷的厌氧消化性能进行改善,效果最好的是4%NaOH溶液,累积甲烷产量达到了197.2mL gvs-1,相比未预处理的柳枝稷提升了325.61%。此外3%KOH溶液也有很好的处理效果并且对环境更为友好。Ca(OH)2和蒸汽爆破预处理虽然产气效果提升一般,但能够明显缩短厌氧消化迟滞期时间。
  其次,根据上文实验结果,采用响应面法,系统地研究了3%KOH溶液室温预处理的柳枝稷在不同进料有机负荷、接种比和初始pH值下的厌氧消化产气性能。进料有机负荷从3提升到27.3gVS/L会使甲烷产量提升,随后稍稍下降。在所选区间内,接种比与甲烷产量之间呈现负相关趋势,接种比0.5为最优条件。对于pH值,从5提升到到9,甲烷产量先上升后下降。响应面法模型给出最优化条件为进料有机负荷27.30gVS/L,接种比0.5,初始pH值6.96,在此条件下可以得到299.5mL gvs-1的累计甲烷产量。
  最后,结合上文结论,本课题在总负荷为24gVS/L,接种比为1,初始pH值为6.96的反应条件下,对柳枝稷进行20、37、55和120℃的3%KOH溶液预处理研究。厌氧消化结果显示120℃处理30min的柳枝稷厌氧消化过程中甲烷产量显著(P<0.01)好于其他各组,达到了288.4mLgvs-1,20、37和55℃的预处理柳枝稷之间没有显著性差异。此外,对20℃预处理组别的沼渣进行了回收热解实验,获得了422mL gvs-1的热解气,即4.43MJ kgvs-1的能量,结合厌氧消化产甲烷235.5mL gvs-1,获得8.45MJ kgvs-1能量。因此,厌氧消化与热解两个过程能够回收柳枝稷中85.3%的能量。
  未来的生物质能源工业化应用中,在边际性土地种植柳枝稷,并通过预处理和厌氧消化过程加以利用可能会成为切实有效的方法。
摘要:在55℃下利用氢氧化钙和氢氧化钾对玉米秸秆进行预处理,考察氢氧化钾和氢氧化钙两种热碱预处理对玉米秸秆中温厌氧消化的影响.结果表明,相同浓度的碱用量下,KOH预处理后厌氧消化产气效果明显优于Ca(OH)2预处理.0.5% KOH和2.0%Ca(OH)2耦合的预处理效果与1.5% KOH以及1.5% Ca(OH)2单独预处理效果相当,累积单位挥发性固体(VS)甲烷产量为247.3mL/g,相比于未预处理组甲烷产量提高了58.7%,说明可以用2.0%Ca(OH)2代替1.0% KOH.从成本节约的角度,1.5%Ca(OH)2为最佳的热碱预处理条件,累积单位VS甲烷产量为242.2 mL/g,比未预处理效果提高了55.4%.
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