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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。
[硕士论文] 施信信
车辆工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:在满足大马力拖拉机使用性能的的前提下,为降低成本和控制系统复杂程度,其变速器采用组合式半动力换挡传动方案,其中动力换挡副变速器由3个湿式双离合器包组成。若考虑自动变速,动力换挡变速器控制系统需要解决换挡策略和动力换挡控制策略这两个关键问题。
  对于负载作业的大马力拖拉机,传统的两参数换挡策略往往会遇到循环换挡问题。循环换挡会大大降低离合器的寿命,增加变速器故障率,同时造成车速不稳定,影响作业质量。基于发动机变速前后工作点变化特性,分析了拖拉机在负载状态下循环换挡的产生原因,并制定一种规避循环换挡的控制策略,该策略可以有效避免循环换挡,同时保证拖拉机能够适应工作阻力变化持续作业,并且提高了燃油经济性。
  针对动力换挡控制问题,本文基于集成惯量二自由度模型,以变速器输出轴恒定为控制目标,制定了一种恒扭矩动力换挡控制策略。该策略在换挡过程中只有一个离合器处于滑摩态,有利于减少滑摩损失,但该策略在换挡过程中需发动机补充动力交接过程中滑摩损耗的功率,从而实现变速器输出功率和输出扭矩不变。基于恒扭矩动力换挡控制策略,考虑柴油机的调速特性,实际动力换挡控制策略可依靠发动机自身的调速特性在动力交接过程中自适应增加输出扭矩。与主流动力换挡方案相比,本文制定的实际动力换挡控制策略在保证变速器输出扭矩基本一致的前提下,大大减少了滑摩损失。此外,本文探讨了接合离合器作动压力上限和离合器动力交接时间对动力换挡输出扭矩和滑摩功的影响。结果表明:大的压力上限有利于减少换挡时间,但在换挡完成时刻会产生大的输出扭矩突变,由此产生大的冲击度,而动力交接时间对变速器输出扭矩会产生很大影响,交接时间过短,变速器输出扭矩会出现较大波谷。
  最后,本文探讨了变速器液压控制系统的组成,然后建立了离合器压力控制系统的数字化仿真模型并进行了开环和闭环仿真,仿真结果表明,开环控制和闭环控制都能实现对离合器作动压力控制,但闭环控制更加稳定,在供油压力变化时仍能够精确的控制压力,而在闭环控制中,积分控制效果比较好,其超调小,稳定时间短。
[硕士论文] 周志强
车辆工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:拖拉机作业时,地面状况复杂,传动系统承受载荷较大。此外,为保证农时,农业作业具有在特定时期内完成大量工作的特点。因此,提高变速器的寿命和工作可靠性,延长变速器无故障工作时间对农业生产有着重要意义。本文以某组合式动力换挡变速器的机械变速模块为研究对象,应用Romax软件建立其模型,并对各零部件进行仿真分析,研究了不同因素对变速器寿命的影响,对零部件设计参数及通用件和标准件选用合理性进行评价,并提出了相应的优化方案。具体研究内容如下:
  (1)基于拖拉机传动系统,对动力换挡变速器的结构和各挡位传动比组成进行分析,并通过Romax软件建立机械变速模块的摸型。
  (2)结合拖拉机在牵引或动力输出作业方式下机械变速模块的功率输入及输出特点,确定了用于仿真分析的载荷谱。
  (3)通过软件仿真与理论计算结果的对比,验证了所建立模型的正确性;基于齿轮、轴承和轴的寿命分析结果,对相关零部件的设计和标准件的选用合理性进行评价。
  (4)研究并分析了部分因素如材料、润滑等对变速器的齿轮、轴承和轴的疲劳寿命的影响,基于具体的分析结果,给出了变速器加工或产品化使用的建议。
  (5)对传动系统进行动力学分析,得到了各挡位齿轮在不同工况下的传动误差以及部分零部件的动态响应,综合静态分析结果,对变速器相关零部件进行优化研究。
[硕士论文] 潘鑫
车辆工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:机械液压双流传动(Hydro-Mechanical Transmission,简称HMT)系统是由分动器将输入功率分为液压与机械方式传动后再实现汇流输出的混合传动系统。HMT系统兼具机械和液压传动优点,并且以液压泵作分动器的内分流HMT系统可以切断动力和功率流传递路径,实现离合器的功能。本文采用两套功率内分流HMT系统并联组成复合式功率内分流机械液压双流传动系统(Combined Hydro-Mechanical Transmission,简称CHMT),目的是利用单套HMT的离合器功能组合形成具有双离合器(Dual Clutch Transmission,简称DCT)性质的机械液压混动系统。该复合系统把使离合器严重磨损的传统双离合器换挡过程转化为对液压元器件损伤较小的压力、流量、排量调节过程。本文以CHMT系统代替某拖拉机变速箱动力换挡部分,对CHMT系统传动特性以及系统换挡过程进行研究,主要工作如下:
  (1)根据容积式泵作分动器的分流原理,设计内分流HMT系统结构,并且详细分析系统中各元件、零部件功能以及其实现过程,通过计算系统中分动器、液压马达的输入、输出与分动器排量、液压马达排量的关系,得到系统的输入与输出的转速、转矩传递关系以及功率传递效率,分析HMT系统工作过程。
  (2)以HMT为基础,设计CHMT结构,分别计算各挡HMT系统的转速比、转矩比、传动效率以及液压功率占比,根据替换的某动力换挡变速箱参数以及发动机参数确定CHMT系统中分动器、马达的压力、排量以及各对齿轮传动比
  (3)提出换挡策略,计算分析该换挡策略在换挡过程中系统输出参数的变化,并且分析使换挡过程系统输出无变化对发动机输出的调节。
  (4)基于simulink平台,建立换挡过程整车数学模型,验证所提出的换挡策略在换挡过程中系统输出的变化。
  (5)设计内分流式CHMT系统实验装置,绘制实验装置装配图,设计实验台架总体布置,简单设计实验内容。
[硕士论文] 夏扩远
车辆工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:变速箱是车辆重要的组成部分,对于重型商用车、大型客车以及农业拖拉机等大功率车辆,一般采用以动力换挡系统为基础的组合式变速箱。采用动力换挡变速箱的优点是操纵轻便、简单、换挡快,能够提高车辆的综合使用性能。本课题的主要内容是基于大马力拖拉机配套用定轴4AT+6MT组合式变速箱,对其换挡过程中换挡品质进行分析研究。具体内容如下:
  (1)对本项目目标车型进行整体介绍,针对目标车型,形成定轴组合式传动系统的总体传动方案;
  (2)基于负载换挡变速器前、中、后箱体内部结构,分析了4D+4R动力换挡模块传递路线;
  (3)对目标车型进行受力分析,建立大马力拖拉机整车动力学模型,把拖拉机换挡过程两对离合器状态分为三种,分别对其进行建模,并提出了两对离合器三个状态相互转移的条件;
  (4)依据拖拉机整车动力学模型,基于Matlab/Simulink进行典型作业机组的建模与仿真分析;
  (5)提出了拖拉机换挡过程中的换挡品质和评价指标,分析了换挡品质的影响因素,提出对发动机进行反馈协调控制的方式以减小换挡过程中的速度损失,最后给出了换挡时间和换挡冲击的关系,在满足一定的换挡时间,以降低拖拉机冲击度为目标,提出了换挡控制策略;
  (6)设计实验台架,给出台架实验内容与步骤。
[博士论文] 汪楚乔
环境科学与工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:本论文针对农作物秸秆在厌氧消化过程中存在难生物降解和产甲烷易受温度影响等问题,在厌氧消化之前对秸秆进行微需氧生物预处理以提高其水解酸化性能,同时利用秸秆与其他废弃物之间的营养互补和协同作用,构建了以难降解秸秆为主要底物的混合底物两相厌氧消化产沼系统。并以此为基础构建了太阳能光热-相变蓄热与混合底物两相厌氧消化耦合的中试系统,实现了厌氧消化产沼系统在冬季的中温发酵。本文主要研究工作和研究结果包括以下内容。
  针对传统物理-化学预处理方法和生物预处理方法带来的副产物问题和菌种成本等问题,开展了以两相厌氧消化中水解酸化液作为接种物的微需氧生物预处理研究。发现氧气负荷的升高能提高微需氧预处理过程对油菜木质纤维素的降解率,但过量的氧会降低预处理后秸秆的水解产酸性能。在氧气负荷为20mL/gVS秸秆/d,接种液中有机酸浓度为4g/L,预处理时间为10d的条件下预处理的油菜秸秆,经过水解产酸发酵,VFAs和sCOD比未处理油菜秸秆分别提高了88.43%和75.50%。通过对预处理过程中秸秆形貌结构、化学基团和晶体结构变化的研究,发现微生物破坏了秸秆中原本规整的结构、降低了秸秆中纤维素结晶度、减少了木质素相关的化学基团。此外,微需氧预处理前后的微生物群落,尤其是与木质素降解密切相关的微生物菌群发生明显变化,在预处理之后细菌菌群中放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度提高了84.5倍,真菌菌群中黑曲霉(Aspergillus niger)和橘青霉(Penicillium citrinum)的相对丰度分别提高了4.4倍和1.2倍。
  农村地区除农作物秸秆外还存在的厨余垃圾及禽畜粪便等生物质,可以将它们与秸秆进行混合,利用底物之间的协同作用展开混合底物两相厌氧消化研究。研究结果表明(1)通过对水解酸化过程的研究,发现油菜秸秆与其他两种底物混合后能增加水解酸化阶段产生VFAs的浓度,VFAs中乙酸的含量随着鸭粪比例的增加或厨余垃圾的降低而升高,而丙酸的含量显示出相反的规律。(2)通过对产甲烷过程的研究,发现混合底物两相厌氧消化具有明显的协同促进效应,比单独秸秆的总产甲烷量提高了29.3-183.1%。不同混合底物在两相厌氧消化中产甲烷量的增加,一方面与底物中易生物降解物质的增加和C/N比的降低有关,另一方面源于多种混合底物之间的协同作用。实验还发现易水解的厨余垃圾和高含氮的鸭粪与秸秆混合后进行两相厌氧消化,可以提高秸秆的生物降解率。综合水解酸化特性、产甲烷特性和秸秆的生物降解特性,确定油菜秸秆、厨余垃圾和鸭粪的最适宜混合比例为50∶25∶25。(3)通过对两相厌氧消化中温度对水解酸化特性和产甲烷特性的影响研究,发现在20℃~35℃温度范围内,水解产酸发酵的产VFAs能力会随发酵温度的升高而提高,在35℃时最高产酸量达到9270.1mg/L。同时,实验还发现产甲烷过程对温度较敏感,从35℃降低2℃~5℃均会降低其产甲烷能力,在35℃条件下累计产气量比33℃和30℃时分别增加了31.07%和169.88%,但从产气速率角度考虑,产甲烷反应器可以接受短期内从35℃降低不超过2℃的情况。
  在混合底物两相厌氧消化的基础上构建了太阳能辅热的中温两相厌氧产沼中试系统,利用太阳能集热-相变蓄热(PCTS)系统收集和储存太阳能为两相厌氧消化系统供热,减小太阳辐射波动和低温气候造成的发酵温度波动。实验研究了不同供热方式对两相厌氧反应器在冬季产甲烷效能的影响,发现采用太阳能集热-PCTS系统收集和储存太阳能为两相厌氧消化装置供热,可以减小发酵温度的波动并将其保持在中温范围,两相厌氧消化总产气量达到20.48m3,其底物能量转化率比传统太阳能供热和不供热的两相厌氧消化装置分别增加了1.01倍和5.65倍;采用修正Gompertz模型可以很好地拟合太阳能-PCTS系统供热的两相厌氧消化系统甲烷产率变化情况,预测值与实验值误差为1.49%。
  通过对冬季典型工况条件下各子系统的热力性能和热利用效率的研究,发现太阳能辅热的两相厌氧产沼系统在冬季的热利用效率为42.0%,研究表明,可以通过进一步提高换热盘管传热系数,优化管道和反应器的外部保温层等方式提高系统的热利用效率。采用计算流体动力学(CFD)软件对产甲烷反应器内部温度场分布情况进行数值模拟,模拟结果显示供热温度的升高会提高反应器内部升温速率,但同时也会加剧反应器内部的温度分层,综合考虑温度场分布、换热效率和相变蓄热材料的成本,选取55℃作为太阳能辅热装置的供热温度。增加水力搅拌可以提升反应器内温度场分布的均匀程度,当搅拌速度增大到0.27m/s后,反应器内部最大温度差从2.3℃减小到0.2℃。
[硕士论文] 太健健
机械工程 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:拖拉机作业工况复杂,既要以极低的速度从事重负荷犁耕作业,又要以较高的速度从事轻负荷运输作业,所需挡位数量远多于道路车辆(国产大功率拖拉机的前进挡数量最多已超过40个),挡位的增多不仅使得变速箱结构复杂,而且换挡时机不易把握。液压机械无级变速箱(Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission,简称HMCVT)是融合机械有级变速和液压无级变速的复合传动装置,不仅驱动功率大、传动效率高,而且操作简便,易于实现拖拉机在重负荷作业时的大功率输出与轻负荷作业时的燃油经济性。
  本课题根据大功率拖拉机的作业特点,设计出一种基于单排行星齿轮的2×2段式液压机械无级变速箱,并重点研究其换段品质问题。主要研究工作归纳如下:
  1、液压机械无级变速箱的传动系统设计。本课题根据拖拉机作业需求详细论证并确定了液压机械无级变速箱的传动系统设计方案,并分析了其工作过程,确定了各段的速比区间。根据等速换段条件及各段速度与泵马达排量比之间的关系,确定了变速箱的传动参数,并进一步得出变速箱的结构参数和液压油路参数。
  2、液压机械机械无级变速箱的传动特性分析。(1)分析了变速箱的速度特性,并借助Matlab分别绘出了泵马达排量比与各段传动比之间得关系。通过分析可知:本课题研制的液压机械无级变速箱,通过离合器与变量泵排量的协同控制,可实现其在液压机械段内的速比连续变化以及相邻段间的速比平稳衔接,从而实现大功率拖拉机在大范围内的无级调速;(2)通过液压机械无级变速箱的转矩特性分析,可知变速箱在HM1和HM2段输出转矩与马达转矩比值为常数,在各段内变速箱为恒转矩输出,不随排量比变化而变化;(3)通过对液压机械无级变速箱循环功率的分析,明确了变速箱液压循环功率所在的速比区间,从而为后续控制策略的制定提供了重要的理论参考。
  3、无级变速拖拉机的动力学模型构建和仿真研究。分析了各种因素对液压机械无级变速箱换段品质的影响规律。(1)基于Simulation X平台,构建了无级变速拖拉机的整机动力学模型,包括变速箱模型、发动机模型、拖拉机后桥模型与负载模型等。(2)定义标准仿真工况,并给出了速度降、动载荷系数、最大滑模功率、滑摩功和综合指数等5项换段品质评价指标;(3)对各个因素分别进行仿真和分析,得出各种因素对换段品质的影响规律。
  4、液压机械无级变速箱换段液压系统的异常模式识别研究。(1)对试验得到的离合器充油压力数据进行预处理;(2)使用随机抽取的方式产生训练样本集和测试样本集,在使用训练样本集对BP神经网络进行训练后,输入测试样本集进行分类测试;(3)利用神经网络特征选择方法对BP神经网络进行属性约简,并与多值分类方法的分类结果作了比较和分析。结果显示,BP网络的二值分类方法,对5种典型油路状态模式的平均识别率均在98%以上;经过属性约简,包括正常模式、活塞卡死、密封圈损坏、油道阻塞及密封不严在内的几种典型故障模式,分别可约简3、4、3、3、3个样本属性。结果表明,换段期间油压的波动情况与各故障模式之间存在特异性关联(具有可分性),应用BP网络可有效区分系统当前状态,该技术可应用于换段液压系统的异常模式识别与故障诊断,从而确保变速箱换段品质的可靠性。
  本课题的研究,为提高单排多区段液压机械无级变速箱的换段品质提供了坚实的理论基础,对促进液压机械无级变速箱在我国大功率拖拉机中的产业化应用具有重要的理论指导意义。
[博士论文] 王桂民
管理科学与工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:水稻是我国的主要粮食作物与重要口粮,水稻种植规模保持稳定增长,对农业机械的需求也必然保持增长。水稻产区农业经营方式正逐步由散户经营向规模化经营过渡,经营主体的变化带来购机能力的提升以及产品多元化的要求,同时水稻产区自然、经济、社会条件的巨大差异也对农机化技术装备的适应性提出不同要求。针对这些新时期水稻机械化发展环境的变化,以及我国农机工业整体实力不断攀升,农机技术供给能力不断增强的状况,如何就水稻生产技术的供给与需求展开分析?如何对水稻生产机器的选型进行合理评判?如何对水稻生产机器进行优化配置?等等,这些问题的研究,不仅对于促进农业工程与管理科学的交叉研究具有重要的理论意义,而且对于农业经济主体购机决策、农机生产商的技术创新和产品战略决策等具有重要的实际价值。
  鉴于此,本文综合运用文献分析、实地调研、基于对数平均迪氏分解方法(logarithmic mean weigh division index method,LMDI)、基于非线性规划的耕地流转预测法、基于数据挖掘构建的经营规模预测法、模糊综合评判法以及最优化理论与方法等,定量分析了耕地流转的影响因素并进行流转规模的预测,揭示了农业经营规模分布情况与经营模式,对水稻生产全程装备进行了选型,围绕对规模化经营主体水稻生产需求进行了机器优化配置。具体研究工作如下:
  (1)本文利用LMDI因素分解法定量分析了耕地流转的影响因素,构建出可流转耕地面积预测模型以及农户经营规模分布函数,分析了不同经营模式下的规模分布情况。
  (2)通过对江苏省36个县级农机推广机构调研,分析不同水稻生产机械化技术供给与需求情况;通过对110个家庭农场调研,比较分析得出了水稻生产各个作业环节选用的机械化技术。
  (3)结合文献和调研分析,确定了水稻生产机器的综合评判指标体系与权重,构建了评价指标的隶属度函数;针对不同指标的特性,通过座谈、资料查阅和问卷调研等,获取评价指标值,计算出每款机型的隶属度,以隶属度大小定量地综合判定机器的优劣。
  (4)分析水稻规模经营体的收益与成本机制,构建水稻生产机器优化配置的目标函数和约束方程,较为合理地建立了水稻生产机器优化配置模型,然后以苏州某家庭农场为例,利用水稻生产各作业环节的机器选型结果,通过实地调研得到各拟配机器价格、效率、成本等关键参数,由此确定目标函数和约束方程的系数,经求解运算得到了水稻生产各环节机器优化配置结果。
  通过上述研究工作,主要得到以下结论:
  (1)经济因素、农民增收因素、农机化因素对耕地流转有显著的正向作用,其中农机化因素对耕地流转的正面影响最大,经营意愿因素对耕地流转有显著的负向影响。农机化效应对耕地流转的促进作用最为显著,绝大部分地区耕地流转率提高10%以上。
  (2)水稻生产机械技术选用方案如下:机械化旋耕以及深翻-旋耕组合、机械化育插秧技术、化肥机械化撒施技术、地面高效植保技术、渠灌、、联合收获技术、机械化秸秆还田技术、产地烘干技术。
  (3)模糊综合评判法能较好地结合定性分析与定量分析,在对水稻生产机器选型时,能较好地克服理论分析法、大田实验法、专家评判法等方法的局限,以隶属度大小排序得出的水稻生产各作业环节的机器选型更符合实际。
  (4)构建的水稻生产机器优化配置模型引入了固定合同服务收入、竞争性服务收入与投资额约束,更符合当前我国水稻经营现实情况。以苏州地区的某家庭农场为例的水稻生产机器优化配置结果表明,优化后家庭农场的利润将比现有利润提高23.08%。
[硕士论文] 张国良
机械工程 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国经济发展和人民生活水平的提高,花生及其深加工产品的品质及卫生安全等问题越来越受到消费者的重视,除了通过合理的生成管理和农业生产技术的改进来提高花生的品质外,还需要采用科学的产后加工方法来提高花生的品质。而干燥是花生产后加工的重要环节之一,是防止花生霉变与保证品质的必要手段,并且合理的干燥工艺对花生的品质影响很大。太阳能干燥是指太阳干燥装置利用太阳辐射能进行的干燥作业,具有干燥产品品质好、效率高、周期短等优点。太阳能干燥能有效地保护环境和节约能源,对发展农村经济和改变落后的生产加工方式都将起到积极作用。
  本文通过对太阳能干燥发展及其应用的研究,分析了太阳能干燥特点和花生干燥特性,确定了课题研究的内容,设计了基于太阳能综合利用的花生干燥系统。文章介绍了太阳能干燥花生系统的整体设计方案及其部件设计与选型,其中最重要的是太阳能集热系统和干燥系统。根据选用的平板型集热器参数和物理模型在TRNSYS软件中进行集热性能模拟,分析了平板型太阳能集热器的集热性能;根据干燥室的设计尺寸,利用FLUENT软件仿真风量在干燥室内分布情况,增加了挡风板装置,提高了干燥室内的风量均匀性;设计电加热装置,在太阳能不足时利用电加热提供能量,实现全天候干燥花生,提高了干燥效率。
  利用太阳能干燥装置进行干燥花生的试验,分析比较在不同温度和风速下花生的干燥特性,为干燥设备的应用和干燥工艺提供参考基础。利用太阳能干燥装置在风温50℃风速0.5 m/s时,干燥花生的时间为8 h左右,比起自然晾晒的时间明显缩短。
[硕士论文] 张楠
农业资源利用 河北农业大学 2017(学位年度)
摘要:养殖场的粪污大面积堆积造成了大量温室气体与恶臭气体的排放,伴随着NH3与N2O的挥发也导致了氮素养分的严重流失。因此降低粪尿的NH3与N2O排放能够很大程度上降低大气污染同时提高氮素利用率。目前的研究主要关注堆肥过程中氮素流失,而对养殖场的粪污堆积存储过程中的NH3与N2O损失研究较少。由于pH值是影响粪尿氨气排放的重要因素之一,因此本试验选用了几种成本较低的酸性物料作为减排添加剂,来探索比较各个添加剂对牛粪存储过程中NH3与N2O的减排和氮素损失的降低,为养殖场氮素肥料化利用提供技术支持。
  本试验采用室内模拟培养的方式,利用风洞系统探究了牛粪存储状态下的氨气排放特征,利用动态箱系统探究比较了4种化学添加剂(绿矾、硫酸锰、明矾、磷石膏)及有机物料(醋糟、木屑)覆盖对牛粪pH值、氨气和氧化亚氮排放和牛粪总铵氮(TAN)变化的影响。主要结论如下:
  (1)新鲜牛粪堆积存储过程中,裸露的表面由于自然结壳使氨气排放量不断下降,而对其进行翻动后排放通量由7.58mg/m2/h增至29.72mg/m2/h。
  (2)六种添加剂的氨气减排效果依次为:覆盖1cm厚醋糟>覆盖1cm厚木屑>18g/kg硫酸锰>33.37g/kg绿矾>3g/kg硫酸锰>250g/kg磷石膏,其中覆盖1cm厚醋糟减排效果最好能够减少64.48%的氨气排放。
  (3)六种添加剂的氧化亚氮减排效果依次为:33.37g/kg绿矾>覆盖1cm厚木屑>覆盖1cm厚醋糟>11.12g/kg绿矾>18g/kg硫酸锰>2g/kg明矾>3g/kg硫酸锰>15g/kg明矾,其中添加33.37g/kg绿矾后牛粪pH可降至6.97,能够使氧化亚氮的排放减少82.42%。
  (4)模拟培养存储状态下的牛粪72小时后,无添加剂的牛粪总铵氮(TAN)平均损失率为57.07%,添加33.37g/kg绿矾后的TAN损失率最低,仅损失6.37%。
  综上所述,将牛粪pH值调节至中性时,可减少约50%的氨气排放,同时也可以降低氧化亚氮的排放;6种添加剂中,添加绿矾与硫酸锰来改变牛粪pH值能够明显的降低NH3与N2O排放,同时能够大幅增加养殖场粪污氮素存量;表面覆盖木屑或醋糟也具有明显的降低气体挥发,保存铵氮的效果,因此认为可以作为潜在养殖场氨减排材料。
[硕士论文] 杨妮平
生态学 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:农业生态系统是重要的温室气体排放源。秸秆还田是重要的农业措施,能够有效避免秸秆焚烧造成的营养物质的浪费和对环境的污染,同时秸秆还田会向土壤提供丰富的养分元素,刺激土壤微生物的活性,进而影响土壤有机质的矿化。土壤团聚体对有机质有保护作用。不同粒级团聚体的性质不同,对有机质的保护也不尽相同。因此不同粒级团聚体在添加秸秆后有机质的矿化作用可能不同,这会进一步影响土壤C、N循环,从而影响土壤温室气体的产生与排放。秸秆还田及不同粒级团聚体对温室气体排放特征的影响及机制目前尚不清楚。
  为了探究砂壤土不同粒级团聚体添加秸秆对温室气体排放的影响,本研究选取荆州潮土为研究对象,设计不同粒级团聚体添加秸秆的室内培养试验。主要的研究结果如下:
  (1)秸秆添加显著增加了CO2和N2O的排放通量和累积排放量(0.25-1 mm粒级团聚体的N2O气体排放除外),对CH4排放无显著影响。
  (2)未添加秸秆各处理的CO2排放通量无显著差异。添加秸秆后四个粒级团聚体CO2平均排放通量和累积排放量由大到小依次为<0.25 mm、1-2 mm、0.25-1 mm和全土。四个粒级中,<0.25 mm粒级团聚体添加秸秆后CO2累积排放量增加最多,约为未添加秸秆处理的11倍;0.25-1 mm粒级团聚体添加秸秆后CO2累积排放量增加最少,约为未添加秸秆处理的7倍。
  未添加秸秆处理中,N2O平均排放通量由大到小依次为0.25-1 mm、1-2 mm、全土、<0.25 mm粒级,N2O累积排放量由大到小依次为1-2 mm、0.25-1 mm、全土、<0.25 mm粒级。添加秸秆后,四个粒级N2O平均排放通量和累积排放量由大到小依次为1-2 mm、全土、<0.25 mm、0.25-1 mm粒级。其中,0.25-1 mm粒级团聚体在添加秸秆后N2O排放通量和累积排放量都有明显减小,其他三个粒级的N2O排放在添加秸秆后都有增加。不同粒级团聚体对CH4排放无显著影响。
  (3)氧化酶活性、水解酶活性、可溶性有机碳(DOC)、矿质氮等性质在不同粒级团聚体之间存在差异,添加秸秆后的变化各不相同,对温室气体排放的影响也不同。在所有的土壤性质中,纤维二糖水解酶(CB)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、β-N-乙酰葡萄氨糖苷酶(NAG)、酚氧化物酶(pox)、DOC和NO3--N是对CH4、 CO2和N2O这3种温室气体排放影响最大的土壤性质集合,能够解释80.3%的温室气体排放,DOC和NO3--N可以解释32.3%的温室气体排放,CB、LAP、NAG和pox能够解释53.8%的温室气体排放。其中,LAP和DOC对CH4、CO2和N2O这3种温室气体的排放都有正的贡献。
[硕士论文] 王文超
农业生物环境与能源工程 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:生物天然气是指将沼气中以CO2为主的杂质气体脱除后,使CH4含量提升至天然气标准的一种高品位可再生能源,其规模化利用可在一定程度上缓解我国天然气的供需矛盾问题。同时,生物天然气可在能源利用过程中实现CO2的近零排放。沼气提纯制备生物天然气的关键在于沼气中CO2的低成本分离。在众多沼气CO2分离技术中,CO2化学吸收法具有高CO2分离效率、低CH4损失、高CH4纯度和操作简便等优势,是近期可以大规模推广应用的技术之一。沼气CO2化学吸收法技术瓶颈在于CO2分离成本高,尤其是富CO2吸收剂溶液的热再生能耗,其可占全部能耗的60%以上。因此,降低沼气CO2分离技术成本的关键在于降低富CO2吸收剂溶液的再生能耗。
  若能摒弃富液热再生部分,只保留CO2吸收部分,将可能会降低化学吸收法成本,但CO2吸收非循环工艺对CO2化学吸收剂的消耗量巨大。因此,选择合适的吸收剂成为其能否成功应用的关键。作为沼气工程副产物,沼液呈弱碱性,并富含刺激植物生长的有益成分,理论上可作为一种融合CO2吸收和生物储存的可再生吸收剂,基本满足CO2吸收非循环工艺要求,其首要问题是对沼液CO2吸收性能进行强化。外源CO2吸收剂的添加有助于提升沼液的CO2吸收性能,但也会影响沼液的植物生理毒性。基于此,本文研究了6种典型外源CO2吸收剂对沼液CO2吸收性能及生态毒性的影响,探究了沼液浓缩倍数和外源吸收剂添加量对沼液CO2吸收性能的提升效果,并从植物生理毒性及总磷含量角度分析其对富CO2沼液农业应用的影响,最终以沼液水培生菜的方式来探究在实际农业应用中的可行性。研究结果表明:
  (1)与原沼液相比,浓缩5倍后沼液的CO2吸收量提高了71.4%,但因沼液黏度的增加导致沼液CO2吸收速率的下降。浓缩过程对沼液中以氨氮为主的有害物质脱除明显,5倍浓缩沼液的氨氮脱除率可达87.69%。浓缩过程及引入外源吸收剂均能脱除沼液中的磷元素,可大幅降低沼液施用时对环境带来的危害。
  (2)与直接向原沼液中引入低浓度吸收剂相比,向浓缩沼液中添加高浓度吸收剂可大幅提高单位体积沼液的CO2携带量。乙醇胺(Monoethanolamine,MEA)强化的5倍沼液,35℃吸收饱和时CO2负荷可达0.40 mol/L,是5倍浓缩沼液的14.8倍,且能在10min内达到CO2吸收饱和。精氨酸钾(Potassium L-Argininate,PA)强化的5倍沼液具有最高的CO2负荷,吸收饱和时可达0.68mol/L。
  (3)尽管PA在高吸收负荷上具有一定优势,但富CO2沼液的植物生理毒性较高。浸种应用时,稀释后的沼液中PA浓度不能超过0.035mol/L,而此时其对于沼液CO2携带量的提升并没有实际优势。MEA强化沼液稀释后浸种时,添加浓度控制在0.1 mol/L时不影响种子发芽。同时,MEA在沼液中的生物降解性较其它吸收剂也具有明显优势,在原沼液中5d的生物降解率可达55%。因此,MEA在吸收负荷、吸收速率及低植物生理毒性方面具有综合优势。
  (4)沼液中氨氮含量是影响其植物生理毒性的关键因素,脱氨处理和5倍浓缩分别可使沼液氨氮脱除率达92.2%和88%。富碳脱氨沼液只需要稀释5倍即可实现生菜水培的良好长势。稀释5-30倍的脱氨沼液水培生菜长势均优于营养液水培,其中5倍稀释水培的生菜相对生长量最高,可达到150%。富碳5倍浓缩沼液只需稀释20倍以上即可作为生菜水培液(相当于将原沼液稀释4倍以上)。沼液水培改善了生菜在硝酸盐含量方面的品质,5倍稀释脱氨沼液的水培生菜中NO3-N含量仅为13mg/kg,仅为营养液水培生菜的4.6%。
  (5)当营养液MEA添加浓度低于0.001 mol/L时,生菜具有良好长势,而MEA浓度高于0.002mol/L时,生菜根系完全腐烂。MEA添加浓度在0.001mol/L内,生菜的相对生长量均高于100%,当MEA添加浓度在0.0005mol/L时,生菜的相对生长量达到峰值。
  综上,沼液通过“浓缩-引入吸收剂-稀释施用”的过程,可提高外源吸收剂的添加量,同时降低沼液自身的植物生理毒性。沼液中引入合适浓度的MEA不仅可大幅提高其CO2吸收性能,而且不会增加沼液的生态毒性,甚至对植物生长用具有积极作用。
[硕士论文] 张鹏
农业机械化工程 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:油菜广泛种植于我国长江流域,为植物油及饲用蛋白质等的生产提供主要原料,是具有较高经济价值及发展潜力的油料作物。新收油菜籽具有含水率高,吸湿性强且不易散热等特点,收获时节潮湿的环境气候极易导致油菜籽霉变、酸败等现象,造成了严重损失。目前我国油菜籽干燥作业机械化水平较低,大部分农户仍采用传统摊晒方式,不仅费时费工,而且干燥时杂质(灰尘、土壤、沙石、昆虫等)的混入,直接影响油菜籽的品质。针对以上问题,应选择更加合理的机械干燥方式。机械干燥具有处理能力强,空间利用率高,干燥效率及品质高等优点,并可有效降低落地损失。根据我国农村生产实际需要,结合目前全球化石能源匮乏现状,使用太阳能作为干燥过程中的热源,是一种比较好的干燥方式。设备所供给的太阳能热风具有清洁卫生,节能环保,成本低廉等优势。
  为进一步满足油菜籽干燥过程中低能耗高效率的要求,设计研制了一种小型太阳能热风油菜籽循环干燥设备。以此设备作为研究对象进行油菜籽干燥试验,结合试验结果对干燥设备关键部件太阳能集热器内部流场分布进行数值模拟,主要研究内容和结论如下:
  以油菜籽为干燥对象进行试验,研究干燥室进口热风风速(2rn/s-5m/s)、筛网叶轮转速(30r/min-60r/min)、物料循环速率(500kg/h-800kg/h)等因素对含水率变化的影响,分析得出干燥室进口风速及物料循环速率对结果均存在一定影响,而不同筛网叶轮转速下干燥曲线无明显变化。当风速达到4-5m/s,物料循环速率为700-800kg/h,筛网叶轮叶片转速保持在50r/min左右时,油菜籽含水率下降速度较快,可获得较为理想的结果。
  根据单因素试验结果,为探究设备最优工艺参数组合,选取进口风速、物料循环速率、集热方式三个试验因素进行正交试验研究,以干燥速率作为评价指标,可得对该指标影响的主次顺序依次为:集热方式、进口风速、物料循环速率。设备运行最优参数组合为:选取波纹型太阳能集热器,干燥室进口风速为5m/s,筛网叶轮转速为50r/min,物料循环速率为800kg/h,对此条件下干燥曲线进行拟合获得干燥特性方程数学模型。
  运用CFD技术对干燥设备关键部件Ⅴ型肋片集热器及波纹板太阳能集热器内部温度分布及流线分布进行数值模拟分析,结果显示两种集热器内部均存在空气温度分布不均匀的现象。其中Ⅴ型肋片集热器左半部分区域以及肋片周围温度较高,出现通风死区。波纹型集热器左上角出现红色高温区域,该处空气流速较低,产生的热损失较大。当外界空气自进风口进入集热器内部时,瞬间流速产生了大幅降低,这对对流换热过程产生了较大影响,为解决以上问题对太阳能空气集热器进行相关结构改进。
  为尽快达到干燥所需热风温度,改善太阳能集热器内部空气流场均匀性,增强对流换热,从通风口径尺寸参数及吸热板肋片结构两个角度出发对集热器进行优化,通过对比得出将通风口径增至原有的1.5倍后,空气流量有所增加,流过吸热板时发生的对流换热更充分。但在肋片作用下空气流动方向受到一定制约,低速区域仍存在部分漩涡流动。
  为进一步解决太阳能集热器内部换热不均的问题,对吸热板表面肋片形状及排布方式进行优化,设计了一种Ⅰ型肋片集热器,将集热器内部气体流域分割成5条蛇形迂回流道,进而增加换热面积及路径长度。数值模拟分析结果显示,其温度分布沿气体流动方向递增,呈现正向温度梯度,出口空气温度相比改进前明显升高。且内部空气流速明显高于其他两种类型集热器,平均流速超过2.5m/s。该结构优化对改善集热效率,提高热风温度,进而加快油菜籽干燥进程具有十分重要的意义。
[硕士论文] 郝欢欢
农业机械化工程 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:本文针对约翰迪尔1204型拖拉机的整机振动特性进行研究。分别对拖拉机座椅做了傅里叶变换分析和小波分析,对拖拉机车体做了小波分析,对拖拉机车桥做了小波分析和混沌识别分析。将拖拉机作为一个整体,在各个部位分析的基础上,综合分析了整机的振动特性。为拖拉机整机振动研究和减振研究提供了理论支持。本文主要研究内容和结论如下:
  (1)对拖拉机座椅振动的研究。利用快速傅里叶变换分析了座椅振动。得出影响拖拉机座椅振动的因素有地形条件、行驶速度以及车况。拖拉机座椅处振幅随着速度增大的变化规律为:1,先增大后减小,然后继续随着速度的增大而增大。2,拖拉机车速在共振频率下的速度范围内时,空车车况下振动强度比负重车况下振动强度小。在车速大于共振频率下的速度后,负重车况下振动增加的速度比空车车况下振动增加的速度慢。为达到拖拉机减振的目的,既可以采用减速的办法,使拖拉机速度尽量接近1.40m/s,也可以给拖拉机适当增加配重。座椅振动是一个低频振动,固有频率范围为2.48Hz-3.144Hz,此时激振频率1.25Hz-1.65Hz,二者接近,故拖拉机低速行驶时会产生共振现象。设计拖拉机座椅时,应该避开拖拉机驾驶员敏感频率范围,这样才能提高舒适性。试验结果为座椅设计提供了理论支持。
  (2)对拖拉机整机振动信号的研究。利用小波变换的方法检测了拖拉机车桥、车体、座椅等处的激励信号。得出当拖拉机负重时,路面激励信号从车桥传递到座椅处的过程中,信号强度共衰减了大约212倍。空车时,路面激励信号从车桥传递到座椅处的过程中,信号强度共衰减了大约12倍。为拖拉机适当增加配重可以提高悬架减振器的性能,使悬架减振器更高效的阻断由地面激励信号引起的振动。
  (3)拖拉机单侧经过路障时,对拖拉机整机因剧烈振动而发生侧翻的研究。当拖拉机行驶途中只有一侧经过路障时,应该尽量低速行驶,降低路面障碍物引起的拖拉机振动。拖拉机在一侧遇到障碍物时,拖拉机负重情况下后桥处振动加速度大约为46g,空车情况下后桥处振动加速度44g,表明依靠增加配重拖拉机振动强度变化不明显,增加配重不能达到减振目的。此时,拖拉机速度不能超过v=5.14 m/s,否则,拖拉机就有可能发生侧翻。
  (4)对拖拉机振动信号奇异性的研究。利用小波分解的方法分析了2个频率小波分辨率下的拖拉机振动细节信号。在2级小波分解细节信号中都检测到了振动信号的奇异性。得出车桥处2级小波分解细节信号的奇异性主要是车桥内部传动系统造成的。车桥处2级小波分解细节信号的奇异性可以用于传动系统故障检测。为了降低传动系统引起的拖拉机振动,一方面需要定期保养维护传动系统,另一方面需要加强对传动系统稳定性的研究,包括车桥差速器、变速箱、传动轴等性能的研究。
  (5)对拖拉机振动的非线性研究。利用混沌分析的方法得出拖拉机振动信号相空间重构后的关联维数D在1.9534-2.0800之间,不是整数,证明后桥振动信号具有混沌特性;Lyapunov指数在1.4395-1.5128之间,均大于零,则拖拉机后桥振动处于混沌状态。拖拉机的后桥振动处于混沌状态,那么拖拉机整机振动信号处于混沌状态。本章研究结果可以应用于拖拉机安全警报,当拖拉机经过崎岖道路时,混沌分析方法结合计算机硬件系统可以提前预测到拖拉机发生跳跃,警告拖拉机驾驶员安全驾驶,避免发生拖拉机整机脱离地面的险情。
[硕士论文] 王金秋
农业工程;农业生物环境与能源工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)是当今研究最为热门的生防菌,含有较为多样的生理习性,容易被分离培养,因能够产生多样抗性的内生芽孢,所以被认为是作为生防菌较好的一种选择。沼液是沼气在发酵后剩余的液体,不仅富含大量可快速被吸收的营养成分,而且还含有其它供微生物生长的物质,如氨基酸、多种微量元素、维生素和其他活性物质。随着我国农村沼气工程的规模不断扩大,沼液资源化安全处理与利用备受重视。利用的枯草芽孢杆菌D1是一株具有拮抗性的细菌,前期试验发现在牛粪沼液中可以生长,进一步优化该菌株利用沼液的能力,为沼液再利用提供了新的代谢途径。该菌株对水稻的立枯病具有较高的拮抗作用,为了能将其更好的保存下来,通过选取优良的载体和稳定的保护剂,在高效利用沼液的同时将其保存,这也为后期在生物农药上利用提供技术参数。但想要将其应用于菌剂的制备,菌体本身芽孢含量是影响实际应用的关键因素,采用分批培养法优化了枯草芽孢杆菌高效利用沼液的产孢培养基;利用比浊法和稀释平板涂布法来检测枯草芽孢杆菌的菌体数量及芽孢产率;利用火焰原子吸收光谱法分析了沼液中金属离的含量,优化产孢培养基成分后进行菌剂载体和保护剂的初步研究,旨在高附值利用沼液,降低生产成本的同时,枯草芽孢杆菌的芽孢产率得到提升,并得到稳定的保存,为后续的实际应用做出理论依据。得到的主要研究结论如下:
  (1)活化菌株并测定生长曲线。枯草芽孢杆菌D1是革兰氏阳性菌,对立枯病有显著的拮抗作用,在19h时为生长高峰期。
  (2)利用单因素试验确定枯草芽孢杆菌D1的最佳产孢培养基的最佳碳源是麸皮,最佳氮源是大豆粉;优化后得到一组最优解为培养基的成分为含量为2.45%的麸皮,含量为0.9%的大豆粉和含量为49.01%的沼液,芽孢产率为87.82%。
  (3)对沼液的性质进行测定。供试沼液中含N1580 mg/Kg、P379 mg/Kg、K998 mg/Kg,该沼液的pH为7.52,总固体含量即TS%为5;沼液中含有能促进枯草芽孢杆菌D1生长的Ca2+、Mn2+、Mg2+这三种离子,检测了沼液中的这三种离子的含量,分别为:Ca2+14.8 mg/L、Mg2+0.151 mg/L、Mn2+0.08 mg/L。
  (4)对优化产孢培养基后获得的高产菌株剂型的载体及保护剂进行筛选试验,确定枯草芽孢杆菌D1固体剂型的最适载体为硅藻土,同时筛选出最佳保护剂是液体石蜡油,最终有效活菌数量可达到89.9%。
[硕士论文] 宋欣悦
农业工程;农业生物环境与能源工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:2015年全国黑木耳总产量达到613.19万吨,其中黑龙江省303.28万吨,占全国总产量的49.5%,位居首位。黑木耳生产后的废菌棒约有60万吨[1],且随着食用菌行业的快速发展呈递增趋势。这部分资源除少量被利用外,大部分都被随意丢弃在田间地头、河边,或者直接焚烧,这不仅污染了环境,同时也造成了资源的极大浪费。若将其资源化利用对保护环境以及节约能源都有重要意义。沼气发酵是提高农业废弃物资源化利用效率的可行途径,是进行清洁能源转换的有效方式。为了探寻废弃木耳菌棒的厌氧发酵产沼气特性,首先对原料进行不同初始干物质浓度的厌氧发酵试验,优化最佳发酵浓度。由于原料本身木质纤维含量较高且木质素降解的限速步骤主要在水解阶段,因此在最佳发酵浓度的条件下,再对废弃木耳菌棒进行不同时间、不同温度的好氧水解试验。最后通过好氧厌氧两相发酵产气试验,对产气特性进行比较分析,得到的主要结论如下:
  (1)通过对不同初始干物质浓度的废弃木耳菌棒厌氧发酵产气效果的分析,确定了浓度为10%的试验组,其发酵产气效果最好。累计产气量达到9450 mL,累积产甲烷量为4414mL。VS产气率与产甲烷率分别为211 mL/g、98 mL/g。
  (2)通过对不同初始干物质浓度废弃木耳菌棒厌氧发酵末端有机质降解情况的分析,得出了有机质降解率均随浓度的增加先增加后减小的规律,且在浓度为10%时降解率达到最高。其中总糖受初始干物质浓度的影响最小,降解率均在95%以上。但各试验组木质纤维素降解率都较低,10%试验组的降解率最高也仅为37.99%。并且半纤维素的降解率普遍高于纤维素,木质素几乎不被降解。整个厌氧发酵过程中,沼气微生物主要利用的为碳水化合物,其次为脂肪和蛋白质。
  (3)通过对不同温度下好氧水解物料进行分析,得出在44℃并辅以搅拌的条件下,木质素降解速率最快。其中,水解8h时,木质素降解率为19.91%,占总降解率的67.05%,明显优于该时间段其他组别。并且水解8h时,总固体降解率相对较低,降解速率缓慢。在好氧水解试验阶段,搅拌可以有效的促进水解的进行和木质素的降解。
  (4)通过对不同水解时间的物料进行分析,确定了最佳的好氧水解时间。即44℃下经8h好氧水解并辅以搅拌处理后的废弃木耳菌棒,厌氧发酵产气效果最好,其TS、VS产气率分别为186 mL/g和217 mL/g,比对照组高出13.16%,而TS、VS产甲烷率与对照组相比也提高了21.6%。这说明在温度为44℃的条件下,好氧水解8h可以使废弃木耳菌棒的产气效果达到最佳。
[博士论文] 韩平
农业工程;农业机械化工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:全球能源消耗量的增长和化石燃料的不科学使用给自然生态环境带来巨大的负面影响,使得对生物质等可再生能源的研究越来越受重视。热解是生物质能源转化与利用的重要途径之一,利用生物质热解技术可以将生物质转化为生物质炭、生物油和可燃气体三态产物,其中,生物油通过精制之后可以用作化石燃料的替代品,但是生物油有机组分复杂限制其规模化利用。针对以上问题,本文开展了生物质连续热解挥发物分级冷凝及冷凝产物特性研究,为生物油的规模化应用提供理论支持,具体研究内容包括:
  (1)采用两级进料系统和柔性输送技术搭建生物质连续热解系统,对松子壳、油茶壳、木屑和稻壳开展连续热解试验,试验结果表明:该系统能够提供连续热解所需的绝氧密封工艺条件,实现了物料稳定输送和热解挥发物顺畅排出,对生物质原料适应性强。
  采用分级冷凝工艺对液体产物在线初级分离,同时考察了原料种类、热解温度、进料速度、冷凝温度、冷凝换热面积等因素对工艺的影响。结果表明:随着热解温度升高,分级生物油的产率下降明显,超过500℃后下降幅度迅速增大;不同物料所获得分级生物油产率区别明显;增加冷凝换热面积后,分级生物油产率都有所增加;降低进料速度后分级生物油产率略有升高;降低冷凝温度后分级生物油产率增加明显,冷凝温度对分级生物油产率影响最为显著。
  (2)分析连续热解和分级冷凝工艺参数对分级生物油的含水率、热值、pH值、密度、粘度等物化特性的影响:松子壳分级生物油的含水率都比较低,热值随热解温度升高而升高,且1级生物油的热值均高于2级生物油。增加换热面积后分级生物油的含水率随热解温度变化不大,热值随热解温度的升高而升高,热解温度在450℃时2级生物油热值最低(26.194MJ·kg-1)。降低进料速度对1级生物油的含水率影响不大,对2级生物油的含水率影响较大,热值总体变化不大。降低分级冷凝温度后,生物油的含水率明显升高,2级生物油的含水率大幅增加到38.73 wt%,1级生物油的热值也明显下降;不同原料生物油的含水率相差不大,都在较低水平,热值较高。分级生物油的pH值在2.68-4.55之间,具有较强的酸性。热解温度从450℃到500℃,生物油的密度有较大提高,从500℃到550℃,密度略有变小,1级生物油的密度均大于2级生物油。降低迸料速度对分级生物油的密度影响较小,降低分级冷凝温度后密度下降明显;不同原料的生物油均有较大的密度,其中松子壳1级生物油的密度最大,为1.255 g/ml,转化为体积能量密度达到柴油的96.85%。随着热解温度升高,生物油的粘度增大,热解温度超过550℃后分级生物油常温状态下流动性极差,且1级生物油的粘度也明显高于2级生物油。利用试验数据拟合获得各组生物油Andrade粘温方程,拟合度均较高。
  (3)利用GC-MS联用分析技术,分析生物油的成分组成及其分布规律。分级生物油的成分均以烃类和酚类有机物为主。松子壳分级生物油中烃类物质以脂肪烃为主,碳原子数集中在11-30,随着热解温度升高,烃类碳原子数逐渐增加;脂肪烃和芳香烃会相互转化,在550℃时芳香烃成为主体,在1、2级生物油中含量分别为32.61%和20.13%。酚类物质以单元酚为主,占酚类总量的60%以上,酚类的碳原子数集中在6-9之间,以单环酚为主。油茶壳生物油中烃类以碳原子数11-30的脂肪烃为主,但在600℃时芳香烃成为主体;酚类物质以单元酚为主,占整个酚类的95%,碳原子数则集中在6-9。降低进料速度后,烃类物质含量增加3%,酚类物质下降约8%。随着热解时间延长,热解挥发物的二次反应加剧,长链烃转化为短链烃,多元酚则转化为单元酚,烃类碳原子数由20-30向11-20转移,酚类羟基减少,碳原子数始终以7-9为主。随着冷凝温度升高,主要产物中的烃类和酚类物质有效分离,酚类物质主要向2级冷凝系统转移,而烃类物质则留在1级冷凝系统中。原料的组分对生物油成分有直接影响,三大组分间存在复杂的交互作用,其中纤维素和半纤维主要转化为烃类,木质素则主要转化为酚类。松子壳和油茶壳生物油的分离效果较好,稻壳和木屑的分离效果较差,需要根据不同的原料选择不同的连续热解及分级冷凝的工艺参数。
  (4)利用TG-DSC联用技术,分析生物油的热解和燃烧特性。研究结果表明,分级生物油的热解过程大致可以分为水分和低沸点轻质组分的挥发,中厘质组分的热解和生物油内部少量挥发分的缓慢析出三个反应阶段。通过与热解过程对比可将分级生物油的燃烧过程分为水分和轻质组分的挥发,中/重质组分的分解,挥发分缓慢燃烧,残炭剧烈燃烧四个阶段。在挥发分缓慢燃烧阶段,样品在空气气氛下的热重曲线相比氮气气氛下的热重曲线开始出现明显不同。残炭燃烧阶段,高温热解所得生物油的燃烧温度区间大。相比1级生物油,2级生物油燃烧开始时间早,放热量低,残炭燃烧没有1级生物油反应剧烈,热解温度对其影响较小。增大冷凝换热面积后,分级生物油燃烧区间向低温区偏移,1级生物油燃尽的时间提前。降低进料速度后,1级生物油燃烧区间向低温区偏移,残炭燃烧阶段的最大失重速率增大;2级生物油燃烧区间延长。降低冷凝温度后,1级生物油着火温度提前,残炭燃烧阶段最大失重速率减小,燃烧性能变差;2级生物油着火温度增大,燃尽时间提前。对于其他原料,油茶壳1级生物油燃烧性能好于稻壳和木屑1级生物油。
  随着升温速率的增加,DTG曲线的最大失重峰增大,且对应的温度升高,燃烧阶段的反应加剧,燃烧区间后移,升温速率在30 K/min时,到反应终温后,1、2级生物油分别有6.41%和5.80%的残炭没有燃烧。升温速率对分级生物油的燃烧影响明显。
  利用多种燃烧特性指数综合表征分级生物油产物的燃烧性能。对于松子壳分级生物油,热解温度在500℃时,1级生物油可燃特性指数(7.424×10-6 K-2min-1)和综合燃烧特性指数(12.282×10-9 K-3min-2)最大,2级生物油可燃特性指数(5.671×10-6 K-2min-1)和综合燃烧特性指数(6.519×10-9 K-3min-2)则为最小,两级生物油区别最为明显;降低进料速度后,1级生物油的可燃特性指数、燃尽特性指数和综合燃烧特性指数均增大;降低冷凝温度后,分级生物油的燃烧特性指数降低,2级生物油的综合燃烧特性指数降至3.36×10-9 K-3min-2。其他原料分级生物油中,油茶壳1级生物油的可燃特性指数和综合燃烧特性指数明显高于稻壳和木屑1级生物油,其中木屑1级生物油的可燃特性指数(5.903×10-6 K-2min-1)和综合燃烧特性指数(7.55×10-9 K-3min-2)均最低,2级生物油中,稻壳生物油的燃烧特性相对较好。试验中所有分级生物油样品的燃尽特性指数都相差不大,综合燃烧特性指数均明显高于原料的综合燃烧特性指数。
  (5)研究合成热解不凝气和CO2气体对生物油模拟物冷凝特性的影响。当不凝气体在混合气中所占比例一定时,局部热流密度和局部对流换热系数随冷凝管路轴向距离的增加而减小;随着混合气中不凝气含量的增加,局部热流密度和局部换热系数减小,不凝气体在混合气中所占比例对冷凝性能影响显著。以合成热解气为不凝气时,在冷凝管轴向距离0.35m之前,局部对流换热系数随不凝气浓度的增加明显下降,以CO2为不凝气时,在冷凝管轴向距离0.25 m之前,局部对流换热系数随不凝气浓度的增加明显下降,之后便趋于极低的稳定值,说明CO2对局部对流换热系数的影响要大于合成热解气,不同的不凝气体对冷凝特性的影响也不同。通过不凝气对模拟热解挥发物冷凝影响的试验与分级冷凝试验结果的对比,进一步证明不凝气对生物油分级冷凝的影响显著。为全面了解热解挥发物的冷凝特性及高效分级冷凝器的设计提供依据和参考。
[博士论文] 章建国
食品科学 合肥工业大学 2017(学位年度)
摘要:竹笋壳是农产品加工行业的副产品,产量大、价值低,处理不好会造成严重的环境污染。竹笋壳中纤维素和半纤维素含量达70%以上,将竹笋壳通过生物转化的方式炼制成其它类型的生物制品,具有理论可行性。衣藻属于单细胞植物,衣藻细胞代谢产生的多糖、甘油三脂、蛋白质、色素等产物可以应用于食品、医药、基因工程、生物质燃料等领域,目前制约微藻产业化应用的一个重要因素就是衣藻的培养成本。乙酸是培养衣藻的最优碳源,利用纯乙酸规模化培养衣藻,成本高昂,限制了衣藻在生物质转化领域的应用。本论文基于竹笋壳的资源化利用和开发衣藻廉价新碳源的目的,分离筛选高产纤维素酶的黑曲霉菌株,分解竹笋壳的纤维素;利用平菇分解竹笋壳中的木质素,提高纤维素的降解效率;将黑曲霉和平菇共培养分解竹笋壳,获得竹笋壳水解液,经再次糖化、大肠杆菌厌氧发酵,获得酸化的糖化液,用于衣藻细胞的培养;利用转录组学方法,明确衣藻在单乙酸碳源培养基和竹笋壳水解液中生长时差别表达的基因及其可能的机制。本论文的研究,将竹笋壳资源化利用耦合微藻生物质生产,具有重要的环境效益、经济效益和社会效益。
  具体内容如下:
  1.竹笋壳降解菌的筛选及其产纤维素酶性质研究。通过初筛和复筛,获得1株竹笋壳分解菌株,经形态学和18S rRNA序列分析鉴定,该菌株属于黑曲霉,被命名为Aspergillus niger N3。通过单因素实验和响应面设计优化A.niger N3发酵产纤维素酶条件,得出A.niger N3以竹笋壳粉为碳源液态发酵产纤维素酶的培养基配方为:竹笋壳粉10.0g,酵母粉2.0g,KH2PO41.0g,MgSO4·7H2O0.5g,蒸馏水1000mL;最适发酵条件为起始pH6.42、培养温度33.8℃、培养时间96h。以该优化结果进行验证实验,A.niger N3所产CMCase酶活为5.92U/mL,比优化前提高了7.4%。
  2.平菇预处理竹笋壳的增效机理。从市售平菇中分离纯化到一株漆酶活力较高的平菇菌株,分别考察了碳源、氮源和诱导剂对该菌株产漆酶的影响,结果表明,竹笋壳中添加适量有机氮源有利于平菇菌丝的生长,麸皮可作为辅助碳源和漆酶诱导剂应用于平菇预处理竹笋壳。平菇预处理实验结果表明,平菇菌丝的生长可以有效地破坏天然竹笋壳纤维致密的抗性结构;经平菇预处理后的竹笋壳诱导黑曲霉产纤维素酶的效果显著增强,综合分析结果表明,这种增强效应源自一种水溶性的木质素衍生物,该发现为首次报道。
  3.竹笋壳生物降解培养莱茵衣藻条件优化。构建了平菇和黑曲霉共培养降解竹笋壳的培养模式;通过响应面的PB实验和Box-Behnken设计优化了麸皮、酵母粉和KH2PO4在竹笋壳分解过程中的用量分别为2.26%、0.47%和0.46%,验证实验结果表明竹笋壳的最大降解率为34.14%。
  运用响应面设计优化了竹笋壳水解液糖化实验参数,构建的响应面模型预测最佳糖化条件为反应温度61.99℃、体系pH5.35、补充竹笋壳7.55g/L,获得的糖化液中还原糖浓度最高为3.517mg/mL,验证实验表明糖化液的还原糖浓度为3.77mg/mL。
  为了适应莱茵衣藻生长的营养需求,竹笋壳糖化液浓缩2倍后经大肠杆菌(Escherichia coli)DH5α厌氧发酵转化成乙酸含量为0.74mg/mL,还原糖含量为3.41mg/mL的竹笋壳水解酸化液,以该水解液培养莱茵衣藻,在混合营养模式下衣藻细胞的最大生长率为2.71±0.06d-1,积累的生物量最高值为201.9±9.3mg L-1,衣藻细胞中总糖和总脂的含量可达44.3%和18.7%。
  4.莱茵衣藻21gr(cc1690)菌株在竹笋壳水解酸化液中生长代谢的转录组学研究。转录组测序结果发现了126个新基因,其中10个基因注释到COG,28个注释到GO,7个注释到KEGG,11个注释到Swiss-Prot,83个注释到NR。
  转录组数据分析发现了606个差异表达基因,其中230个基因上调,376个基因下调;COG注释结果表明,差异基因主要与能量产生转化、氨基酸和碳水化合物的运输代谢、DNA复制、信号传导机制、无机离子运输和代谢有关;注释到KEGG的差异基因有47个,主要参与27条代谢路径。
  基于转录组实验结果,对其中与能量和葡萄糖代谢有关的15种酶蛋白基因进行荧光定量PCR验证分析,结果表明在竹笋壳水解酸化液中生长时莱茵衣藻编码与葡萄糖合成以及其它产能大分子水解有关酶的基因表达量明显降低。这种形式的基因下调表达有利于衣藻细胞内积累更多的多糖化合物。
[硕士论文] 梅庆
农业机械化工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:能源是社会发展的物质基础,我国能源消费以化石燃料为主,在传统化石能源供需矛盾突出,且对生态环境影响日益严重的今天,必须调整能源消费结构,开发利用其它可再生能源势在必行。生物质能源以稳定、可再生、污染低、成本低而越来越受到重视,生物质炭化技术作为生物质能源化利用的重要途径,其易于推广,且生物质炭用途广泛,除了可做燃料外,还可以用作土壤改良、冶炼金属的还原剂、活性炭吸附物质等,研究生物质炭化装备与工艺具有一定的应用价值。本文针对传统生物质炭化设备废气污染环境、成炭率低、炭品质差等问题,设计一种废气自循环利用生物质炭化成套装备,并开展工艺参数试验,论文主要完成工作如下:
  (1)在分析生物质组成、炭化原理及过程的基础上,结合炭化工艺试验要求,确定了废气自循环利用生物质炭化成套装备具体设计参数,并进行了总体结构设计,主要包括炭化炉炉体、焦油与木醋液回收装置、余气回收循环装置、加热系统、温度压力监控系统五部分,该装备同时满足制炭、副产物回收、废气循环利用、工艺参数精确控制等要求。
  (2)确定了各部件结构尺寸及材料选型,炉体采用外加热立式圆桶形内外胆结构,保温层为65 mm厚的岩棉,燃烧盘采用双通道可上下调节结构,焦油与木醋液回收装置采用内部设有螺旋挡板的三级冷凝结构,余气循环装置可将余气引入燃烧盘燃烧,温度压力监控调节系统可实时显示温度压力,并可通过阀门进行调控。
  (3)基于Fluent有限元分析法对炉体和焦油与木醋液回收装置进行温度场仿真,结果表明:炉体除炉门框局部温度变化存在差异,反应釜内部温度变化较均匀,焦油与木醋液回收装置在冷却水进口流速分别为0.045 m/s、0.03 m/s、0.015 m/s时,可将烟气从773 K降温到321 K。
  (4)确定了工艺参数试验方案:选取升温速率、炭化终温、保温时间三个过程工艺参数进行正交试验,并在此基础上进行N2气氛对炭化品质的影响试验,以炭产率、热值、能源得率、工业分析、元素分析、表面结构作为炭化品质表征参数,探讨工艺参数对炭化品质的影响规律。
  (5)试验结果分析发现:炭化终温对炭产率、热值、能源得率、挥发分、固定碳、碳氢元素含量的影响程度最大,其次是保温时间,升温速率的影响程度较小,随着炭化终温升高与保温时间增加,热值、固定碳、碳元素含量相应增加,炭产率、能源得率、挥发分、氢元素含量下降;相比较氮元素含量受工艺参数影响,硫元素含量影响则变化不是很明显;与生物质原料表面交叠的片状结构相比,生物质炭表面出现孔隙结构,高温长时间炭化有利于增加生物质炭比表面积;此外,N2氛围明显可提高生物质炭品质,孔隙更发达。针对生物质炭不同用途所对应的主要性能参数要求的不同,应依据工艺参数对炭化品质影响规律,合理安排工艺。
[硕士论文] 衡琳
草业机械装备及自动化 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:交通运输燃料一直依赖于石油基液体运输燃料(如汽油,柴油和喷气燃料)。石油是一种有限的化石燃料,它的大量消耗加大了温室效应。因此,开发石油基液体运输燃料的绿色替代品极为重要。由纤维素生物质生产的乙醇可以作为石油的替代品。然而,一些技术方面的障碍限制了纤维素乙醇的工业化、高效的生产。其中,一个主要障碍是纤维素原料的密度很低,导致其运输和储存成本偏高。另一个障碍是纤维素转化为可发酵糖的效率较低(预处理和酶水解是两个主要的转化过程),导致纤维素生物质的预处理和酶水解的成本较高。超声波振动辅助(UV-A)制粒增加了纤维素原料的密度和糖产率。将UV-A制粒整合到纤维素乙醇的制造过程中有助于实现纤维素乙醇的高效制备。本文着重对超声振动辅助压缩生物质制粒装置、超声振动系统以及超声压缩生物质工艺过程等进行了如下的研究:
  论文对超声辅助生物质压缩成形工艺进行了分析,介绍了超声辅助压缩成形的原理,并进行了超声辅助压缩成形工艺的设计。
  根据超声振动理论,对换能器、超声变幅杆压头进行了设计。归纳总结了超声制粒装置的结构设计要求,结合装置具体的工艺参数、性能指标、主要参数,设计了制粒装置的总体结构布局与总体控制布局,最终研制了超声制粒装置。
  运用响应面法建立颗粒耐久性的二阶多项式模型,研究输入变量(制粒时间、超声功率和压力)对颗粒耐久性的主要影响和交互影响,并将预测的结果和实验结果进行对比,结果表明建立的模型能较好地预测颗粒的耐久性。
  主要对三种不同环模模孔尺寸的制粒机制得的玉米秸秆颗粒的质量和微观结构进行了比较。得到的结论如下:具有圆形大直径模孔的环模制粒机生产的颗粒具有更高的密度、耐久性和更低的平衡含水率。
  比较了经过UV-A制粒和环模制粒处理的玉米秸秆的颗粒质量(密度和耐久性),糖产率,温度,能量消耗,微观结构。结果表明通过UV-A制粒产生的颗粒具有与通过环模制粒产生的颗粒相当的密度,耐久性和糖产率。UV-A制粒比环模制粒消耗更高的能量,并比环模制粒产生更高的温度。
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