粉碎预处理对秸秆沼气发酵浮渣形成的影响研究
以农作物秸秆为代表的纤维类原料密度小且不易分解，在沼气发酵液中容易上浮结壳，严重限制了其沼气化利用效率。本文基于现有的秸秆沼气工程的发酵工艺，以我国三大农作物——水稻、小麦和玉米秸秆为发酵原料，采用机械预处理的方法使秸秆原料分别达到5cm、2cm和过筛10目三个粒度后，在自行设计有效容积为22 L有机玻璃发酵罐内，进行中温批式沼气发酵实验（发酵温度:35±1℃;发酵TS浓度:4.2％;发酵周期:60d），研究其沼气发酵产气性能、结壳层物理特性和破壳强度，并根据试验结果对秸秆沼气工程破壳能耗进行分析，得出三种秸秆净能输出最大的发酵粒度，以提高工程运行效率。其试验的主要结论如下: (1)在产气性能方面，三种秸秆的不同粒度实验表明，粒度越小，产气效果越好。当粒度分别为5cm、2cm和过筛10目时，水稻秸秆产气率分别为382.42 ml/g TS、413.34 ml/g TS和483.35ml/gTS，平均甲烷含量分别为52.68％、53.45％和54.88％;小麦秸秆产气率分别为377.25 ml/g TS、398.14 ml/g TS和431.04ml/g TS，平均甲烷含量分别为58.00％、58.10％和59.53％;玉米秸秆产气率分别为416.28 ml/g TS、509.53ml/g TS和529.10ml/g TS，平均甲烷含量分别为58.40％、58.34％和58.42％。 (2)在结壳层特性方面，三种粒度秸秆都呈现粒度越小，结壳层密度越大，但结壳层厚度和失水层厚度都越小，最终，破壳强度越小。当秸秆粒度为5cm、2cm和过筛10目时，水稻秸秆结壳层最终密度分别为54.84g/L、62.67g/L和99.71g/L，但结壳层最终厚度分别为20cm、17.5cm和11cm，结壳层失水层最终厚度分别为10cm、6cm和1cm，最终，破壳强度分别为3.14kPa、2.10kPa和1.24kPa;小麦秸秆结壳层最终密度分别为51.40g/L、61.39g/L和105.25g/L，但结壳层最终厚度分别为21.5cm、18cm和10.5cm，结壳层失水层最终厚度分别为10cm、6cm和1cm，最终，破壳强度分别为3.20kPa、2.17kPa和1.27kPa;玉米秸秆结壳层最终密度分别为59.43g/L、75.27g/L和112.91g/L，但结壳层最终厚度分别为19cm、15cm和10cm，结壳层失水层最终厚度分别为10cm、8cm和2.5cm，最终，破壳强度分别为1.90kPa、1.08kPa和0.81kPa。 (3)对不同粒径秸秆的结壳层最低处、发酵液水位线处以及最顶处进行扫描电镜(SEM)发现:三种秸秆浮渣下部分解程度最大，厌氧消化最充分，而上部分解最弱，几乎不分解，中部分解程度居于以上两者之间，表明结壳层的形成会直接导致发酵原料的失水，影响秸秆的分解。 (4)以发酵容积为500m3的秸秆沼气工程为例，分别采用粒度为5cm、2cm和过筛10目水稻、小麦和玉米秸秆为发酵原料，以30天为发酵周期，参照上述试验中原料产气率、破壳强度值，并根据不同粒径秸秆的机械预处理设备能耗，分析计算出不同粒径秸秆的净能产出。水稻、小麦和玉米秸秆都是过筛10目时，净能输出最大，分别为24352.97kW·h、23304.79kW·h和27816.60kW·h。
秸秆粒度;沼气发酵;浮渣特性;粉碎预处理;能耗分析
中国农业科学院
硕士
农业资源利用
施国中;梅自力
2015
中文
S216.4
72
2015-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）