论文部分内容阅读
中国作为农业大国,农业废弃物产量巨大,将其沼气利用被认为是环境经济最可行的方式之一。然而,现有秸秆沼气发酵工艺存在易结壳、运行不畅等问题,严重限制能源化转化效率。本研究基于现有秸秆沼气发酵工艺,优化设计床式发酵试验装置;假定稻秸发酵床为多孔介质,分析回流沼液在厌氧消化床内稻秸间传质过程。在此基础上,结合传质过程理论分析,开展不同梯度发酵浓度和回流率的批次试验,探究沼液回流对稻秸物质降解和产气性能的影响。最后,根据试验结果分析了优化装置和工艺的运行能耗及净能产出,主要研究内容和结果如下:（1）改进设计了床式秸秆沼气发酵反应器,处理富含疏松多孔的木质纤维素类生物质。设置网框将稻秸固定作为发酵床,通过水力循环搅拌,实现床内的有效传质。以此为对象,理论分析该反应器的传质过程,并研究回流过程对厌氧消化性能的影响。（2）假定稻秸发酵床为多孔介质,构建理论分析物理模型,利用流速-压降测定装置,进行了粘性阻力系数与惯性阻力系数的测试,结果表明,稻秸发酵床的堆积密度越大,其内部液体的有效迁移和物质传递就越难。稻秸密度为0.12g/cm3的粘性阻力系数与惯性阻力系数分别为31060.99、113.36,较0.075g/cm3增加了76.40%和56.53%,呈现粘性阻力系数与惯性阻力系数急速增加。试验结果与标准Ergun模型方程计算结果相差较大,对结果数学拟合后得到方程系数a=787.32,b=0.21,可有效指导沼液回流过程试验方案设计。（3）以稻秸为发酵原料,以30 L优化设计的床式发酵试验装置进行试验,设计发酵周期为50 d,发酵床的发酵TS浓度分别为10%、12%、14%、16%,进行中温试验。回流率为50%（回流率为15 L/d）,发酵过程稳定,产气平均甲烷含量超过50%。发酵床表层与内部稻秸的纤维素与半纤维素降解率最高为TS=12%,分别为58.57%、62.23%和49.29%、46.73%,而原料产气量最高为TS=10%,为200.03 mL CH4/g VS,表明回流率对不同负荷发酵床物质迁移影响明显,50%回流率条件下,TS为10%的发酵浓度产气最优。（4）设计不同回流率发酵试验,探究回流对稻秸厌氧消化性能的影响。发酵床的发酵TS浓度为11%,整个过程稳定,发酵液总VFA均低于500mg/L,pH在6.907.23间,回流率为100%及150%,发酵床内稻秸的木质纤维素降解量较为相近,但回流率为100%的原料产气率较高,为119.88 mL CH4/g VS。提升发酵内稻秸的发酵浓度至TS=13%,平均甲烷含量超过50%,回流率为150%时,发酵床表层与内部稻秸的纤维素与半纤维素降解量最高为56.01%、36.31%和74.51%、63.68%,此时,原料产气率也最佳,为130.82 mL CH4/g VS。因此,以处理稻秸为目的,可根据工程设计的发酵浓度,采用合适的回流率,促进高发酵浓度下发酵床稻秸的物质降解和产气性能提升。（5）综上试验结果,以处理秸秆为目的,发酵容积为500m3的秸秆沼气工程为例,发酵浓度是13%,发酵周期设定以50 d,分析计算工程运行得能耗及净能产出。计算结果表明回流率分别为50%、100%、150%和200%条件下,稻秸净能产出分别为4747.82 MJ/t、4405.27 MJ/t、5026.23MJ/t、2990.43 MJ/t,可见150%回流率净能输出最高。