基于超声波的玉米秸秆厌氧发酵工艺优化

发布时间：2017-03-31 00:03

  本文关键词：基于超声波的玉米秸秆厌氧发酵工艺优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国有非常丰富的秸秆资源,通过厌氧消化将秸秆中的生物质能转化为可再生的清洁能源,是秸秆能源化利用的有效手段之一。但是由于秸秆复杂的结构,导致了厌氧消化时间长、效率低,所以一直无法在实际生产中大范围推广。超声波具有能量集中、无污染等优点,是一种高效的处理方法,本课题结合超声波的机械效应、热效应以及空化效应,对超声波辅助玉米秸秆的厌氧发酵做了一系列研究,针对玉米秸秆发酵工艺的两个过程,预处理过程和厌氧消化过程,分别加入超声波作用,为超声波在秸秆厌氧消化领域的大规模应用提供了指导作用。首先,在玉米秸秆厌氧发酵的预处理过程中,为了探明双频超声预处理对玉米秸秆厌氧发酵的影响,在稀碱预处理的基础上,联合双频超声波预处理玉米秸秆,并进行厌氧消化产气实验。比较了稀碱预处理、单频超声联合稀碱预处理、双频超声联合稀碱预处理后的产气性能。实验结果表明,双频超声波预处理可以显著改善玉米秸秆的生物可降解性,提高消化效率。其次,对超声波作用于玉米秸秆厌氧发酵预处理过程的工艺参数进行了优化。在双频超声波联合稀碱预处理的基础上,通过正交试验设计和响应曲面法对玉米秸秆厌氧消化进行了工艺参数优化,得到最优参数组合并进行了实验验证。针对两种优化方法存在的问题,将支持向量机与正交试验设计相结合,建立了工艺优化的预测模型,确定了玉米秸秆厌氧消化的最优工艺参数组合并通过产气实验验证。最后,在玉米秸秆厌氧发酵的厌氧消化过程中,基于超声波作用机理,将超声波作用于厌氧消化过程中。通过改进常规的恒温水浴装置,将超声波换能器与不锈钢体的水槽相结合,用以实现玉米秸秆在厌氧消化过程中加入超声波。使用改进后的恒温水浴装置进行中温厌氧消化实验,实验结果表明,超声波在厌氧消化过程中可以显著提高秸秆的生物可降解性。随着负荷率的增大,增加了消化的有机质,延长了产气时长,产气量明显提高。
【关键词】：超声波 厌氧消化 正交试验设计 响应曲面法 支持向量机
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216;TB559
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 课题研究背景和意义16
• 1.2 作物秸秆利用现状16-17
• 1.2.1 作物秸秆产生及结构16-17
• 1.2.2 秸秆主要利用途径17
• 1.3 秸秆厌氧消化技术概述17-20
• 1.3.1 厌氧消化机理17-18
• 1.3.2 影响厌氧消化因素18-19
• 1.3.3 国内外秸秆预处理技术研究现状19-20
• 1.4 超声波技术在秸秆发酵过程中的应用20-23
• 1.4.1 超声波作用机制20-21
• 1.4.2 影响厌氧消化效果的超声波参数21-22
• 1.4.3 超声波在秸秆发酵预处理过程的研究现状22-23
• 1.4.4 超声波在秸秆厌氧消化过程中的研究现状23
• 1.5 待解决的问题23
• 1.6 本课题研究的主要内容及创新点23-26
• 第二章 超声波作用于预处理过程的单/双频工艺研究26-38
• 2.1 材料和仪器26
• 2.2 实验装置26-28
• 2.2.1 超声预处理装置26-27
• 2.2.2 厌氧发酵装置27
• 2.2.3 恒温水浴装置27-28
• 2.3 实验方案28
• 2.4 实验方法28-29
• 2.4.1 预处理方法28-29
• 2.4.2 厌氧消化产气实验29
• 2.5 分析方法29-31
• 2.5.1 TS、VS测量30
• 2.5.2 生物气品质检测30-31
• 2.6 结果与讨论31-35
• 2.6.1 日产气量31
• 2.6.2 累计产气量31-32
• 2.6.3 甲烷含量32-33
• 2.6.4 厌氧消化时间33
• 2.6.5 TS和VS去除率33
• 2.6.6 预处理后秸秆主要成分33-34
• 2.6.7 物质结构34-35
• 2.7 本章小结35-38
• 第三章 超声波作用于预处理过程的工艺参数优化38-48
• 3.1 基于正交试验设计的厌氧消化参数优化38-41
• 3.1.1 正交试验设计38-39
• 3.1.2 实验结果及分析39-41
• 3.2 基于响应曲面法的厌氧消化参数优化41-47
• 3.2.1 响应曲面法41
• 3.2.2 实验结果及分析41-47
• 3.3 不同优化方法比较分析47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 基于支持向量机的工艺参数优化48-56
• 4.1 支持向量机原理48-52
• 4.1.1 支持向量机回归48-50
• 4.1.2 核函数性质与构造50-52
• 4.2 支持向量机与正交试验设计相结合52
• 4.3 不同工艺参数模拟分析52-54
• 4.4 实验结果及验证54
• 4.5 本章小结54-56
• 第五章 超声波作用于厌氧消化过程的工艺参数分析56-66
• 5.1 改进的恒温水浴装置56-58
• 5.1.1 改进思想56-57
• 5.1.2 设备及参数57-58
• 5.2 改进实验及结果分析58-64
• 5.2.1 日产气量59-60
• 5.2.2 累计产气量60-62
• 5.2.3 甲烷产量62
• 5.2.4 厌氧消化时间62-63
• 5.2.5 TS和VS去除率63-64
• 5.3 本章小结64-66
• 第六章 结论与展望66-68
• 6.1 结论66-67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-74
• 研究成果及发表的学术论文74-76
• 作者和导师简介76-78
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书78-79

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