玉米秸秆厌氧发酵及其沼渣与褐煤共制备生物质型煤研究

发布时间：2020-04-12 22:08

【摘要】：褐煤作为煤化程度最低的矿产煤,由于其燃烧特性差,水分高、热稳定性差等特点,一直未得到有效地开发利用。另外,我国也是一个农业大国,每年秸秆产量较大,但大多被随意焚烧或直接丢弃。生物质型煤是将褐煤与秸秆混合制备的块状燃料,不仅可提高褐煤的燃烧效率,还可扩大生物质的利用途径,符合我国政府在“十三五”期间提出的适度发展煤制燃料,清洁高效利用煤炭资源。但秸秆刚性强,其直接与褐煤混合制备的生物质型煤易膨胀开裂。本论文针对褐煤与生物质利用率低,以及生物质型煤品质差等问题,玉米秸秆利用了厌氧发酵技术处理,研究了发酵后的玉米秸秆即沼渣与褐煤的热压成型工艺,并对比了不同成型温度制备的沼渣型煤和玉米秸秆型煤的特性。首先,在不同喷淋量下利用车库式厌氧发酵技术对玉米秸秆进行处理。该研究依次进行了四批,系统总固体含量(TS)为13.4-14.6%。发酵前两周的喷淋量为总喷淋量的2/3-7/8,第三周为总喷淋量的1/8-1/3,第四周无喷淋。研究表明,厌氧发酵前玉米秸秆在接种液中浸泡2h,有助于提高其产气性能。前期喷淋量对整个发酵过程影响相对较大,前期喷淋量为2000g/次,每天16次时,经28天发酵,玉米秸秆的累积产甲烷量达到179.6mL/gVS,生物降解率为42.2%。傅立叶红外光谱(FTIR)及木质纤维素分析结果表明,玉米秸秆经过厌氧发酵处理后,其大部分半纤维素和纤维素被降解,而木质素结构破坏程度较低,厌氧微生物不会破坏沼渣中的氢键,有利于增加成型性能。扫描电镜(SEM)结果显示,与玉米秸秆相比,沼渣的表面较疏松、粗糙,且木质纤维结构之间发生不同程度的断裂,并出现空隙,更适合制备成型燃料。其次,对生物质型煤的成型工艺进行了研究。以褐煤和生物质(沼渣、玉米秸秆)为实验原料,研究了成型温度(室温-160℃)、成型压力(2-20MPa)、保压时间(30-240s)及生物质含量(0-30%)等因素对生物质型煤性质(抗压强度、体积、水分和发热量)的影响。单因素和中心复合实验设计研究结果表明,成型温度对生物质型煤的性质影响最显著,对沼渣型煤的抗压强度影响显著的是成型温度与保压时间的交互作用,其次是成型温度与沼渣含量,而沼渣含量与保压时间的交互作用不显著。在相同制备条件下,沼渣型煤的抗压强度均高于玉米秸秆型煤,其体积均低于玉米秸秆型煤。因此,与玉米秸秆相比,沼渣的塑性强,弹性弱,易于压缩成型。最后,对生物质型煤进行了SEM、热重、存放情况以及成型过程的能耗分析。SEM结果显示,热压成型后褐煤的碎片结构和裂隙消失,生物质型煤的原料组织均有被破坏,发生了机械形变与塑形流变。软化的木质素会与周围的煤粒等物质相粘结,沼渣型煤粒子形成的块状物相对较大,结合比较牢固,导致其具有较高的抗压强度。通过热重分析考察了不同成型温度的生物质型煤的热解特性。生物质型煤热解过程为褐煤与生物质的分阶段热解过程,与生物质和褐煤单独热解相比,其特征温度有偏差,说明在热压处理后褐煤与沼渣热解过程可能存在协同作用,以提高褐煤的转化效率。将生物质型煤存放在25℃、相对湿度为80%的环境中测试,玉米秸秆型煤易发生霉变,而沼渣型煤无此现象。基于8MPa,140℃的沼渣型煤成型过程,其理论能耗大约为204.8kcal/kg。如果厌氧发酵产生的沼气用于燃烧发电,其转化的电能可满足成型过程的需求,则热能也可满足厌氧发酵保温系统的需求。
【图文】：

- 5 -图 1.1 生物质能源利用技术[18]Fig. 1.1 Applicable technology of biomass energy1.4 生物质型煤成型技术生物质型煤是指将可燃生物质与粉煤按照一定比例混合压制而成的块状燃料生物质型煤技术结合了生物质与煤炭的特点，将低阶煤高效化、洁净化利用，将生物质废弃物资源化、能源化处理。有研究表明[22]，生物质型煤的潜在环境影响负荷

图 1.4 厌氧发酵 AND 秸秆 AND 沼气的 3D 专利地图分析Fig. 1.4 3D analysis of patent map on anaerobic digestion AND straw AND biogas以“生物质型煤”为关键词对国内生物质型煤的专利进行检索，专利申请 1.5 中的 1）所示。对于生物质型煤专利申请数量自 2013 年上升较快，利申请数量达到 45 个。因此，我国的生物质型煤产业也处于快速发展期
【学位授予单位】：中国石油大学（北京）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ536;TQ920.6

【参考文献】

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本文编号：2625228