秸稈厭氧發(fā)酵改性制備成型燃料試驗

1、秸稈厭氧發(fā)酵改性制備成型燃料試驗0引言發(fā)展生物燃料已成為人類解決能源問題和改善環(huán)境的個重5!手段和發(fā)展方向沖國星農(nóng)業(yè)大國，主物質(zhì)資源門朕毎年農(nóng)作物稱稈的產(chǎn)眉趙過7億t"R中可利用量約為5.055億嚴，占中國t物質(zhì)資源池量的50%-60ftrJ因此，對其轉(zhuǎn)化利用具打璽要意義口目前，通過厭氧發(fā)酵制沼代和壓縮生產(chǎn)成型燃料、電耕稈能源化利川的2個重要途徑.秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣面臨的個世紀(jì)性挑戰(zhàn)是它的抗主物降解屏障、包括纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)*纖維索與半纖維素和木素組件形成的異質(zhì)崗聚物、復(fù)朵的細胞壁多層結(jié)構(gòu)尊*1通過預(yù)處理礁壞該塀障是擬高稱稈生物轉(zhuǎn)化率的卜】翌途thU戚為工物燃料領(lǐng)域的個主耍研究方向.

2、人們研塩了包松物理法、化學(xué)法、物化法與生物法尊預(yù)處理方法®7I,但目前這些方法大多難以滿足工業(yè)化應(yīng)用的需求。秸稈制成V.燃料遇到的最大技術(shù)障礙是成V.設(shè)備的快速磨損問題叫秸稈的成型需要對其施加很高的壓力,般為1030MPa,有時甚至高達150MP嚴,宙此產(chǎn)生的高摩擦力是導(dǎo)致成型機成型部件快速嚕損的最主要原因。目前中國使用量最高的模壓成型設(shè)備，其壓輾理論設(shè)計存命多為300h.但實際使用時間卻不超過200疋叫成熨過程中原料顆粒在壓力作用下通過固體架橋、機械鑲嵌和分（何力形成致密的顆?；驂K狀燃料。這些作用的發(fā)揮主要受纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的物理和化學(xué)特性的影響。因此,通過預(yù)處理改變秸稈的

3、物化特性成為降低成型壓力及提高成吃燃料機粧耐久件的車要于段。己有研究采用的預(yù)處理方法有加熱法、蒸汽爆破法、氨纖維爆破法等川1。其中，加熱法是通過將原料加熱到木質(zhì)素的玻璃化溫度以上來顯著改善原料的成型特性，并使所I：/的成熨燃料的存放耐久件得到W普提；1,2-,3,0目前,制約熱處理方法匸程應(yīng)用的主更問題是能耗高，比如，棲浪爆破法處理1t生物質(zhì)雪要消耗0.81tl汽冋.1kgF生物質(zhì)需耍消耗約1.8MJ的熱而生物處理為降低能兀開辟了條途徑.Samuelsson筲人研究發(fā)現(xiàn)通過微生物對木質(zhì)纖維索的作用可以促進生物質(zhì)的成醴和捉高成空燃料的品質(zhì)”叫針對上述問題，本文提出了種將秸利轉(zhuǎn)化為氣同尤生物燃料的

4、思路：忡先通過厭氧發(fā)酵將秸稈所金的易生物降解成分轉(zhuǎn)化為高品位的氣體生物燃料.并利用發(fā)酵過程改變秸稈物化特性,實現(xiàn)對K壓端成空性能的改進,在此基礎(chǔ)上將發(fā)解后的沼潰再加匸為成盤燃料。本文利用玉米秸稈為原料,通過試驗對這思路的可行性進行了研究與探討。1材料與方法1.1試驗材料試驗所用玉米秸fI取fl北京延慶縣.自然干燥后備用接種物取自天5P奶牛場牛糞發(fā)酵后的濃縮液。試驗材料基本性質(zhì)見衣1.1.2試驗方?jīng)i取I熱風(fēng)干的玉米秸稈.將H剪切到I2cm.加入到I制的15L的發(fā)酵瓶中,以碳酸氫彼調(diào)節(jié)*氮比為25：I.用厭氣發(fā)酵液將發(fā)鹽原料的總同休（TS）質(zhì)炭分數(shù)調(diào)整劉12%.然肩將發(fā)酵瓶放入3&C的生化

5、培養(yǎng)籍中進行厭氧發(fā)酵試驗，試期t程中每天定時搖動發(fā)酵植以使發(fā)酵液與私和充分搖觸.試驗分2紐進行.記為A組和B組.發(fā)酵周期分別為10和20d每組做2個rtr.每天定時記錄產(chǎn)氣*用集氣袋收集所產(chǎn)沼氣，每更換1；氣農(nóng)測1次沼氣的CH含晁.發(fā)酵紹束肩.將沼渝IttHlflfl然風(fēng)干.然右取樣測宦原料及沼浹的物化特性.并對其粉碎過4mm篩調(diào)整水分到6%百進行圧縮成業(yè)試臉表1厭氣消化原料的基本性質(zhì)Tabic丨BmsicpropcnicsofrawnulcriakuZinmiacmhicdigestion物料rccthluckTS/%V"Z7C用HISS用C/NkKflComstraw91.968

6、9.520.6646.186.030870.50復(fù)科物Inoculum0.870J5itiVSi揮處“兇體TS為總H體.Note:VShaniiibirvialiuiifu!vxjliliicm4ilK.TSi»mabbicvillioniufkililm*!kK成空燃料制備方法:采用自制的成壁模人（圖I）將原料壓編成帕圖1加工成空燃計所用的慎幾Fig.1Moldusedforpressingbiomasspellets成型過程中先用加熱團對HUI進行加熱，同時用熱電偶測董孔內(nèi)唯溫度專達到iooC時.迅速加入已準(zhǔn)備好的原料約o7g.然甘通過液壓機構(gòu)対成型壓桿加壓為壓力達到6MPa后保

7、持該壓力60s.取出成業(yè)燃料迅速放入干燥器中冷卻至空溫.測定其松弛密度.1.3測定指標(biāo)及方法C、H、N.S元素采用徳國ElementorVarioMICRO元索分析儀進行測匹TS.VS的測定采用標(biāo)準(zhǔn)方法I叫ft采用徳國產(chǎn)微氣體流債計（SHHS1-Ritter）測定.沼氣成分利用氣相色譜儀測定（GC169O）.條件為:TDX-0I色譜柱，柱溫80X?.檢測益I00-C-進樣口100'C,圖譜分析方法為外標(biāo)法.纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含盤采用美國ANKOM200纖維素分析儀按照范氏（VanSoest）法測定"I熱值采用長沙開元儀器冇限公同5E-AC8O18等溫式全自動彊熱儀測定苯

8、醉抽提物按照GB/T10741-2008戚住燃料機誡耐久件采用Lindley等人捷出的機械破壞致成型燃料質(zhì)量損失率進行農(nóng)征以"成盤燃料密度測歐成卍燃料的質(zhì)雖采用電f天平稱量,體積采用駅筒進行測fit,具體方法為.將淀量80100忖的沙粒放入10mLM筒之中.讀取體積,槎后將沙粒倒出.放入成樂燃料再將取出的沙粒裝入量筒中.羅動量筒,直至體稅不再改變?yōu)橹?，諒取體枳.2次體積之差就是成空燃料的體積,就復(fù)5次求取半均值.2結(jié)果與分析2.1秸科發(fā)酵后能星在氣固兩相中的分配試臉過程中玉米秸稈厭氣發(fā)酵II產(chǎn)氣量和所產(chǎn)沼氣中CH,含量隨發(fā)酵時間的變化情況ML農(nóng)2.由茨2可計算出A、B2組試驗的甲烷產(chǎn)

9、率分別為66.12和146.1ImL/g.折算為原料甲烷產(chǎn)率則分別為60.M）和134.16mL/g根據(jù)甲烷的低位熱值34.02MJ/m3,2,l»可計算出1kgE米秸稈發(fā)醉產(chǎn)生的沼氣所含的熱晟分別為2.07（A組）和4.57MJ（B殂）試驗所用主米秸稈的彈筒發(fā)熱量為17.02MJ/kg-根據(jù)彈筒發(fā)熱g和低位熱值之何的轉(zhuǎn)換關(guān)系式計算出玉米秸稈的低位熱值為14.28MJ/kg.由此可以推算出經(jīng)過10和20d厭血發(fā)酵后玉米秸稈所含的能鼠分別育14.49%和32.01%轉(zhuǎn)移到了沼氣中由于厭氧發(fā)醉過程厭發(fā)酵微上物那放的娛肚處M低的水降解ftilim只釋放0.4MJ的熱kt1231.所以.從能

10、昴:半衡角度分析即使經(jīng)過20d的發(fā)酵產(chǎn)氣后,秸稈所含能址的約67%還保留在固體殘渣中表明秸稈發(fā)酵所產(chǎn)沼渣還冇很局的能源利用價值.22發(fā)酵對秸稈物化特性的影響56.183）11.28-56.Ml玉米秸稈及發(fā)酵石所產(chǎn)生的沼渣的物理及化學(xué)特性見衣3表2玉米秸稈厭氧發(fā)防日產(chǎn)氣童及甲燒含雖討間Time/d日產(chǎn)PDalybiogasyklds/(ni.g1)叩烷體積分敢Methanc-olum?ructk»fV,fAhlBfllA«|Bfll17356.7427.455.88311.219.65414.24149932.5534.59515.47161615.0715.M53.1656

11、36715.161532-815.5815.1860.0660J0916.06)5.281016.2()15.8156.7956.211115.451216.1457.791316.75-14161953.88!514.96Tabic2Dailybiogasyieldsandmethanecontentsduringaracmbicdigestionofcomstraw16171819H.2t>12.995SM表3玉米秸稈物FP及化學(xué)特性的變化T:iblc3ChangesofcomponentofcomsimwFrctklock半HcmkclhdoMc/%Ccllulow/*!木Jfi聿

12、l.ignirV*岸發(fā)分Vol*tik/r4Fixedcirton冰麗抽從物Akx)bolbenzcii?cxluctivc/4邨肉發(fā)轉(zhuǎn)ISBunibcilunfBCvalirAMJ')Comstraw26.0046.9013.652648!.0216.347J5217.02AMiffMSolidA鮎246.7116.982374.08I8.W566IS.01BfflfflnSoliddestateB22.6645.0817.92&<)572.6319.324«618.05從襄3可以看出發(fā)酵前后玉米秸稈的物化轉(zhuǎn)性發(fā)生了明顯的變化.第1.發(fā)酵后主米秸稈的熱值有所升

13、高.這應(yīng)歸功于木質(zhì)素含量的增加因為木廣索的熱值比纖維索和半纖維索高出約1倍.第2.隧著厭氧發(fā)酵的進行半纖維索和纖維素的郴對含量都降低.木質(zhì)素相對含員增加.發(fā)醋10和20d后秸稈中木廣索質(zhì)吊分數(shù)分別增加了24.44和31.3%這足木質(zhì)#不能厭氧降解的結(jié)果因為木質(zhì)索的初始降雜需要分/錢的心祖卻木質(zhì)素含駅的增加有利于秸稈壓縮成也木質(zhì)索是種尺然點結(jié)劑它足成型過禪產(chǎn)生固體架橋作川的生鑒影響因素叫同時,受熱軟化后的木質(zhì)素的黏結(jié)特性k認為在增加生物質(zhì)成&燃料的強度方面發(fā)揮看匝嬰作用|劃。3.發(fā)酵后秸稈的揮發(fā)分仟屋減少發(fā)酵10和20d后秸稈揮發(fā)分含量分別卜降r&6%和104%.與此郴對應(yīng)的是發(fā)

14、酵后秸利的固定碳含量得以升高這些變化育利T捉高沼渣燃燒過理的和定性。第4.隨若發(fā)酵的進行.苯冊抽捉物呈現(xiàn)出明屯的下降趨勢發(fā)酵10和20d后秸稈的苯醇抽提物分別降低24.7%和35.4%.苯酹抽捉過程主耍捉取的是原料中的脂肪、蠟和樹脂.而脂肪含益的下降有利于捉高成療燃料的機械耐久性.這是因為在秸稈成型遼程中脂肪含量下降導(dǎo)致其所發(fā)揮的潤滑作用減刈脂肪在療料顆粒之何以及原料顆粒與成型模具之何發(fā)揮潤滑功能）B7從而使原料與成型模具之何的摩擦力增加進而使成型壓力升島、成型燃料密度堆人所致.衣3結(jié)果還農(nóng)明發(fā)酵導(dǎo)致秸稈灰分含最增加經(jīng)過10和2()d發(fā)酵甘.沼濟A灰分達到原秸和的26倍沼渋B的灰分達到原秸稈的

15、3倍.即便如此.玉米秸稈發(fā)酵沼潰的灰分含量仍低r宵瑞瑞等人測得的稻草的膠分質(zhì)量分數(shù)n.89%,a,-灰分增加有可能會使燃料的結(jié)渣性增強對燃料的燃力個不利因素.2.3發(fā)酵沼渣制備成型燼料沼淹丿k縮成空所采用的條件及制取的成取燃料的松弛密質(zhì)見農(nóng)4.表4成型條件及成塑館料松弛密度Tablc4DcnsificationconditionsandrelaxeddensityofcomsUswpell*rcalslock庭霽MHlBnquettinglempcralurc/*CBriquet"ngprchiiutc/MPa松攜卅Rd口<kns>tyCoin1006Qini9jtrim

16、A血用濟1006Q1D4ISdidcifcsUlcAB綁卅漬100601.150SdidciUIcB衣4衣明,在相同的成型條件下.厭氧發(fā)酵處理町次捉禹成住燃料的密度.但短時間發(fā)酵影響并不顯薈隨著厭氣時間的廷長和降解率的堆加其作用逐漸顯現(xiàn)本試驗條件下發(fā)酵20d的沼渣制備的成業(yè)燃料的松弛密皮比木發(fā)酵秸稈的捉品r12.86%.而成型燃料密度吁成塑壓力之間具有宜接的關(guān)系.根據(jù)Mborode等的研究.XZ何的關(guān)系如下式所示P.a嚴式中.尸長小:成世爪力.”址成吃燃料密度.“和方是經(jīng)驗常效該式茨明,對于同一種原料.成熨燃料的密度BS著壓力的升髙呈指數(shù)增加.因此,在壓縮到相何密度的情況下.發(fā)酵改性秸稈比未發(fā)

17、醉常和所需的誡型壓力會百明討的下降.從而會便發(fā)酵改件購稈成業(yè)導(dǎo)致的設(shè)務(wù)燒損下降成醴能耗降低.對2類成勁燃料進行機械耐久性試驗發(fā)酵改性秸稈制備的成戰(zhàn)燃料的機械耐久性優(yōu)于未發(fā)酵秸稈戒型燃料.發(fā)酵10和20d沼渣成型燃料及未發(fā)酵WfF成型燃料在機械堿壞作用E的質(zhì)®損失率分別為1.234、0.80%和1.894.造成這種差片的原因除f3種燃料密度的；：別之外，還應(yīng)i!11功發(fā)»改性原料木質(zhì)素含壷的升高和抽捉物含fit的卜瓠尤其超發(fā)酵原料后2種特性的變化.不僅町以為捷高成32燃料的機械耐久性創(chuàng)造條件而II.還可以為保證其在低密度條件下的成申堆礎(chǔ).含水率島是制約生物質(zhì)成型的1個朋妥因索

18、.fl對沼浹含水申高的|nj題建議采取3方面的僻決措施:I)采用厭何干發(fā)醉件代濕發(fā)酵I藝：2)將擠壓臟I【渣與干燥的秸稈進行混合壓編成型S3加I成原料含水率耐受能力高的塊狀或棒狀成里燃料.這類成巾燃料允許廉料的金水率達到16%20*阿.3結(jié)論1) 秸利慶氣發(fā)酵話.保陽在沼渣中的能量人于轉(zhuǎn)移到沼氣中的能量.本試臉條件卜士米湖F厭氧發(fā)酵20d轉(zhuǎn)移到沼氣中的最大能彊僅占發(fā)酵原料所含能fit的釣1/3.H此.從實現(xiàn)秸稈的高效德源化利用角度烏lH應(yīng)該紳續(xù)開發(fā)利用秸稈沼渣的能梅價fit.2) 厭氧發(fā)酵眾苫改變了秸稈的物化待性.-些主要特性的改變有利于捉高秸稈的壓縮成熨n能和改善其燃燒件能。在本試弊條件下.發(fā)酵20d的秸稈與未發(fā)諄秸稈相比.木質(zhì)素含量增加31.3%.苯醇抽捉物含駅械少35.4乂.揮發(fā)物質(zhì)含朮卜降104%.但發(fā)酵20d后秸稈灰分含童是未發(fā)酵秸稈的3倍町能會使其結(jié)渣性増強.3) 在12%TS和中溫38C卜對主米牯樸發(fā)W20d.所產(chǎn)沼渣在成塑壓力6MPa和成型溫度1009卜加I.的成空燃料的松施密度達1.150g/cm比玉米秸稈血接加I的咸映燃料的松葩密皮l.()19g/cn?F12.86%.農(nóng)明發(fā)酵改進了秸稈的成型性能.可以降低達到同悴松弛密度誡住所需的壓力.從而達到節(jié)約試空能