生物质能与冷热电气联产耦合系统研究进展

当前冷热电联产系统广泛与生物质气化、生物质厌氧发酵、生物质直燃等生物质能利用技术相耦合。合理耦合后不仅能发挥生物质资源储量大、分布广、可再生、低污染、利用方式多样等优点,更因生物质资源相较太阳能、风能等独有的可运输、可储存特点,可轻松实现冷热电的高效稳定输出,克服当前太阳能、风能等可再生能源利用时,由于可再生能源自身固有的时间不稳定性、空间不稳定性所带来的系统稳定性差的问题。凭借高能源利用率、低污染、运行稳定等优点,将生物质能利用技术与冷热电联产系统耦合越来越受到研究人员的青睐。该文综述了耦合生物质资源能源化利用的冷热电气联产系统的发展基础、系统集成、系统运行模式、系统多维评价及系统优化,结合当前研究现状,从多方面预测了相关系统的发展方向,为相关系统的推广与发展提供参考。

温度-水分协同调控对枸杞枝条粉氮素转化及微生物群落特征的影响

以枸杞枝条粉为试材,采用双因素三因子设计,以尿素为氮源,研究温度-水分对枸杞枝条粉基质化发酵过程中发酵指标参数的影响,以期为西北地区枸杞产业循环发展新模式的探索提供参考依据。结果表明:在发酵期间各处理全氮含量均呈逐渐增加的趋势,翻堆温度上限对发酵嗜热期和温热期堆体全氮含量影响显著,在成熟期翻堆温度上限较高时(60~65℃)不显著,而温度上限较低时(55℃)翻堆堆体含水量对堆体全氮含量影响显著。堆体含水量下限(40%)和翻堆温度上限(65℃)较高时更有利于铵态氮的积累。翻堆温度上限稍低时(55℃)对硝态氮含量影响显著。翻堆温度上限(65℃)对嗜热期和温热期堆体有机物总量影响显著,含水量下限(40%)在发酵期间翻堆温度上限较高时(60~65℃)各处理差异不显著,但翻堆温度上限较低时(55℃)翻堆堆体含水量下限对堆体有机物总量影响显著。堆体含水量(50%)或翻堆温度(65℃)上限较高时更有利于脲酶活性、蔗糖酶活性、多酚氧化酶活性、碱性磷酸酶活性提升。在翻堆温度上限为60℃、堆体含水量下限为50%条件下Pseudallecheria和Lasiobolidium占比超过50%,基于PCA分析不同翻堆温度上限、堆体含水量下限对枸杞枝条发酵堆体微生物群落组成有一定影响,且翻堆温度上限为60℃、堆体含水量下限为50%与其他处理差异显著。因此。翻堆温度上限为60℃、堆体含水量下限为50%的条件更有利于枸杞枝条粉基质化发酵腐熟的正向进程。

基于UG动画仿真的喷雾机喷杆形变控制优化

在植保作业领域,为预防大田作物的病虫害,传统农业生产存在农药使用粗放、滥用问题,对农村生产、生活、生态“三生同步”工作开展造成了十分不利的影响。为进一步提高农药使用合理性,顺应绿色农业、精确农业、生态农业的发展理念,宽幅喷杆喷雾机逐渐具备了变量喷雾的技术特征。在生产实践中,耕地表面的地形、地势等不确定因素对喷杆喷雾机喷药架造成的振动、歪斜、变型等影响会明显降低喷雾覆盖精度,导致植保质量降低。为此,以我国生产常用的28m幅宽喷药架为研究对象,分析了喷药架的形变类型,利用UG软件仿真了喷药架变形后对喷雾质量的影响,并在分析动画仿真数据基础上有针对性地进行了喷药架结构优化与技术升级,且优化后的喷药架对于多种地形的适应性均得到提升。

连续式生物质热解炭化设备设计与试验

针对现有生物质热解炭化设备生产效率低、设备运行不稳定、生产连续性差及需引用外部热源加热致使耗能高等问题,采用热解可燃气回燃利用方案,设计了一种双筒回转连续式生物质热解炭化设备。详细介绍了生物质热解炭化设备的结构和工作原理,并进行热解炭化试验测试。试验表明,热解温度450℃、物料平均滞留时间30 min时,生物质热解炭化设备纯小时生产率103.8kg/h、生物炭得率34.6%和出炭温度47℃,各项性能指标均达到设计要求,可实现连续运行生产生物炭。

小麦-玉米轮作根茬燃烧热触杀防控土传病害的试验

针对秸秆和根茬直接还田导致作物土传病害重发和频发问题,采用自主设计的可控燃烧热触杀装备进行了试验研究,分析了不同运行工况下装备内的温度分布规律、热触杀后土壤中病原真菌与细菌的灭杀率及作物植株发病程度。结果表明:当进料速度为360~1800 kg/h时,装备可实现热触杀温度(117~167℃)和送风温度(62~172℃)的有效调控,炉膛内沿程烟气温度分布呈先增大后减小趋势,稳定燃烧时炉膛最高温度可达479℃,可保证燃烧效率持续处于较高水平。土壤中细菌比真菌的耐温性更强,117℃下细菌和真菌的灭杀率分别为53.33%和33.33%,132℃以上时两者的灭杀率均达到86%以上,167℃下可实现深度灭杀。与对照组相比,秸秆与根茬燃烧高温热触杀后田间玉米植株根部病情指数降低了34.1,该研究对实现作物连作土传病害的绿色防控具有重要意义。

添加微藻的水生动植物组合对畜禽养殖场污水净化效应

用正交试验方法研究了添加微藻后的不同水生动植物组合对畜禽养殖场污水的净化效果。结果表明微藻的添加对污水的脱氮除磷效果有促进作用,当小球藻的添加量为1000 mL时,对总氮、硝态氮、总磷的去除效果最好,比未添加小球藻组去除率提高4.8%、32.63%、22.18%;当小球藻的添加量为4.4×10^(6)cell·mL^(-1)时,对氨氮、COD的去除效果较好,比未添加小球藻组去除率提高25.77%、13.30%。其中去除水体总氮、硝态氮效果最佳组合为红鲫鱼270 g·m^(-2),小球藻2.2×10^(6)cell·mL^(-1),田螺400 g·m^(-2),黑藻200 g·m^(-2)。去除氨氮最佳组合为红鲫鱼540 g·m^(-2),小球藻4.4×10^(6)cell·mL^(-1),田螺200 g·m^(-2),添加黑藻和苦草(种植比例1∶1,密度200 g·m^(-2))。去除总磷TP最佳组合为红鲫鱼540 g·m^(-2),小球藻2.2×10^(6)cell·mL^(-1),田螺400 g·m^(-2),黑藻(种植密度200 g·m^(-2))。研究表明,应用正交试验可以优化水生植物组合对畜禽污水净化处理工艺,对于不同的目标污染物,具有不同的最优参数组合,综合考虑各因素对各目标污染物的去除效果的影响,可以选择污水净化工艺的最优参数组合,通过回收沼液养殖的微藻用于水生动植物组合进一步净化养殖场污水,实现废弃物资源化循环利用,对于污水深度处理技术具有良好的应用前景。

施加生物炭对土壤理化性质的影响及其农业应用

生物炭是以农业生物质为原料,在限氧条件下经高温热解制成的一类高度芳香化难溶性固态物质。在土壤固碳、温室气体减排、土壤改良及微生物应用等方面均具有潜在功效。总结近年来国内外在生物炭及其改性土特性和生物炭在微生物、环境、农业等领域的应用价值与发展前景研究,考虑生物炭基本性质,重点分析生物炭改性土理化性质、水-力特性与其基本性质相关关系以及生物炭技术应用前景。结果如下,①生物炭理化性质差异主要受制备生物炭的生物质原料和热解温度影响;②生物炭施加到土体中可改变土体理化性质,如:土体颗粒相对密度、孔隙结构和pH等,影响土体的水-力特性;③生物炭在农业、生态和环境领域的应用易受其孔隙率、比表面积和吸附性能等因素影响。研究综述添加生物炭对土体基本特性影响,指出目前研究不足,为更深入地了解生物炭技术应用及在新技术领域发展提供参考依据。

原料和热解温度对生物油分子蒸馏分离特性的影响

针对生物油组分复杂,难以直接应用的问题,该研究开展了不同生物油的分子蒸馏馏分分布规律的研究,并考察了不同原料和温度对生物油分子蒸馏分离特性的影响。热解液化试验结果表明,生物油组分以酸、醛、酮、酚、糖为主。随着热解温度的升高,松木生物油中轻质组分产率由21%不断降低至11%,而秸秆生物油中轻质组分产率稳定在20%左右。高温生物油各组分的平均分子自由程两极化程度加强,600℃制备轻质油蒸出比例最高,可以达到92%(松木)和86%(秸秆)。酚类化合物中酚羟基的数量可以影响其分离特性,较高的热解温度促进了酚羟基的产生,从而使酚类物质从蒸出部分(distillation fraction,DF)向残留部分(residual fraction,RF)中转移。分子蒸馏技术能够实现对不同生物油的有效分离,得到的DF中主要包含酸、酮和小分子酚类,RF则以糖和大分子酚为主,除了羟乙醛和苯并呋喃等化合物外,生物油中的大部分化合物的富集程度都可以达到90%以上。该研究可为快速热解生物油的分离及其后续提质研究提供一定的参考。

磷掺杂氮缺陷g-C_(3)N_(4)的合成及其光催化性能研究

以二氰胺和硫脲为混合前驱体,(NH4)2HPO4为磷源,采用热聚合联合快速高温法合成了磷掺杂氮缺陷石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4)),考察了前驱体配比、磷掺杂量和高温处理温度对g-C_(3)N_(4)结构和光催化活性的影响。结果表明,硫脲与二氰胺质量比为6∶4,磷掺杂量为5%,高温处理温度为700℃时,得到样品(DS60-5%-700)光催化性能最优。其在60min时对亚甲基蓝的降解效率为96.15%,分别较DS60-5%和DS60%提升了1.24倍和1.5倍。P掺杂和快速高温处理降低了g-C_(3)N_(4)的带隙值,扩宽了可见光的吸收范围,同时在g-C_(3)N_(4)结构中进入了氮缺陷,促使光生载流子的有效分离。

基于温室酿热补气的棚体式发酵装置应用研究

[目的]为解决目前我国农业废弃物数量庞大、资源化利用率低,以及冬季寒冷地区设施蔬菜生产温度低、CO_(2)不足等问题,本文设计出一种棚体式生物质发酵装置。[方法]该装置包括发酵棚体(长6 m、宽5 m、脊高2.8 m)、强制换热装置、室内加热管道3部分。以玉米秸秆和羊粪为原料进行分层堆放发酵,探究发酵装置的酿热性能,对设施温室热环境、气体环境和生产的影响,以及经济效益。[结果]该发酵装置内堆体的温度50℃以上共计65 d,产热效率达到74.94%;与对照温室相比,温度高1.04℃以上;堆肥发酵过程中,使用气体过滤装置及CO_(2)回收系统,其全球增温潜势(GWP)指数下降96.98%;与对照温室相比,CO_(2)浓度增加2270.58 mg·m^(-3);加热区番茄的可溶性蛋白和维生素C含量分别比对照区增加24.6%和29.2%,番茄红素含量比对照区增加71.3%。生物发酵装置运行可提高单株产量5.99%。增加收入8712元。[结论]寒冷地区应用棚体式生物质酿热装置可为日光温室提供热量和作物生长所需的CO_(2),而且生产应用价值较高。

基于文献计量学的玉米秸秆利用及关键共性技术分析

为促进玉米秸秆全价值利用,该研究以中国知网(CNKI,China national knowledge infrastructure)数据库和Web of Science(WOS)核心数据库作为数据来源,利用知识图谱可视化软件,绘制玉米秸秆利用领域的知识图谱,以便全面了解玉米秸秆利用领域的研究现状和发展趋势,总结其面临的主要问题,并在此基础上深入挖掘分析玉米秸秆利用关键共性技术。玉米秸秆利用研究大致可分为1990—2007年及2008—2022年两个阶段。在后一阶段,各研究团队逐渐构成以肥料化、饲料化为主,燃料化为辅的玉米秸秆利用研究体系。经文献梳理发现,玉米秸秆利用研究大致经历了3次阶段性热点迁移,每次变化时长约为10a;中国玉米秸秆利用研究已取得较多成果,主要集中在秸秆还田和生物质能源生产方面;通过对知识图谱综合分析发现,玉米秸秆利用的热点方向包括生物质能源生产、土地改良和保护、畜牧业发展和饲料生产。最后,知识工程和归纳法分析结果表明,玉米秸秆利用技术仍存在收运不及时、还田质量低、秸秆制饲料技术不成熟、能源化技术成本高和附加值低等瓶颈。故在农业废弃物资源化利用这一国家重大需求驱动下,该文主要关注并分析了未来研究应重点聚焦的13项玉米秸秆全价值利用关键共性技术。该研究可为促进中国玉米秸秆全价值利用提供参考。

基于生物基衍生有机溶剂的木质纤维素预处理研究进展

木质纤维素类生物质是地球上最丰富的可再生资源,但纤维素、半纤维素、木质素三组分之间复杂的键合结构限制了其有效的转化利用。有机溶剂预处理是消除这种顽抗性的有效方法,其能有效拆解三组分、提高纤维素酶水解性能,并回收高纯木质素组分。随着对溶剂绿色和可持续性的要求,预处理有机溶剂正逐渐向生物基衍生溶剂方向发展,近期已有多种新型的生物基衍生溶剂预处理的报道。本文系统综述了基于Hansen溶度参数理论和CHEM21绿色溶剂指南的有机溶剂预处理体系设计,分别归类为均相体系、两相体系和多元相转化体系,归纳了生物基衍生预处理有机溶剂应用的研究进展,在此基础上探论了生物基衍生溶剂预处理面临的挑战和应用前景,以期为木质纤维素类生物质的有机溶剂预处理体系的设计和选择提供参考。

小型搅拌热解气回燃式生物质炭化炉设计与试验

针对传统炭化工艺温度不均、尾气净化难、能量消耗大的问题,设计了一种小型搅拌热解气回燃式生物质炭化设备。采用双螺旋带搅拌,使生物质横向对流,受热均匀;设计热解气引流装置使其回流至燃烧室引燃,减少热解气排放的同时,为生物质炭化提供能量,降低了炭化能量投入。基于计算机仿真技术建立了样机模型,并对炭化炉温度场及热流场进行了矢量分析,计算结果表明炉内温度分布均匀。设计了炭化炉样机,以稻壳为原料进行生物质炭化试验。结果表明,热解气引燃后炭化室温度能够保证生物质炭化所需条件。正交试验结果表明,最佳炭化率因素水平组合为:螺旋搅拌器转速为43 r/min、炭化室物料充满系数为88.68%、炭化时间为15 min,此时,炭化率最高为50.86%。

高温烟气热触杀土壤病草害装备设计与试验

【目的】针对农作物秸秆和根茬直接还田导致农田病草害加剧问题,设计了一种高温烟气热触杀土壤病草害装备,以实现秸秆和根茬能源化利用与土传病草害绿色防控的有机结合。【方法】装备主要由进料系统、炉膛、空气预热器、热触杀系统、供风系统和控制系统等组成,并对所设计装备的炉膛、预热器及热触杀烟道等关键部件进行了设计验证。【结果】在进料量约为360 kg·h^(-1)条件下,装备能够稳定燃烧,炉膛温度最高达到500℃以上,出料口土壤温度为(72.6±6.0)℃。依据热平衡试验,装备热效率约为48.7%;经田间试验验证,该灭杀工艺对杂草雀麦的灭杀率达95.5%以上,下茬玉米茎基腐病的病情指数下降了34.10。【结论】经设计验证后的装备能够稳定燃烧,土壤热触杀后的温度满足灭杀需求,草害得到有效控制,玉米病情指数显著降低,为田间病草害热物理防控提供了理论和技术支持。

蒸汽烫漂与热风干燥箱流场优化设计及仿真

农产品的烫漂与干燥是农产品加工的关键技术。农产品蒸汽烫漂与热风干燥箱是集烫漂与干燥一体的新型农产品绿色保质低碳智能干燥技术装备。农产品蒸汽烫漂与热风干燥箱内部流场均匀性直接影响着农产品烫漂与干燥效果。为提高其内部速度均匀性与温湿度均匀性,同时减少冷凝现象发生,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法建立蒸汽烫漂与热风干燥箱模型,对其送风方式和送风口数量进行研究。结果表明:侧送侧回的送风方式在速度场以及温湿度场的均匀性总体优于上送下回,能量利用系数提高约18%,箱内壁面冷凝面积小于上送下回。仿真研究表明,当送风口数量为4个时,箱内的温度场和相对湿度场均匀性更好,能量利用系数最高。试验表明,蒸汽烫漂与热风干燥箱的试验值和仿真值最大温度偏差为2.3℃,相对湿度误差不超过1.3%,误差在合理范围内,仿真结果可靠,研究结果可为农产品低碳智能干燥新技术的研究提供参考。

坝上地区莜麦秸秆热解特性研究

为实现高寒坝上地区农作物秸秆高效清洁燃烧,文章选取典型莜麦秸秆作为研究对象,通过混合气体模拟烟气燃烧过程中的热解气氛环境,采用热重分析仪研究空气和N_(2),CO_(2),O_(2)不同比例组成的混合气体氛围下热失重特性以及升温速率对其影响,采用AKTS软件进行动力学分析。结果表明:莜麦秸秆热解过程可分为干燥(30~140℃)、挥发(140~370℃)、炭化(370~900℃)3个阶段;气体氛围主要影响热解的炭化阶段,对干燥和挥发阶段影响较小;升温速率影响挥发和炭化阶段,升温速率越快,反应速率越大;当热解气氛为15%O_(2)-5%CO_(2)-80%N_(2)混合气体(气体2)时,热解过程所需活化能最少,平均活化能为139.86 kJ/mol。研究结果可为高寒坝上地区生物质秸秆能源化利用提供一定理论依据。

基于离散元法的香菇菌渣颗粒仿真物理参数标定

为确定不同含水率香菇菌渣颗粒在离散元仿真模拟中多种参数准确性,采用离散元软件EDEM中EEPA接触模型进行仿真模拟,标定不同含水率香菇菌渣颗粒间离散元参数的方法。首先使用Design-Expert软件中的PlackettBurman试验,选取影响香菇菌渣颗粒堆积角的9个基本参数,根据方差分析结果表明,其中6个基本参数对堆积角具有显著影响;其次通过最陡爬坡试验进一步确定这6个显著影响基本参数最优值区间范围;最后根据响应曲面Box-Behnken试验建立香菇菌渣颗粒堆积角与这6个显著影响基本参数之间的二次多项式回归模型,并对回归模型进行方差分析,分别得到不同含水率香菇菌渣颗粒堆积角模型参数最优解。试验结果表明,最优解仿真模拟所得堆积角数值与物理试验数值相对误差范围在0.11%~0.89%之间。

常压下酸催化多元醇液化纤维素反应机理的研究

开发农林废弃物高值化利用路径与“深入推进能源绿色低碳转型”国家重大战略需求高度契合。实验探索农业废弃物玉米秸秆中纤维素组分常压酸(H3PO4)催化多元醇[丙二醇(PG)与二甘醇(DEG)混合液]液化反应路径为研究目标,了解酸催化多元醇作用条件下的木质生物质液化反应机理。采用傅里叶红外光谱(FTIR)、凝胶渗透色谱(GPC)、核磁共振波谱(NMR)及热重分析(TGA)对不同反应时间下纤维素液化所得生物油的化学基团、分子量及其分布、分子结构、热解等进行了分析。FTIR检测表明,不同反应时间所得生物油具有相似FTIR特征;液化初期,纤维素降解生成了较多的烃类、醚类和含羰基化合物;液化后期,纤维素中的糖类降解产物、羟基或烯烃与PG/DEG反应生成了难溶于1,4-二氧六环的有机物。GPC分析表明,随着液化的进行,纤维素分子链发生断裂程度加剧,降解生成低分子量(LMW)物质越来越多,降解反应占主导地位;而当反应时间达到某一值时,其降解产物与PG/DEG发生聚合反应产生越来越多的大分子量物质,使生物油的分子量不再降低,即聚合反应占主导地位。^(1)H-和^(13)C-NMR表明,纤维素在液化作用下发生降解使得分子链断裂,仍保留了部分葡萄糖单元结构;随着液化反应的进行,这些结构单元再次发生转化产生LMW化合物;反应继续进行时,这些产物之间或与PG/DEG之间可进行聚合反应,形成结构趋于一致、性质逐渐稳定的新物质。TGA分析结果:生物油中含有70%~85%碳数小于25和5%~10%碳数高于25的化合物,最终残炭率随着反应时间的延长先降低再升高。实验通过研究纤维素在多元醇液化过程中的结构变化,揭示其液化的反应历程,为探索秸秆全组分的液化机理奠定理论基础。

高温强化牛粪高浓度厌氧发酵协同抗生素抗性基因削减

为提高畜禽粪便厌氧发酵(anaerobic digestion, AD)效率并促进其在高有机负荷条件下稳定运行,探究厌氧发酵过程中抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的消长机制。通过序批式试验研究了中温35℃和高温55℃对牛粪高浓度(12%TS)厌氧发酵产气性能、功能微生物群落及ARGs消长的影响,挖掘不同因子与ARGs的相互关系;实验证明:牛粪高固浓度发酵系统在高温55℃条件下具有更好的产气性能,甲烷产量提高17.27%。中温发酵过程VFAs的组分主要为乙酸和丙酸,二者约占VFAs的55.58%,其中丙酸积累量高,转化慢,系统出现短暂酸化状态。而高温发酵体系的稳定性及抗酸能力更强,高温改变了发酵过程中的优势细菌属,增加了Acetivibrio、Petrimonas、Methanothermobacter等微生物的丰度从而增加产气量,维持了产酸菌和产甲烷菌的动态平衡。相比中温(35℃),高温(55℃)发酵更能促进ARGs(尤其是aph(6)-Id、aph(3″)-Ib和sul1)相对丰度的削减。提高温度可显著提高厌氧发酵体系的产气性能,增加稳定性;微生物群落变化是ARGs消长的主要驱动因子。该研究结果可为畜禽养殖粪污厌氧发酵的工艺优化提供参考。

多腔室秸秆原位炭化还田设备设计

原位炭化还田技术可将田间秸秆就地直接转化为生物炭,改善土壤结构,解决秸秆直接还田腐解慢、出苗率低、病虫害严重等问题。但目前炭化还田设备仍存在炭化不均匀,运行稳定性差,生产效率低等问题。该研究基于精准控氧控温炭化要求,在前期样机基础上,创新研发了立式多腔限域式炭化反应器,研制强化物料定向流动的多翅片型扰动部件,并运用ANSYS Workbench进行仿真模拟和结构优化,研制热解气清洁燃烧及高温烟气换热回用系统,集成秸秆捡拾粉碎系统及田间作业机具,研制立式多腔室秸秆原位炭化还田设备。以玉米秸秆为原料进行炭化试验,设备秸秆处理量为500 kg/h,生物炭产率为125 kg/h,固定碳含量为50.30%,系统能量利用率为70.66%,产出的炭达到Ⅰ级生物炭还田标准,燃烧烟气中颗粒物、NO_(x)、SO_(x)等排放均满足国标要求,整机系统运行稳定,满足设计标准,为秸秆直接炭化还田提供了技术及装备支撑。