酒糟沼气化利用的基础研发

酒糟是酒精工业和酿酒工业的废弃物,通过厌氧发酵不仅可以解决酒糟废弃物污染的问题,还可以提供能源,并且经厌氧发酵后的沼液、沼渣还可以用作生物肥。开展了中温（37℃）条件下的酒糟厌氧发酵产生沼气研究,并分析了厌氧发酵前后物料组成变化及酒糟沼液作为生物液态肥的可行性。结果表明：四种酒糟的沼气产量从高到低依次为玉米燃料乙醇酒糟、酱香型白酒酒糟、浓香型白酒酒糟、木薯燃料乙醇酒糟,对应的产气量分别为607.4、578.7、434.2、122.3 ml·g^-1（以VS计）;各酒糟厌氧发酵产沼气的甲烷体积分数均在60%～70%之间;酒糟的沼气产量与其VS降解率呈正比;酒糟发酵液各元素及离子含量符合生物液态肥标准,是一种很好的生物液态肥原料。     

酒糟沼气化利用的基础研发

酒糟是酒精工业和酿酒工业的废弃物,通过厌氧发酵不仅可以解决酒糟废弃物污染的问题,还可以提供能源,并且经厌氧发酵后的沼液、沼渣还可以用作生物肥。开展了中温(37℃)条件下的酒糟厌氧发酵产生沼气研究,并分析了厌氧发酵前后物料组成变化及酒糟沼液作为生物液态肥的可行性。结果表明:四种酒糟的沼气产量从高到低依次为玉米燃料乙醇酒糟、酱香型白酒酒糟、浓香型白酒酒糟、木薯燃料乙醇酒糟,对应的产气量分别为607.4、578.7、434.2、122.3 ml·g?1(以VS计);各酒糟厌氧发酵产沼气的甲烷体积分数均在60%~70%之间;酒糟的沼气产量与其VS降解率呈正比;酒糟发酵液各元素及离子含量符合生物液态肥标准,是一种很好的生物液态肥原料。     

稻壳生物炭的制备及性质表征

以稻壳为原料制备两种不同温度(350℃、550℃)生物炭,并对其理化特性进行表征,结果表明:550℃下制备的稻壳炭中C元素和灰分含量高于350℃稻壳炭,而氢、氮、氧元素含量较低,H/C和(N+O)/C值均低于350℃稻壳炭,说明较高温度下制备的生物炭碳化较为完全,芳香化程度较高、极性较低。稻壳生物炭具有丰富的管状结构和孔状结构,生物炭表面含有丰富的官能团如羟基、羧基、醚键、酯羰基等,较低温度下制备的生物炭中醚键基团和脂肪族物质较多,较高温度下制备的稻壳炭芳香性较强,含酯羰基基团较多。     

外源H2对沼气发酵体系的影响

以水稻秸秆为原料,在30 L搅拌发酵罐中55℃下进行厌氧发酵产沼气实验,探索外源H₂的连续导入对发酵过程的影响。结果表明：外源H₂的导入可以实现沼气的原位提纯,CH₄相对平均体积分数从69.6%可提高到94.4%（搅拌速度100 r·min^-1）,同时CO₂相对平均体积分数从30.4%降低至5.6%（搅拌速度100 r·min^-1）;对比无搅拌的小试装置,搅拌速度为50 r·min^-1时,搅拌可将外源H₂的利用率从91.0%提高到93.1%,转化率从85.0%提高到96.8%;外源氢的导入可明显促进丙酸、丁酸和异丁酸的降解,可有效地避免发酵过程中VFAs的累积问题,同时搅拌的加强对发酵体系乙酸分解产CH₄和沼液中CO₂的消耗也有明显的促进作用,最终使得沼液的pH略有上升;外源H₂的通入与搅拌改变了发酵系统内的微生物群落组成比例,但并未对系统内的产CH₄微生物群落结构产生明显的影响。     

利用外源氢气纯化升级沼气的研究进展

沼气发酵过程存在产气速率低和甲烷浓度低两个普遍问题。从甲烷生成的反应机理来看,如果提供充足的氢气,能够把沼气中的CO₂成分转化为CH₄,既提高了甲烷的产量,又提高了甲烷的浓度。介绍了最近国内外在这个方向上的探索性研究成果。实验表明,利用外源氢气确实可以纯化升级沼气,在一定条件下还可以达到生物甲烷的品质（即CH₄浓度高于95%）。分析了这项技术实用化需要解决的两个关键问题：强化H₂气液传质及获取廉价氢源。最后,对这个方向进行了展望,并提出了一个光电催化产氢与厌氧发酵产甲烷耦合的设想方案。     

固体高分子脱硝剂选择性非催化还原NOx特性

在流化床反应器中研究了固体高分子脱硝剂选择性非催化还原(PNCR)脱硝效率、影响因素及反应机理。结果表明,固体脱硝剂炉内发生非催化还原反应,在850～1150℃范围内,随着温度升高,脱硝效率逐步增加,在950℃达到最佳(97%左右),之后脱硝剂主要受高温氧化反应的影响,脱硝效率下降。氧气不利于脱硝反应,随着氧气的增加,脱硝效率逐渐降低;水蒸气加入能减弱O₂的氧化作用,延迟脱硝剂的高温氧化反应。固体脱硝剂热分解过程的O元素主要以CO₂形式析出,N和C元素生成NH、CH₂和CN等自由基,CH₂和CN则通过与O₂、O和OH反应而消耗炉内强氧化性基团,抑制NO的生成,加快NH等自由基与NO还原反应而实现高效脱硝。该研究结果为高分子脱硝技术的应用提供了理论支撑和技术参考。     

微波吸收剂辅助吸波快速热解稻壳的气化特性

以稻壳为研究对象,采用碳化硅、残炭为微波吸收剂,运用新型微波辅助催化气化技术以及微波吸附剂辅助加热技术,研究微波吸收剂辅助吸波快速热解稻壳气化特性,通过气相色谱等手段对裂解气体进行分析。结果表明,微波吸收剂辅助吸波快速热解稻壳产物以气体为主,最高达53%,热解气体产物主要成分为H₂、CO₂、CO、CH₄,占到纯热解气总量的97%以上,氢气体积分数最高,均高于38%。稻壳与残炭添加量质量比为1:1时,氢气体积分数可达48.12%,合成气(H₂+CO)含量大于60%。研究结果证明了微波吸收剂辅助吸波快速热解稻壳气化制备富氢燃气的可行性。     

木屑炭高温CO2气化特性研究

在高温固定床反应器中,以木屑炭为原料,进行木屑炭CO₂气化的特性研究。考察了气化温度和CO₂流量对燃气各组分体积分数、热值、固体产率、产气率的影响。结果表明：随着气化温度从750 ℃升高到950 ℃,CO体积分数明显增加,CO₂体积分数明显减少,燃气热值增加较明显,而从950 ℃升高到1 050 ℃时,燃气热值增加趋势减缓。CO₂作为气化介质,随着其流量增加,固体产率减少,气体产率增加,燃气组分中CO₂体积分数明显增加,CO体积分数先增加后减少,燃气热值先增大后减小。CO₂流量为15 mL/（min·g）时,燃气热值最大。气化温度950 ℃、CO₂流量15 mL/（min·g）为较佳的气化条件,此时气化制备的气体中CO体积分数为51.51%,CO₂体积分数为37.99%,燃气热值为8.03 MJ/m³,产气率为0.78 L/g。     

一维直孔道MOFs对CH4/N2和CO2/CH4的分离

非常规天然气未来可以作为常规天然气的有效补充,其中低浓度煤层气和生物质燃气分别需要脱除大量的N₂ 和CO₂以达到富集和纯化CH₄的目的。本研究针对CH₄/N₂这一对较难分离的气体组合,选取了具有一维菱形孔道的MOFs材料Cu(INA)₂作为吸附剂,将合成的样品做了XRD和TG表征,测试了纯气体CO₂、CH₄和N₂的吸附曲线,利用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)分子模拟和理想吸附溶液理论(IAST)计算了气体的吸附热和该材料对于CH₄/N₂和CO₂/CH₄的吸附选择性系数;3 MPa压力下制备的颗粒样品填装吸附分离装置,进行了混合气体CH₄/N₂ (50%/50%)和CO₂/CH₄ (50%/50%)的穿透试验,分离的结果显示,Cu(INA)₂不仅高选择性地吸附CH₄/N₂混合物中的CH₄(S_CH4/N2=10),而且对CH₄/N₂的分离效果优于CO₂/CH₄。     

水稻秸秆渗滤床半固态厌氧发酵性能研究

以水稻秸秆为原料，利用自行设计的渗滤床反应器，对比研究了不同温度（20、25、30和35℃）及不同预处理方式（NaOH、生物试剂和沼液）对秸秆厌氧发酵产气性能、物能转化率、发酵后沼液性能和产气成本等方面的影响。实验结果表明：发酵后总固体（TS）质量分数稳定在13%~15%之间，属于半固态厌氧发酵，同时累积产气量与温度、发酵后COD及NH₃-N的变化量均呈极显著正相关。相同温度（20~30℃）条件下，经预处理后的水稻秸秆TS产气率较空白均有所提高；其中沼液预处理效果最为明显，35℃条件下，TS产气率及挥发性固体（VS）产甲烷率分别为154.0和55.2 mL/g，较空白样品分别提高25.1%和52.5%。同时，沼液预处理可显著提升厌氧发酵产气中的甲烷体积分数。各预处理样品TS产甲烷率及VS产甲烷率呈随温度（20~30℃）上升而增加的趋势，但产甲烷提升率随温度的上升而逐渐下降，将系统温度从20℃提升至25℃，各处理产甲烷率可提高90%以上。考虑到沼气工程罐体增温及产能收支平衡等因素，温度控制在25℃是经济性最好的策略模式。从产气成本上分析，自产沼液具有较佳的处理效果和较低的生产成本，每生产1 m³沼气的可变成本1.62元。     

Solid oxide fuel cells in combination with biomass gasification for electric power generation

Biomass, a source of renewable energy, represents an effective substitute to fossil fuels. Gasification is a process that organics are thermochemically converted into valuable gaseous products(e.g. biogas). In this work, the catalytic test demonstrated that the biogas produced from biomass gasification mainly consists of H_2,CH_4, CO,and CO_2, which were then be used as the fuel for solid oxide fuel cell(SOFC). Planar SOFCs were fabricated and adopted. The steam reforming of biogas was carried out at the anode of a SOFC to obtain a hydrogen-rich fuel.The performance of the SOFCs operating on generated biogas was investigated by I–V polarization and electrochemical impedance spectra characterizations. An excellent cell performance was obtained, for example,the peak power density of the SOFC reached 1391 mW·cm~(-2) at 750℃ when the generated biogas was used as the fuel. Furthermore, the SOFC fuelled by simulated biogas delivered a very stable operation.     

Ni-CeO2-K/γ-Al2O3催化剂上沼气联合重整制合成气

采用超声波辅助等体积浸渍法制备Ni-CeO₂-K/γ-Al₂O₃催化剂用于沼气联合重整反应，采用 BET、XRD、TG/DTG等技术对催化剂性质进行了表征，在微型固定床反应装置中研究了反应温度、体积空速、原料气组成等对沼气联合重整反应特性的影响，并对催化剂的稳定性进行了研究。结果表明，助剂CeO₂的加入，提高了催化剂中Ni的分散度，降低了催化剂还原温度。升高反应温度和减小体积空速，能够提高沼气中CH₄和CO₂的转化率；原料气中加入水蒸气，能够明显提高H₂/CO体积比；加入的O₂容易与H₂、CO发生反应，CH₄转化率稍有提高。在常压、反应温度850℃、体积空速为100000h^-1、摩尔比CH₄∶CO₂∶H₂O∶O₂∶Ar=1∶0.5∶0.5∶0.1∶0.01的优化条件下，沼气中CH₄转化率超过95%，CO₂转化率超过75%，生成合成气H₂/CO体积比约为1.6，反应48h后，催化剂未见积炭，保持稳定的活性。与沼气干重整相比，沼气联合重整不利于沼气中CO₂的转化。     

沼渣制备生物炭吸附沼液中氨氮

以生物产甲烷的副产物沼渣为原料,用5种不同的方法通过化学活化法制备生物炭,实验结果表明5种生物炭对沼液中的氨氮都有吸附效果,而氢氧化钾活化制备的生物炭（KOH-CC）对氨氮的吸附效果相对较好,吸附剂对氨氮的吸附符合准二级吸附动力学,吸附等温线表现为Langmuir型,通过拟合计算最大吸附容量能达到120 mg·g^-1。对生物炭进行BET、扫描电镜及红外等表征,分析了KOH-CC生物炭吸附氨氮过程的作用机理。     

稻草秸秆厌氧干发酵产沼气的工艺参数优化

以稻草秸秆为原料,沼气产量和甲烷产量为指标,采用4因素3水平的正交实验设计方法对沼气发酵工艺参数优化配置进行了实验研究,结果表明原料碳氮比（C／N）、发酵料总固体浓度（TS）、发酵温度（T）、pH值对沼气发酵均有不同程度的影响,其中,发酵温度和pH值对沼气产量和甲烷产量的影响显著。最优工艺条件为原料碳氮比25：1,固体浓度25％,发酵温度35℃,pH值7．5。     

碳分子筛变压吸附提纯沼气的性能

选择碳分子筛,以CH₄和CO₂为原料气,对变压吸附法提纯沼气中生物甲烷的分离性能进行了研究。采用高精度智能重量分析仪IGA-100测定了25℃下CH₄、CO₂和N₂纯组分气体在碳分子筛上的吸附平衡等温线,计算了3种气体在碳分子筛内的扩散速率CO₂>N₂>CH₄。使用单塔变压吸附装置测量了动态吸附穿透曲线,考察了吸附压力、气体流量和少量氮气等因素对吸附分离的影响,并对吸附机理做了初步探讨。实验结果表明,在吸附压力为0.4MPa、气体流量为200mL/min时,在碳分子筛上CO₂穿透吸附量为35.9mL/g,CH₄穿透吸附量为5.4mL/g,CO₂/CH₄分离系数高达12.6,可直接从吸附塔顶富集纯净的CH₄,而且碳分子筛可以通过抽真空完全再生,是一种理想的吸附材料;在有少量氮气存在的实验条件下,由于碳分子筛对CH₄和N₂具有动力学分离效应,仍能在塔顶富集高浓度的CH₄。     

Desorption isotherms and isosteric heat of anaerobic fermentation residues

This paper presents the equilibrium desorption isotherms and the isosteric heat of sorption of a mixture containing mechanically dewatered fermentation residue (obtained from a blend of chicken, swine and cattle manure) used in biogas plants and corn spoiled silage in a ratio of 2:1. The moisture desorption isotherms of the fermentation residue were determined at 32℃, 40℃ and 80℃ and in the relative humidity range of 0.057/1 using static gravimetric method. Mathematical equations were used to analyze the desorption data of Modified Henderson, Modified Halsey, Modified Oswin, Modified Chung-Pfost and Modified GAB models. The constants of the model equations were calculated by non-linear regression analysis. The Modified Henderson model fitted to the desorption isotherm data well. Using the proposed function, the final moisture content of the material can be determined as long as it can be dried in infinite time with the drying gas in the given conditions. The isosteric heat of desorption was calculated by using the Modified Henderson model in the studied temperature range based on the Clausius-Clapeyron equation. The isosteric heat varied between 46 kJ·mol^-1 and 67 kJ·mol^-1 at moisture levels 1.91 < X_e < 4.05 kg_H2O·kg_dP^-1 for the material.