厌氧干发酵对秸秆压缩成型的促进作用机理与调控机制研究

Rapid wear of densified biofuels (DBF) equipment and poor mechanical durability of DBF are the two major obstacles caused by the straw itself complex physical, chemical and biological structures for DBF production using straw, which hinders the application of the technology. General pretreatment technologies breaking the structural obstacles has high energy consumption or energy loss problems. Based on synergistic components conversion and utilization, this project proposes a new research idea that anaerobic dry fermentation improve the densifying properties. Anaerobic fermentation can raise lignin content, improve biological structure and reduce hydrophobic component that can weaken the mechanical durability of DBF, which makes DBF with strong mechanical durability producted under lower temperature and pressure conditions, as a result, the problem of rapid wear of equipment is solved. Low energy consumption and gaseous fuel production can avoid energy loss. According to the technical route, this project intends to establish an evaluation parameter system about densification performance，quality of DBF and energy efficiency. On this basis the mechanisms that densifying characteristics of straw are improved by anaerobic fermentation and how to establish DBF-oriented regulation mechanism of straw anaerobic fermentation for DBF production with technical and economical competition are studied. This research will provide a theoretical support for new straw conversion technology applications and promote the development of straw DBF industry.

成型设备快速磨损和成型燃料机械耐久性差是制备秸秆成型燃料技术应用的主要障碍，原因在于秸秆自身复杂的物理、化学及生物结构，传统的破解该结构的预处理技术存在能耗高或能量损失的问题。基于秸秆全组分分类协同转化利用的思想，本项目提出了通过厌氧干发酵提高秸秆的压缩成型性能的研究思路：厌氧发酵可以提高木质素的相对含量，改善生物结构，降低削弱成型燃料机械耐久性的疏水性组分的含量，从而在较低的温度和压力工况下制备出机械耐久性强的成型燃料，解决设备快速磨损问题，厌氧干发酵能耗低，产出的气体燃料可以回收，避免了能量损失。围绕该思路，本项目拟建立评价厌氧发酵改性秸秆成型性能、成型燃料质量和系统能效的指标体系，以此为基础研究厌氧发酵促进秸秆压缩成型的机理，建立技术上和经济上具备竞争性的面向秸秆成型燃料制备的厌氧发酵改性定向调控机制。通过研究为项目所提出的秸秆新型转化技术路线的工程应用提供理论支撑，推进秸秆成型燃料产业的发展。

秸秆成型燃料是我国生物燃料发展的一个重要方向，成型能耗高、成型燃料质量差、成型设备磨损严重是制约该项技术发展的主要问题，而秸秆成型性能差是导致这些问题的关键，因此，本项目开展了厌氧发酵改性提高秸秆成型性能的研究。.首先系统研究了厌氧发酵改性对秸秆物化特性和成型性能的影响，探讨了微生物自身对促进秸秆成型的作用。研究结果表明，厌氧发酵提高了秸秆木质素的含量，降低了木质素的分子量，减少了脂肪、蜡和树脂的含量，改变了秸秆的流变特性。成型试验表明，与未改性秸秆成型相比，改性可以提高秸秆成型燃料的密度和强度，其中强度的最高增加幅度超过50%，说明发酵改性可以显著提高成型燃料的质量。发酵后进入秸秆内的微生物对秸秆的成型存在促进作用，这种作用一方面源于微生物自身的粘性成分，另一方面在于微生物在秸秆孔隙中的填充作用。.在上述研究基础上，提出了厌氧发酵改性促进秸秆成型的机理，该机理包括以下6个要点：①厌氧发酵增加了秸秆中天然粘结剂的含量，粘结剂含量的增加提高了秸秆颗粒间的“固体架桥”作用；②厌氧发酵降低了抽提物的含量，从而减轻了这些组分对秸秆颗粒之间结合的阻碍作用；③厌氧发酵破坏了秸秆的生物及细胞结构，不仅为秸秆颗粒提供了更多的结合位点，而且细胞结构的破坏有利于粘结剂组分的析出；④发酵过程使得秸秆发生软化作用，该作用使得秸秆的弹性变形性能降低；⑤发酵使得木质素分子量降低，这有利于提高木质素分子在纤维之间的分散性；⑥厌氧发酵微生物的存在为秸秆颗粒提供了更多的接触位点，且能提高颗粒之间的粘结力。.结合改性促成型的作用机理，项目开展了发酵改性调控机制研究。提出了以干发酵为主要改性方法的思路，并通过试验对发酵调控参数进行了优化：发酵总固体含量为20%TS，秸秆与接种物配比（S:I）为2:1。.再者，研究并提出了发酵改性秸秆与未改性秸秆混合成型的工艺。制备相同密度和强度的燃料情况下，混合成型可以降低对温度和压力的需求，混合成型可以使成型能耗降低30％以上。.最后，在成型设备上对高水分含量的改性秸秆进行了成型试验。结果表明改性秸秆成型所能耐受的水分上限提升到了40%。这启示我们：如果能够将秸秆改性后湿压成型，对解决制约秸秆成型的水分问题，成型设备磨损问题，以及能耗问题都会带来革命性的突破，并很有可能开发出一项全新的成型工艺，值得深入研究。