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[硕士论文] 张继宇
环境工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:目前全球的能源消费结构依然是以化石能源为主,寻找代替的能源刻不容缓。生物质能作为资源最为丰富的可再生能源之一,近年来已经被世界各国学者所重视。然而,仅凭借常见的有机废弃物不足以满足生物质能源发展的原料需求。因此,能源作物进入了大家的视线。我国有大量的边际性土地不能开垦为耕地,但可以种植能源作物,去填补生物质能源的原料空缺。本课题探究了一种典型的能源作物——柳枝稷的厌氧消化性能,并系统地比较了各种预处理的处理效果,探究了最佳的厌氧消化操作条件,利用热解对实验产生的沼渣进行了处理并对能量回收进行了评估。
  首先,比较了NaOH、KOH、Ca(OH)2、H2O2、HCl、H2SO4和蒸汽爆破7种预处理方法在厌氧消化性能提升上对柳枝稷的影响。结果表明本文选取的所有预处理方法在室温(20℃)下均能对柳枝稷的厌氧消化性能进行改善,效果最好的是4%NaOH溶液,累积甲烷产量达到了197.2mL gvs-1,相比未预处理的柳枝稷提升了325.61%。此外3%KOH溶液也有很好的处理效果并且对环境更为友好。Ca(OH)2和蒸汽爆破预处理虽然产气效果提升一般,但能够明显缩短厌氧消化迟滞期时间。
  其次,根据上文实验结果,采用响应面法,系统地研究了3%KOH溶液室温预处理的柳枝稷在不同进料有机负荷、接种比和初始pH值下的厌氧消化产气性能。进料有机负荷从3提升到27.3gVS/L会使甲烷产量提升,随后稍稍下降。在所选区间内,接种比与甲烷产量之间呈现负相关趋势,接种比0.5为最优条件。对于pH值,从5提升到到9,甲烷产量先上升后下降。响应面法模型给出最优化条件为进料有机负荷27.30gVS/L,接种比0.5,初始pH值6.96,在此条件下可以得到299.5mL gvs-1的累计甲烷产量。
  最后,结合上文结论,本课题在总负荷为24gVS/L,接种比为1,初始pH值为6.96的反应条件下,对柳枝稷进行20、37、55和120℃的3%KOH溶液预处理研究。厌氧消化结果显示120℃处理30min的柳枝稷厌氧消化过程中甲烷产量显著(P<0.01)好于其他各组,达到了288.4mLgvs-1,20、37和55℃的预处理柳枝稷之间没有显著性差异。此外,对20℃预处理组别的沼渣进行了回收热解实验,获得了422mL gvs-1的热解气,即4.43MJ kgvs-1的能量,结合厌氧消化产甲烷235.5mL gvs-1,获得8.45MJ kgvs-1能量。因此,厌氧消化与热解两个过程能够回收柳枝稷中85.3%的能量。
  未来的生物质能源工业化应用中,在边际性土地种植柳枝稷,并通过预处理和厌氧消化过程加以利用可能会成为切实有效的方法。
[硕士论文] 施信信
车辆工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:在满足大马力拖拉机使用性能的的前提下,为降低成本和控制系统复杂程度,其变速器采用组合式半动力换挡传动方案,其中动力换挡副变速器由3个湿式双离合器包组成。若考虑自动变速,动力换挡变速器控制系统需要解决换挡策略和动力换挡控制策略这两个关键问题。
  对于负载作业的大马力拖拉机,传统的两参数换挡策略往往会遇到循环换挡问题。循环换挡会大大降低离合器的寿命,增加变速器故障率,同时造成车速不稳定,影响作业质量。基于发动机变速前后工作点变化特性,分析了拖拉机在负载状态下循环换挡的产生原因,并制定一种规避循环换挡的控制策略,该策略可以有效避免循环换挡,同时保证拖拉机能够适应工作阻力变化持续作业,并且提高了燃油经济性。
  针对动力换挡控制问题,本文基于集成惯量二自由度模型,以变速器输出轴恒定为控制目标,制定了一种恒扭矩动力换挡控制策略。该策略在换挡过程中只有一个离合器处于滑摩态,有利于减少滑摩损失,但该策略在换挡过程中需发动机补充动力交接过程中滑摩损耗的功率,从而实现变速器输出功率和输出扭矩不变。基于恒扭矩动力换挡控制策略,考虑柴油机的调速特性,实际动力换挡控制策略可依靠发动机自身的调速特性在动力交接过程中自适应增加输出扭矩。与主流动力换挡方案相比,本文制定的实际动力换挡控制策略在保证变速器输出扭矩基本一致的前提下,大大减少了滑摩损失。此外,本文探讨了接合离合器作动压力上限和离合器动力交接时间对动力换挡输出扭矩和滑摩功的影响。结果表明:大的压力上限有利于减少换挡时间,但在换挡完成时刻会产生大的输出扭矩突变,由此产生大的冲击度,而动力交接时间对变速器输出扭矩会产生很大影响,交接时间过短,变速器输出扭矩会出现较大波谷。
  最后,本文探讨了变速器液压控制系统的组成,然后建立了离合器压力控制系统的数字化仿真模型并进行了开环和闭环仿真,仿真结果表明,开环控制和闭环控制都能实现对离合器作动压力控制,但闭环控制更加稳定,在供油压力变化时仍能够精确的控制压力,而在闭环控制中,积分控制效果比较好,其超调小,稳定时间短。
[硕士论文] 潘鑫
车辆工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:机械液压双流传动(Hydro-Mechanical Transmission,简称HMT)系统是由分动器将输入功率分为液压与机械方式传动后再实现汇流输出的混合传动系统。HMT系统兼具机械和液压传动优点,并且以液压泵作分动器的内分流HMT系统可以切断动力和功率流传递路径,实现离合器的功能。本文采用两套功率内分流HMT系统并联组成复合式功率内分流机械液压双流传动系统(Combined Hydro-Mechanical Transmission,简称CHMT),目的是利用单套HMT的离合器功能组合形成具有双离合器(Dual Clutch Transmission,简称DCT)性质的机械液压混动系统。该复合系统把使离合器严重磨损的传统双离合器换挡过程转化为对液压元器件损伤较小的压力、流量、排量调节过程。本文以CHMT系统代替某拖拉机变速箱动力换挡部分,对CHMT系统传动特性以及系统换挡过程进行研究,主要工作如下:
  (1)根据容积式泵作分动器的分流原理,设计内分流HMT系统结构,并且详细分析系统中各元件、零部件功能以及其实现过程,通过计算系统中分动器、液压马达的输入、输出与分动器排量、液压马达排量的关系,得到系统的输入与输出的转速、转矩传递关系以及功率传递效率,分析HMT系统工作过程。
  (2)以HMT为基础,设计CHMT结构,分别计算各挡HMT系统的转速比、转矩比、传动效率以及液压功率占比,根据替换的某动力换挡变速箱参数以及发动机参数确定CHMT系统中分动器、马达的压力、排量以及各对齿轮传动比
  (3)提出换挡策略,计算分析该换挡策略在换挡过程中系统输出参数的变化,并且分析使换挡过程系统输出无变化对发动机输出的调节。
  (4)基于simulink平台,建立换挡过程整车数学模型,验证所提出的换挡策略在换挡过程中系统输出的变化。
  (5)设计内分流式CHMT系统实验装置,绘制实验装置装配图,设计实验台架总体布置,简单设计实验内容。
[硕士论文] 夏扩远
车辆工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:变速箱是车辆重要的组成部分,对于重型商用车、大型客车以及农业拖拉机等大功率车辆,一般采用以动力换挡系统为基础的组合式变速箱。采用动力换挡变速箱的优点是操纵轻便、简单、换挡快,能够提高车辆的综合使用性能。本课题的主要内容是基于大马力拖拉机配套用定轴4AT+6MT组合式变速箱,对其换挡过程中换挡品质进行分析研究。具体内容如下:
  (1)对本项目目标车型进行整体介绍,针对目标车型,形成定轴组合式传动系统的总体传动方案;
  (2)基于负载换挡变速器前、中、后箱体内部结构,分析了4D+4R动力换挡模块传递路线;
  (3)对目标车型进行受力分析,建立大马力拖拉机整车动力学模型,把拖拉机换挡过程两对离合器状态分为三种,分别对其进行建模,并提出了两对离合器三个状态相互转移的条件;
  (4)依据拖拉机整车动力学模型,基于Matlab/Simulink进行典型作业机组的建模与仿真分析;
  (5)提出了拖拉机换挡过程中的换挡品质和评价指标,分析了换挡品质的影响因素,提出对发动机进行反馈协调控制的方式以减小换挡过程中的速度损失,最后给出了换挡时间和换挡冲击的关系,在满足一定的换挡时间,以降低拖拉机冲击度为目标,提出了换挡控制策略;
  (6)设计实验台架,给出台架实验内容与步骤。
[硕士论文] 周志强
车辆工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:拖拉机作业时,地面状况复杂,传动系统承受载荷较大。此外,为保证农时,农业作业具有在特定时期内完成大量工作的特点。因此,提高变速器的寿命和工作可靠性,延长变速器无故障工作时间对农业生产有着重要意义。本文以某组合式动力换挡变速器的机械变速模块为研究对象,应用Romax软件建立其模型,并对各零部件进行仿真分析,研究了不同因素对变速器寿命的影响,对零部件设计参数及通用件和标准件选用合理性进行评价,并提出了相应的优化方案。具体研究内容如下:
  (1)基于拖拉机传动系统,对动力换挡变速器的结构和各挡位传动比组成进行分析,并通过Romax软件建立机械变速模块的摸型。
  (2)结合拖拉机在牵引或动力输出作业方式下机械变速模块的功率输入及输出特点,确定了用于仿真分析的载荷谱。
  (3)通过软件仿真与理论计算结果的对比,验证了所建立模型的正确性;基于齿轮、轴承和轴的寿命分析结果,对相关零部件的设计和标准件的选用合理性进行评价。
  (4)研究并分析了部分因素如材料、润滑等对变速器的齿轮、轴承和轴的疲劳寿命的影响,基于具体的分析结果,给出了变速器加工或产品化使用的建议。
  (5)对传动系统进行动力学分析,得到了各挡位齿轮在不同工况下的传动误差以及部分零部件的动态响应,综合静态分析结果,对变速器相关零部件进行优化研究。
[博士论文] 汪楚乔
环境科学与工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:本论文针对农作物秸秆在厌氧消化过程中存在难生物降解和产甲烷易受温度影响等问题,在厌氧消化之前对秸秆进行微需氧生物预处理以提高其水解酸化性能,同时利用秸秆与其他废弃物之间的营养互补和协同作用,构建了以难降解秸秆为主要底物的混合底物两相厌氧消化产沼系统。并以此为基础构建了太阳能光热-相变蓄热与混合底物两相厌氧消化耦合的中试系统,实现了厌氧消化产沼系统在冬季的中温发酵。本文主要研究工作和研究结果包括以下内容。
  针对传统物理-化学预处理方法和生物预处理方法带来的副产物问题和菌种成本等问题,开展了以两相厌氧消化中水解酸化液作为接种物的微需氧生物预处理研究。发现氧气负荷的升高能提高微需氧预处理过程对油菜木质纤维素的降解率,但过量的氧会降低预处理后秸秆的水解产酸性能。在氧气负荷为20mL/gVS秸秆/d,接种液中有机酸浓度为4g/L,预处理时间为10d的条件下预处理的油菜秸秆,经过水解产酸发酵,VFAs和sCOD比未处理油菜秸秆分别提高了88.43%和75.50%。通过对预处理过程中秸秆形貌结构、化学基团和晶体结构变化的研究,发现微生物破坏了秸秆中原本规整的结构、降低了秸秆中纤维素结晶度、减少了木质素相关的化学基团。此外,微需氧预处理前后的微生物群落,尤其是与木质素降解密切相关的微生物菌群发生明显变化,在预处理之后细菌菌群中放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度提高了84.5倍,真菌菌群中黑曲霉(Aspergillus niger)和橘青霉(Penicillium citrinum)的相对丰度分别提高了4.4倍和1.2倍。
  农村地区除农作物秸秆外还存在的厨余垃圾及禽畜粪便等生物质,可以将它们与秸秆进行混合,利用底物之间的协同作用展开混合底物两相厌氧消化研究。研究结果表明(1)通过对水解酸化过程的研究,发现油菜秸秆与其他两种底物混合后能增加水解酸化阶段产生VFAs的浓度,VFAs中乙酸的含量随着鸭粪比例的增加或厨余垃圾的降低而升高,而丙酸的含量显示出相反的规律。(2)通过对产甲烷过程的研究,发现混合底物两相厌氧消化具有明显的协同促进效应,比单独秸秆的总产甲烷量提高了29.3-183.1%。不同混合底物在两相厌氧消化中产甲烷量的增加,一方面与底物中易生物降解物质的增加和C/N比的降低有关,另一方面源于多种混合底物之间的协同作用。实验还发现易水解的厨余垃圾和高含氮的鸭粪与秸秆混合后进行两相厌氧消化,可以提高秸秆的生物降解率。综合水解酸化特性、产甲烷特性和秸秆的生物降解特性,确定油菜秸秆、厨余垃圾和鸭粪的最适宜混合比例为50∶25∶25。(3)通过对两相厌氧消化中温度对水解酸化特性和产甲烷特性的影响研究,发现在20℃~35℃温度范围内,水解产酸发酵的产VFAs能力会随发酵温度的升高而提高,在35℃时最高产酸量达到9270.1mg/L。同时,实验还发现产甲烷过程对温度较敏感,从35℃降低2℃~5℃均会降低其产甲烷能力,在35℃条件下累计产气量比33℃和30℃时分别增加了31.07%和169.88%,但从产气速率角度考虑,产甲烷反应器可以接受短期内从35℃降低不超过2℃的情况。
  在混合底物两相厌氧消化的基础上构建了太阳能辅热的中温两相厌氧产沼中试系统,利用太阳能集热-相变蓄热(PCTS)系统收集和储存太阳能为两相厌氧消化系统供热,减小太阳辐射波动和低温气候造成的发酵温度波动。实验研究了不同供热方式对两相厌氧反应器在冬季产甲烷效能的影响,发现采用太阳能集热-PCTS系统收集和储存太阳能为两相厌氧消化装置供热,可以减小发酵温度的波动并将其保持在中温范围,两相厌氧消化总产气量达到20.48m3,其底物能量转化率比传统太阳能供热和不供热的两相厌氧消化装置分别增加了1.01倍和5.65倍;采用修正Gompertz模型可以很好地拟合太阳能-PCTS系统供热的两相厌氧消化系统甲烷产率变化情况,预测值与实验值误差为1.49%。
  通过对冬季典型工况条件下各子系统的热力性能和热利用效率的研究,发现太阳能辅热的两相厌氧产沼系统在冬季的热利用效率为42.0%,研究表明,可以通过进一步提高换热盘管传热系数,优化管道和反应器的外部保温层等方式提高系统的热利用效率。采用计算流体动力学(CFD)软件对产甲烷反应器内部温度场分布情况进行数值模拟,模拟结果显示供热温度的升高会提高反应器内部升温速率,但同时也会加剧反应器内部的温度分层,综合考虑温度场分布、换热效率和相变蓄热材料的成本,选取55℃作为太阳能辅热装置的供热温度。增加水力搅拌可以提升反应器内温度场分布的均匀程度,当搅拌速度增大到0.27m/s后,反应器内部最大温度差从2.3℃减小到0.2℃。
[硕士论文] 太健健
机械工程 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:拖拉机作业工况复杂,既要以极低的速度从事重负荷犁耕作业,又要以较高的速度从事轻负荷运输作业,所需挡位数量远多于道路车辆(国产大功率拖拉机的前进挡数量最多已超过40个),挡位的增多不仅使得变速箱结构复杂,而且换挡时机不易把握。液压机械无级变速箱(Hydro-mechanical Continuously Variable Transmission,简称HMCVT)是融合机械有级变速和液压无级变速的复合传动装置,不仅驱动功率大、传动效率高,而且操作简便,易于实现拖拉机在重负荷作业时的大功率输出与轻负荷作业时的燃油经济性。
  本课题根据大功率拖拉机的作业特点,设计出一种基于单排行星齿轮的2×2段式液压机械无级变速箱,并重点研究其换段品质问题。主要研究工作归纳如下:
  1、液压机械无级变速箱的传动系统设计。本课题根据拖拉机作业需求详细论证并确定了液压机械无级变速箱的传动系统设计方案,并分析了其工作过程,确定了各段的速比区间。根据等速换段条件及各段速度与泵马达排量比之间的关系,确定了变速箱的传动参数,并进一步得出变速箱的结构参数和液压油路参数。
  2、液压机械机械无级变速箱的传动特性分析。(1)分析了变速箱的速度特性,并借助Matlab分别绘出了泵马达排量比与各段传动比之间得关系。通过分析可知:本课题研制的液压机械无级变速箱,通过离合器与变量泵排量的协同控制,可实现其在液压机械段内的速比连续变化以及相邻段间的速比平稳衔接,从而实现大功率拖拉机在大范围内的无级调速;(2)通过液压机械无级变速箱的转矩特性分析,可知变速箱在HM1和HM2段输出转矩与马达转矩比值为常数,在各段内变速箱为恒转矩输出,不随排量比变化而变化;(3)通过对液压机械无级变速箱循环功率的分析,明确了变速箱液压循环功率所在的速比区间,从而为后续控制策略的制定提供了重要的理论参考。
  3、无级变速拖拉机的动力学模型构建和仿真研究。分析了各种因素对液压机械无级变速箱换段品质的影响规律。(1)基于Simulation X平台,构建了无级变速拖拉机的整机动力学模型,包括变速箱模型、发动机模型、拖拉机后桥模型与负载模型等。(2)定义标准仿真工况,并给出了速度降、动载荷系数、最大滑模功率、滑摩功和综合指数等5项换段品质评价指标;(3)对各个因素分别进行仿真和分析,得出各种因素对换段品质的影响规律。
  4、液压机械无级变速箱换段液压系统的异常模式识别研究。(1)对试验得到的离合器充油压力数据进行预处理;(2)使用随机抽取的方式产生训练样本集和测试样本集,在使用训练样本集对BP神经网络进行训练后,输入测试样本集进行分类测试;(3)利用神经网络特征选择方法对BP神经网络进行属性约简,并与多值分类方法的分类结果作了比较和分析。结果显示,BP网络的二值分类方法,对5种典型油路状态模式的平均识别率均在98%以上;经过属性约简,包括正常模式、活塞卡死、密封圈损坏、油道阻塞及密封不严在内的几种典型故障模式,分别可约简3、4、3、3、3个样本属性。结果表明,换段期间油压的波动情况与各故障模式之间存在特异性关联(具有可分性),应用BP网络可有效区分系统当前状态,该技术可应用于换段液压系统的异常模式识别与故障诊断,从而确保变速箱换段品质的可靠性。
  本课题的研究,为提高单排多区段液压机械无级变速箱的换段品质提供了坚实的理论基础,对促进液压机械无级变速箱在我国大功率拖拉机中的产业化应用具有重要的理论指导意义。
[博士论文] 王桂民
管理科学与工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:水稻是我国的主要粮食作物与重要口粮,水稻种植规模保持稳定增长,对农业机械的需求也必然保持增长。水稻产区农业经营方式正逐步由散户经营向规模化经营过渡,经营主体的变化带来购机能力的提升以及产品多元化的要求,同时水稻产区自然、经济、社会条件的巨大差异也对农机化技术装备的适应性提出不同要求。针对这些新时期水稻机械化发展环境的变化,以及我国农机工业整体实力不断攀升,农机技术供给能力不断增强的状况,如何就水稻生产技术的供给与需求展开分析?如何对水稻生产机器的选型进行合理评判?如何对水稻生产机器进行优化配置?等等,这些问题的研究,不仅对于促进农业工程与管理科学的交叉研究具有重要的理论意义,而且对于农业经济主体购机决策、农机生产商的技术创新和产品战略决策等具有重要的实际价值。
  鉴于此,本文综合运用文献分析、实地调研、基于对数平均迪氏分解方法(logarithmic mean weigh division index method,LMDI)、基于非线性规划的耕地流转预测法、基于数据挖掘构建的经营规模预测法、模糊综合评判法以及最优化理论与方法等,定量分析了耕地流转的影响因素并进行流转规模的预测,揭示了农业经营规模分布情况与经营模式,对水稻生产全程装备进行了选型,围绕对规模化经营主体水稻生产需求进行了机器优化配置。具体研究工作如下:
  (1)本文利用LMDI因素分解法定量分析了耕地流转的影响因素,构建出可流转耕地面积预测模型以及农户经营规模分布函数,分析了不同经营模式下的规模分布情况。
  (2)通过对江苏省36个县级农机推广机构调研,分析不同水稻生产机械化技术供给与需求情况;通过对110个家庭农场调研,比较分析得出了水稻生产各个作业环节选用的机械化技术。
  (3)结合文献和调研分析,确定了水稻生产机器的综合评判指标体系与权重,构建了评价指标的隶属度函数;针对不同指标的特性,通过座谈、资料查阅和问卷调研等,获取评价指标值,计算出每款机型的隶属度,以隶属度大小定量地综合判定机器的优劣。
  (4)分析水稻规模经营体的收益与成本机制,构建水稻生产机器优化配置的目标函数和约束方程,较为合理地建立了水稻生产机器优化配置模型,然后以苏州某家庭农场为例,利用水稻生产各作业环节的机器选型结果,通过实地调研得到各拟配机器价格、效率、成本等关键参数,由此确定目标函数和约束方程的系数,经求解运算得到了水稻生产各环节机器优化配置结果。
  通过上述研究工作,主要得到以下结论:
  (1)经济因素、农民增收因素、农机化因素对耕地流转有显著的正向作用,其中农机化因素对耕地流转的正面影响最大,经营意愿因素对耕地流转有显著的负向影响。农机化效应对耕地流转的促进作用最为显著,绝大部分地区耕地流转率提高10%以上。
  (2)水稻生产机械技术选用方案如下:机械化旋耕以及深翻-旋耕组合、机械化育插秧技术、化肥机械化撒施技术、地面高效植保技术、渠灌、、联合收获技术、机械化秸秆还田技术、产地烘干技术。
  (3)模糊综合评判法能较好地结合定性分析与定量分析,在对水稻生产机器选型时,能较好地克服理论分析法、大田实验法、专家评判法等方法的局限,以隶属度大小排序得出的水稻生产各作业环节的机器选型更符合实际。
  (4)构建的水稻生产机器优化配置模型引入了固定合同服务收入、竞争性服务收入与投资额约束,更符合当前我国水稻经营现实情况。以苏州地区的某家庭农场为例的水稻生产机器优化配置结果表明,优化后家庭农场的利润将比现有利润提高23.08%。
[硕士论文] 张国良
机械工程 山东农业大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国经济发展和人民生活水平的提高,花生及其深加工产品的品质及卫生安全等问题越来越受到消费者的重视,除了通过合理的生成管理和农业生产技术的改进来提高花生的品质外,还需要采用科学的产后加工方法来提高花生的品质。而干燥是花生产后加工的重要环节之一,是防止花生霉变与保证品质的必要手段,并且合理的干燥工艺对花生的品质影响很大。太阳能干燥是指太阳干燥装置利用太阳辐射能进行的干燥作业,具有干燥产品品质好、效率高、周期短等优点。太阳能干燥能有效地保护环境和节约能源,对发展农村经济和改变落后的生产加工方式都将起到积极作用。
  本文通过对太阳能干燥发展及其应用的研究,分析了太阳能干燥特点和花生干燥特性,确定了课题研究的内容,设计了基于太阳能综合利用的花生干燥系统。文章介绍了太阳能干燥花生系统的整体设计方案及其部件设计与选型,其中最重要的是太阳能集热系统和干燥系统。根据选用的平板型集热器参数和物理模型在TRNSYS软件中进行集热性能模拟,分析了平板型太阳能集热器的集热性能;根据干燥室的设计尺寸,利用FLUENT软件仿真风量在干燥室内分布情况,增加了挡风板装置,提高了干燥室内的风量均匀性;设计电加热装置,在太阳能不足时利用电加热提供能量,实现全天候干燥花生,提高了干燥效率。
  利用太阳能干燥装置进行干燥花生的试验,分析比较在不同温度和风速下花生的干燥特性,为干燥设备的应用和干燥工艺提供参考基础。利用太阳能干燥装置在风温50℃风速0.5 m/s时,干燥花生的时间为8 h左右,比起自然晾晒的时间明显缩短。
[硕士论文] 张楠
农业资源利用 河北农业大学 2017(学位年度)
摘要:养殖场的粪污大面积堆积造成了大量温室气体与恶臭气体的排放,伴随着NH3与N2O的挥发也导致了氮素养分的严重流失。因此降低粪尿的NH3与N2O排放能够很大程度上降低大气污染同时提高氮素利用率。目前的研究主要关注堆肥过程中氮素流失,而对养殖场的粪污堆积存储过程中的NH3与N2O损失研究较少。由于pH值是影响粪尿氨气排放的重要因素之一,因此本试验选用了几种成本较低的酸性物料作为减排添加剂,来探索比较各个添加剂对牛粪存储过程中NH3与N2O的减排和氮素损失的降低,为养殖场氮素肥料化利用提供技术支持。
  本试验采用室内模拟培养的方式,利用风洞系统探究了牛粪存储状态下的氨气排放特征,利用动态箱系统探究比较了4种化学添加剂(绿矾、硫酸锰、明矾、磷石膏)及有机物料(醋糟、木屑)覆盖对牛粪pH值、氨气和氧化亚氮排放和牛粪总铵氮(TAN)变化的影响。主要结论如下:
  (1)新鲜牛粪堆积存储过程中,裸露的表面由于自然结壳使氨气排放量不断下降,而对其进行翻动后排放通量由7.58mg/m2/h增至29.72mg/m2/h。
  (2)六种添加剂的氨气减排效果依次为:覆盖1cm厚醋糟>覆盖1cm厚木屑>18g/kg硫酸锰>33.37g/kg绿矾>3g/kg硫酸锰>250g/kg磷石膏,其中覆盖1cm厚醋糟减排效果最好能够减少64.48%的氨气排放。
  (3)六种添加剂的氧化亚氮减排效果依次为:33.37g/kg绿矾>覆盖1cm厚木屑>覆盖1cm厚醋糟>11.12g/kg绿矾>18g/kg硫酸锰>2g/kg明矾>3g/kg硫酸锰>15g/kg明矾,其中添加33.37g/kg绿矾后牛粪pH可降至6.97,能够使氧化亚氮的排放减少82.42%。
  (4)模拟培养存储状态下的牛粪72小时后,无添加剂的牛粪总铵氮(TAN)平均损失率为57.07%,添加33.37g/kg绿矾后的TAN损失率最低,仅损失6.37%。
  综上所述,将牛粪pH值调节至中性时,可减少约50%的氨气排放,同时也可以降低氧化亚氮的排放;6种添加剂中,添加绿矾与硫酸锰来改变牛粪pH值能够明显的降低NH3与N2O排放,同时能够大幅增加养殖场粪污氮素存量;表面覆盖木屑或醋糟也具有明显的降低气体挥发,保存铵氮的效果,因此认为可以作为潜在养殖场氨减排材料。
[硕士论文] 杨妮平
生态学 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:农业生态系统是重要的温室气体排放源。秸秆还田是重要的农业措施,能够有效避免秸秆焚烧造成的营养物质的浪费和对环境的污染,同时秸秆还田会向土壤提供丰富的养分元素,刺激土壤微生物的活性,进而影响土壤有机质的矿化。土壤团聚体对有机质有保护作用。不同粒级团聚体的性质不同,对有机质的保护也不尽相同。因此不同粒级团聚体在添加秸秆后有机质的矿化作用可能不同,这会进一步影响土壤C、N循环,从而影响土壤温室气体的产生与排放。秸秆还田及不同粒级团聚体对温室气体排放特征的影响及机制目前尚不清楚。
  为了探究砂壤土不同粒级团聚体添加秸秆对温室气体排放的影响,本研究选取荆州潮土为研究对象,设计不同粒级团聚体添加秸秆的室内培养试验。主要的研究结果如下:
  (1)秸秆添加显著增加了CO2和N2O的排放通量和累积排放量(0.25-1 mm粒级团聚体的N2O气体排放除外),对CH4排放无显著影响。
  (2)未添加秸秆各处理的CO2排放通量无显著差异。添加秸秆后四个粒级团聚体CO2平均排放通量和累积排放量由大到小依次为<0.25 mm、1-2 mm、0.25-1 mm和全土。四个粒级中,<0.25 mm粒级团聚体添加秸秆后CO2累积排放量增加最多,约为未添加秸秆处理的11倍;0.25-1 mm粒级团聚体添加秸秆后CO2累积排放量增加最少,约为未添加秸秆处理的7倍。
  未添加秸秆处理中,N2O平均排放通量由大到小依次为0.25-1 mm、1-2 mm、全土、<0.25 mm粒级,N2O累积排放量由大到小依次为1-2 mm、0.25-1 mm、全土、<0.25 mm粒级。添加秸秆后,四个粒级N2O平均排放通量和累积排放量由大到小依次为1-2 mm、全土、<0.25 mm、0.25-1 mm粒级。其中,0.25-1 mm粒级团聚体在添加秸秆后N2O排放通量和累积排放量都有明显减小,其他三个粒级的N2O排放在添加秸秆后都有增加。不同粒级团聚体对CH4排放无显著影响。
  (3)氧化酶活性、水解酶活性、可溶性有机碳(DOC)、矿质氮等性质在不同粒级团聚体之间存在差异,添加秸秆后的变化各不相同,对温室气体排放的影响也不同。在所有的土壤性质中,纤维二糖水解酶(CB)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、β-N-乙酰葡萄氨糖苷酶(NAG)、酚氧化物酶(pox)、DOC和NO3--N是对CH4、 CO2和N2O这3种温室气体排放影响最大的土壤性质集合,能够解释80.3%的温室气体排放,DOC和NO3--N可以解释32.3%的温室气体排放,CB、LAP、NAG和pox能够解释53.8%的温室气体排放。其中,LAP和DOC对CH4、CO2和N2O这3种温室气体的排放都有正的贡献。
[硕士论文] 王文超
农业生物环境与能源工程 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:生物天然气是指将沼气中以CO2为主的杂质气体脱除后,使CH4含量提升至天然气标准的一种高品位可再生能源,其规模化利用可在一定程度上缓解我国天然气的供需矛盾问题。同时,生物天然气可在能源利用过程中实现CO2的近零排放。沼气提纯制备生物天然气的关键在于沼气中CO2的低成本分离。在众多沼气CO2分离技术中,CO2化学吸收法具有高CO2分离效率、低CH4损失、高CH4纯度和操作简便等优势,是近期可以大规模推广应用的技术之一。沼气CO2化学吸收法技术瓶颈在于CO2分离成本高,尤其是富CO2吸收剂溶液的热再生能耗,其可占全部能耗的60%以上。因此,降低沼气CO2分离技术成本的关键在于降低富CO2吸收剂溶液的再生能耗。
  若能摒弃富液热再生部分,只保留CO2吸收部分,将可能会降低化学吸收法成本,但CO2吸收非循环工艺对CO2化学吸收剂的消耗量巨大。因此,选择合适的吸收剂成为其能否成功应用的关键。作为沼气工程副产物,沼液呈弱碱性,并富含刺激植物生长的有益成分,理论上可作为一种融合CO2吸收和生物储存的可再生吸收剂,基本满足CO2吸收非循环工艺要求,其首要问题是对沼液CO2吸收性能进行强化。外源CO2吸收剂的添加有助于提升沼液的CO2吸收性能,但也会影响沼液的植物生理毒性。基于此,本文研究了6种典型外源CO2吸收剂对沼液CO2吸收性能及生态毒性的影响,探究了沼液浓缩倍数和外源吸收剂添加量对沼液CO2吸收性能的提升效果,并从植物生理毒性及总磷含量角度分析其对富CO2沼液农业应用的影响,最终以沼液水培生菜的方式来探究在实际农业应用中的可行性。研究结果表明:
  (1)与原沼液相比,浓缩5倍后沼液的CO2吸收量提高了71.4%,但因沼液黏度的增加导致沼液CO2吸收速率的下降。浓缩过程对沼液中以氨氮为主的有害物质脱除明显,5倍浓缩沼液的氨氮脱除率可达87.69%。浓缩过程及引入外源吸收剂均能脱除沼液中的磷元素,可大幅降低沼液施用时对环境带来的危害。
  (2)与直接向原沼液中引入低浓度吸收剂相比,向浓缩沼液中添加高浓度吸收剂可大幅提高单位体积沼液的CO2携带量。乙醇胺(Monoethanolamine,MEA)强化的5倍沼液,35℃吸收饱和时CO2负荷可达0.40 mol/L,是5倍浓缩沼液的14.8倍,且能在10min内达到CO2吸收饱和。精氨酸钾(Potassium L-Argininate,PA)强化的5倍沼液具有最高的CO2负荷,吸收饱和时可达0.68mol/L。
  (3)尽管PA在高吸收负荷上具有一定优势,但富CO2沼液的植物生理毒性较高。浸种应用时,稀释后的沼液中PA浓度不能超过0.035mol/L,而此时其对于沼液CO2携带量的提升并没有实际优势。MEA强化沼液稀释后浸种时,添加浓度控制在0.1 mol/L时不影响种子发芽。同时,MEA在沼液中的生物降解性较其它吸收剂也具有明显优势,在原沼液中5d的生物降解率可达55%。因此,MEA在吸收负荷、吸收速率及低植物生理毒性方面具有综合优势。
  (4)沼液中氨氮含量是影响其植物生理毒性的关键因素,脱氨处理和5倍浓缩分别可使沼液氨氮脱除率达92.2%和88%。富碳脱氨沼液只需要稀释5倍即可实现生菜水培的良好长势。稀释5-30倍的脱氨沼液水培生菜长势均优于营养液水培,其中5倍稀释水培的生菜相对生长量最高,可达到150%。富碳5倍浓缩沼液只需稀释20倍以上即可作为生菜水培液(相当于将原沼液稀释4倍以上)。沼液水培改善了生菜在硝酸盐含量方面的品质,5倍稀释脱氨沼液的水培生菜中NO3-N含量仅为13mg/kg,仅为营养液水培生菜的4.6%。
  (5)当营养液MEA添加浓度低于0.001 mol/L时,生菜具有良好长势,而MEA浓度高于0.002mol/L时,生菜根系完全腐烂。MEA添加浓度在0.001mol/L内,生菜的相对生长量均高于100%,当MEA添加浓度在0.0005mol/L时,生菜的相对生长量达到峰值。
  综上,沼液通过“浓缩-引入吸收剂-稀释施用”的过程,可提高外源吸收剂的添加量,同时降低沼液自身的植物生理毒性。沼液中引入合适浓度的MEA不仅可大幅提高其CO2吸收性能,而且不会增加沼液的生态毒性,甚至对植物生长用具有积极作用。
[博士论文] 赵晨希
农业工程;农业生物环境与能源工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:生物质热解技术实现了生物质能的充分利用,是极具发展潜力的生物质能利用技术,其副产物生物质焦油的化学成分较复杂,含有大量的含氧化合物和未完全分解的大分子物质,导致其热值较低、热稳定性较差、黏度较大、pH值较低、腐蚀性较强和固体杂质含量较高,易对设备和管道造成不同程度的堵塞和腐蚀,给生产带来一定的安全隐患,且严重限制了焦油的应用前景和产业化进程。本文以生物质焦油为研究对象,利用自主研发的生物质焦油加压催化反应系统进行了焦油及其模拟物催化改性的试验研究,考察了反应温度、压强和催化剂对转化产物得率、成分及其性质的影响,并对其催化反应机理进行了深入的分析,为生物质焦油加压催化改性的试验研究提供了科学的依据。具体内容如下:
  (1)对生物质原料进行基础成分分祈,对连续热解液态产物焦油的各项指标进行测定,并控制不同的反应温度(200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃和500℃)、压强(0 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa和3 MPa)和催化剂(载体催化剂、单载体单负载物催化剂、单载体双负载物催化剂和双载体双负载物催化剂)进行生物质焦油加压催化改性试验。
  (2)对加压催化改性模拟物的各项指标进行测定,并对其催化转化效果进行了深入的分析,结果表明:Ni-Co/HZSM-5/MCM-41和Ni-Co/γ-Al2O3/MCM-41催化剂与其它催化剂相比,转化产物的得率较低,催化剂的积碳率较低,生物质焦油模拟物各组分的转化率均较高,转化产物的热值较高,黏度较低,着火温度、燃尽温度、最大燃烧速率、平均燃烧速率和综合燃烧特性指数均较高。随着压强的升高,转化产物的得率先不断降低而后逐渐升高,在2 MPa左右时达到最小值,生物质焦油模拟物各组分的转化率均先不断升高而后逐渐降低,在2 MPa左右时达到最大值,催化剂的积碳率先不断升高而后逐渐降低,在2 MPa左右时达到最大值,转化产物的热值先不断升高而后逐渐降低,在2 MPa左右时达到最大值,黏度不断升高,着火温度、燃尽温度、最大燃烧速率、平均燃烧速率和综合燃烧特性指数均先不断升高而后逐渐降低,在2 MPa左右时达到最大值。随着反应温度的升高,转化产物的得率不断降低,生物质焦油模拟物各组分的转化率均不断升高,催化剂的积碳率不断降低,转化产物的热值和黏度均不断升高,着火温度、燃尽温度、最大燃烧速率、平均燃烧速率和综合燃烧特性指数均不断升高。
  (3)对加压催化改性焦油的各项指标进行测定,并对其催化转化效果进行了深入的分析,结果表明:催化改性后(Ni-Co/HZSM-5/MCM-41和Ni-Co/γ-Al2O3/MCM-41催化剂)与催化改性前相比,生物质焦油良性组分中酚类物质的含量均显著升高,呋喃类物质的含量均有所升高,糖类物质的含量也均有所升高,生物质焦油恶性组分中酸类物质的含量均显著降低,酮类物质的含量均有所降低,酸酐类物质的含量均有所降低,醛类物质的含量也均有所降低,酯类物质的含量均有所升高。催化改性后(Ni-Co/HZSM-5/MCM-41和Ni-Co/γ-Al2O3/MCM-41催化剂)生物质焦油的得率分别为76.58%和75.42%,催化改性后(Ni-Co/HZSM-5/MCM-41和Ni-Co/γ-Al2O3/MCM-41催化剂)与催化改性前相比,生物质焦油的热值由17.61 MJ·kg-1分别升至22.09 MJ·kg-1和21.73 MJ·kg-1,黏度由4690 mPa·s分别降至450 mPa·s和430 mPa·s,pH值由3.41分别升至4.21和4.26,着火温度、燃尽温度、最大燃烧速率、平均燃烧速率和综合燃烧特性指数均显著升高。
  (4)对加压催化改性催化剂的各项性能进行分析,并对其进行寿命试验和再生试验,结果表明:负载活性组分的催化剂与无负载的催化剂相比,比表面积和微孔比表面积均显著降低,总孔体积和微孔体积也均显著降低,而平均孔直径均显著升高,表面形貌均有较大的变化,部分催化剂的颗粒大小不均匀,孔隙结构不明显,活性组分颗粒的结晶度较低,而部分催化剂的颗粒大小较为均匀,孔隙结构较为丰富,活性组分颗粒的结晶度较高,催化剂均保持了载体自身衍射峰的完整性,只是衍射峰的强度存在不同程度上的降低,B位酸含量均显著降低,L位酸含量均显著升高,总酸含量均显著升高,L酸/B酸的值也均显著升高。在前90 min的反应时间内,生物质焦油模拟物各组分的转化率均不断降低,在90-150 min的反应时间内,各组分的转化率均不断升高,在最后120 min的反应时间内,各组分的转化率均不断反复升高和降低,寿命试验后催化剂与反应后催化剂相比,其表面较为平整,部分区域的板结现象较为严重,孔隙结构不丰富,经过6h寿命试验后,催化剂的比表面积及孔径分布均变化较大,经过再生试验后,催化剂的比表面积及孔径分布也均变化较大,再生试验后催化剂与寿命试验后催化剂相比,其表面形貌差异较大,再生试验后催化剂与反应前催化剂相比,其表面颗粒聚集的现象较为明显,部分区域的板结现象依然存在,孔隙结构不丰富。
[硕士论文] 牛司伟
农业工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:拖拉机是农业生产的动力源,能够牵引各类作业工具完成农业生产作业。拖拉机作为农业现代化过程中的重要产物,在农业生产中的作用越来越大,为适应农业生产快速发展的需求,拖拉机正在朝着高效化、智能化方向发展。拖拉机的作业环境较复杂,路面起伏大,振动和噪声多,有时为抢农时需要连续长时间作业,这些因素极易造成驾驶员疲劳,影响作业质量和作业效率。研究表明:80%的拖拉机驾驶员都不同程度的患有腰痛、颈椎病、坐疮等职业病。拖拉机座椅作为与驾驶员直接接触的功能件,对驾驶员起支撑和减振的作用。舒适的座椅设计可以使人体体重合理的分布在座椅上,避免大腿下侧神经组织过度受压而产生麻木感,保证臀部血液循环,降低臀部组织溃疡病等职业病发病率,为拖拉机驾驶员提供良好的驾驶条件,减轻工作疲劳,保证作业质量,提高作业效率。体压力即人体体重在座椅界面压力的分布,座椅的几何参数、材料特性和外形轮廓对拖拉机座椅舒适性的影响均可以通过体压分布特性来表征,本文通过有限元法仿真模拟拖拉机驾驶员和座椅间的体压分布。
  获得拖拉机座椅—驾驶员之间准确的压力分布数值模拟结果关键在于两方面:一是模型建立的准确程度,包括座椅模型和驾驶员人体力学模型。本文通过REOMER绝对关节臂测量机扫描获得拖拉机座椅点云数据的基础上,利用CATIA逆向工程模块建立了拖拉机座椅三维模型;参考中国人体测量学标准(GB-10000-88),选择具有代表性的第50百分位成年男性主要人体测量学数据作为建模依据,从3DsMAX软件模型库中获得人体几何点云数据,利用逆向工程建立了驾驶员软组织和骨骼模型。另一方面是模型属性的准确度,本文参考ASTM标准(D3574-01)和相关研究文献进行了拖拉机座椅填充材料聚氨酯泡沫力学特性试验,获得了聚氨酯泡沫材料本构模型的力学参数;参考国内外学者的研究成果确定人体模型参数,确保数值模拟结果的准确性。本文完成的主要内容如下:
  (1)座椅填充材料聚氨酯泡沫力学特性试验
  参考美国材料与试验协会ASTM标准(D3574-01)搭建了试验平台,对拖拉机座椅填充材料聚氨酯泡沫试样进行了3种应变率下的准静态单轴压缩试验;参考软质泡沫聚合材料硬度测定方法进行了座椅材料试样的压陷硬度试验。建立了3种应变率下的力学模型,得到了座椅填充材料二阶应变能函数有限元仿真模型,分析了单轴压缩条件下应力应变特性,得出了座椅填充材料的压陷硬度特性。
  (2)座椅表面数据采集与建模
  采用ROMER绝对关节臂测量机配置ScanWorks V3激光扫面器对拖拉机座椅进行点云数据信息采集,分析了关节臂测量机工作原理和数据采集方法,研究了逆向工程关键技术,点云数据预处理、模型曲线及曲面的重构方法,利用CATIA逆向工程技术建立座椅三维模型
  (3)拖拉机驾驶员人体软组织和骨骼模型建模
  参考我国成年人人体测量学尺寸中对人体模型影响较大的32项人体主要测量数据,选择符合拖拉机驾驶员驾驶要求的18~60周岁具有代表性的第50百分位人体尺寸数据,基于三维建模软件3DsMAX人体模型库,对拖拉机驾驶员的人体模型进行缩放和调整获得建模所需的人体点云数据;将人体骨骼和皮肤点云数据导入CATIA软件中,利用CATIA逆向工程模块重建了人体软组织和骨骼模型。
  (4)驾驶员—座椅界面压力特性数值模拟
  基于ABAQUS软件对拖拉机驾驶员—座椅界面压力分布进行数值模拟分析。利用HyperMesh软件对人体软组织和骨骼模型进行几何清理、网格划分、定义材料属性和边界约束等前处理。通过ABAQUS软件进行求解分析驾驶员—座椅间的压力分布特性,得到试验座椅的体压分布指标。
  本文对拖拉机驾驶员—座椅接触界面的压力分布特性进行了研究和分析,对提升拖拉机座椅的舒适性,提高作业效率,降低拖拉机驾驶员职业病的发病率具有一定的指导意义,为拖拉机座椅的研发和优化设计提供技术参考。
[硕士论文] 刘琬瑜
农业资源利用 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:当今时代,经济飞速发展,伴随而来的代价是环境污染严重和不可再生能源的过度消耗。人们逐渐清醒的认识到以牺牲现有资源为求发展得不偿失,也渐渐意识到可再生能源的高度利用价值和重要意义。厌氧发酵技术的诞生很大程度缓解了这一问题,通过对农作物秸秆与牲畜粪便进行混合厌氧发酵产沼气,具有较高的经济价值和环境效益。牛粪是沼气发酵中常用的原料,其碳氮比适合厌氧发酵且微生物种群丰富,但缺点是粗纤维含量多,不易降解,速效养分也不高。故将牛粪与玉米秸秆进行混合厌氧发酵可以提高混合厌氧效率,降低环境污染。但是,受制于气候影响,北方地区温差较大,低温时间过长,中温厌氧发酵常常技术经济收益相对较差,有时呈现负增长趋势,所以给该技术的推广和应用带来了很大阻碍。因此,针对以上的制约条件,提出优化混合厌氧发酵运行参数的方案。本文针对农作物秸秆和牛粪的资源联合利用,采用日常生活中的玉米秸秆,设置静态混合厌氧发酵模拟试验,研究玉米秸秆预处理的优化工艺,探讨影响混合厌氧效能的生态因子组合条件以及微量元素浓度配比。取得的主要研究成果如下:
  本研究分为两个部分:第一部分是利用正交试验的设计方案,考察并探究混合厌氧发酵的预处理方式、温度、C/N与总固体含量,对混合厌氧发酵产沼气效果的影响。结果表明,影响混合厌氧发酵的最佳参数为:温度35℃,TS%为15%,C/N为25∶1,碱处理农作物秸秆。第二部分试验是采用Box-Behnken中心组合试验设计方案,基于正交试验所得最优生态因子结果,并探究三种不同微量元素Fe、Co、Ni添加量对厌氧发酵特性的影响,来进一步优化微量元素对玉米秸秆与牛粪混合厌氧发酵产沼气的影响。结果表明,采用Fe2+、Co2+、Ni2+三种微量元素组合投加可明显提高玉米秸秆与牛粪混合发酵产沼气的产量,且Fe2+、Co2+、Ni2+三种微量元素的最佳投加量分别为0.7525mg·L-1、0.073mg·L-1和0.4595mg·L-1,此时,发酵累计产气量为10313mL。通过响应面法交互影响分析,发现三种微量元素对厌氧发酵累积产气量影响程度依次为:Fe>Ni>Co。
[硕士论文] 杨芳
农业机械化工程 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:为探究不同秸秆原料和炭化条件对秸秆炭样品热化工特性的影响,分析元素组成和工业组成与热值之间的相关性,探讨利用傅里叶中外光谱技术(FT-MIR)对秸秆炭热化工特性指标快速测定的可行性,采集5种农作物秸秆,在不同的炭化条件下进行炭化处理,得到秸秆炭样品共计175个,并按照相关标准测定其热值、元素组成及工业组成的含量,同时采集样品的中红外透射光谱。对实验数据进行统计分析,在简单相关性分析和共线性诊断基础上,分别建立基于元素组成、工业组成的热值预测模型;利用TQ Analyst8.3化学计量学软件,通过光谱理化值共生距离法(SPXY)划分样本集后,采用不同预处理方法,结合偏最小二乘法(PLS)建立秸秆生物炭样品的热值、元素组成及工业组成的中红外光谱定量分析模型。研究结果如下:
  (1)从5种农作物秸秆炭的热值统计结果看,农作物秸秆经过炭化后,热值增大。从5种农作物秸秆炭的元素组成统计结果看,C元素含量最高,N元素含量最低。从5种农作物秸秆炭的工业组成统计结果看,炭化后灰分、固定碳含量提高;而挥发份含量降低;样品中水分的含量变异系数较大,没有明显的变化趋势。
  (2)对比不同炭化条件下制备的秸秆炭样品的热化工特性指标。结果显示,秸秆种类及炭化温度对热值、元素组成及工业组成的影响较为明显,保温时间与升温速率对热化工特性影响小。随着温度的升高,热值呈现先急后缓的增长趋势;秸秆炭的N、O、H元素含量随着炭化终温的升高而降低,C元素含量随温度的升高而增加;随着炭化温度的升高,灰分含量增加,挥发分含量减少,固定碳含量增加。5种农作物中,水稻秸秆炭的热值最小,棉花和油菜的热值相对较高;水稻秸秆炭的C元素含量最低,棉花秸秆炭的O元素含量最高,H元素含量无明显差异;油菜与棉花的灰分含量较低,固定碳含量较高,而水稻秸秆炭的灰分含量最高,固定碳含量最低。
  (3)建立了基于元素组成的高、低位预测模型。结果表明,主成分回归模型预测精度优于多元线性回归模型,其中,高位热值预测模型的决定系数R2、预测标准差SEP、相对标准差RSD分别为0.75、1255.72 J·g-1、5.32%;低位热值的决定系数R2、预测标准差SEP、相对标准差RSD分别为0.75、1274.88 J·g-1、5.32%。外部预测结果为:高、低位热值预测模型的预测标准差SEP分别为1255.72 J·g-1、1274.88 J·g-1,相对标准差RSD分别为5.32%、5.32%。模型预测能力不高,只可用于热值的大致估计,精度有待提高。
  (4)建立了基于工业组成的热值预测模型。结果表明,主成分回归方法能有效解决四个自变量间的共线性问题,预测效果优于多元线性回归方法,其中,高位热值(HHV)预测模型的决定系数R2、预测标准差SEP、相对标准差RSD分别为0.86、1126.79 J·g-1、4.79%;低位热值(LHV)预测模型决定系数R2、预测标准差SEP、相对标准差RSD分别为0.83、1167.25 J·g-1、4.93%。外部预测结果为:高、低位热值预测模型的预测标准差SEP分别为1037.04 J·g-1、1188.16 J·g-1,相对标准差RSD分别为4.41%、4.91%。高、低位热值预测模型可用于实际估测中。
  (5)构建农作物秸秆炭样品高、低位热值的FT-MIR定量分析模型,并采取独立验证集验证模型预测效果。结果显示,高位热值的验证集相关系数Rp为0.91,验证均方根误差RMSEP为614 J·g-1,相对标准差RSD为2.61%;低位热值的验证集相关系数RP为0.87,验证均方根误差RMSEP为707 J·g-1,相对标准差RSD为3.12%。结果表明,高、低热值检测模型可用于实际应用。
  (6)构建生物质秸秆炭样品C、N、O、H元素的FT-MIR定量分析模型,采取独立验证集验证模型预测效果。外部验证结果显示,C元素验证集相关系数RP为0.90,验证均方根误差RMSEP为2.44%,相对标准差RSD为4.07%;N元素验证集相关系数RP为0.75,验证均方根误差RMSEP为0.31%,相对标准差RSD为22.46%;O元素验证集相关系数RP为0.92,验证均方根误差RMSEP为1.35%,相对标准差RSD为9.74%;H元素验证集相关系数RP为0.81,验证均方根误差RMSEP为0.48%,相对标准差RSD为13.6%。结果表明,C元素与O元素检测模型可用于实际预测中;H元素检测模型的精度还有待提高;N元素预测模型不可用于实际预测中。
  (7)构建生物质秸秆炭样品灰分、挥发分、固定碳含量的FT-MIR定量分析模型,采取独立验证集验证模型预测效果。外部验证结果显示,灰分验证集相关系数RP为0.97,验证均方根误差RMSEP为1.59%,相对标准差RSD为9.64%;挥发分验证集相关系数RP为0.89,验证均方根误差RMSEP为4.17%,相对标准差RSD为14.35%;固定碳验证集相关系数RP为0.862,验证均方根误差RMSEP为4.79%,相对标准差RSD为9.21%。灰分检测模型可用于实际预测中;挥发分的精度还有待提高;固定碳检测模型的实测值与预测值的相关性较低,其预测能力有待提高。
[硕士论文] 刘凯
农业生物环境与能源工程 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国畜禽养殖业规模化、集约化的发展,大量产生的畜禽粪便引起的环境污染已经严重制约我国经济的可持续发展。采用炭化、气化等热化学方法处理畜禽粪便既可有效解决环境污染问题,还能获得高品质的生物质炭和生物燃气。现有的热解气化装置大多是一体式结构,即物料的干燥脱水、裂解脱挥发分及其半焦的深度热解、气化重整等反应过程在同一个反应容器内完成,不利于各反应阶段的精确控制。此外,气化反应的目标产物—可燃气中焦油含量过高,增加了下游净化系统的复杂程度和运行成本。分段式热解气化技术可在时间和空间上将物料的干燥脱水、初步热解、深度热解或气化重整等反应阶段分离,从而便于各反应阶段的精确调控、目标产物的改性提质以及系统优化和节能降耗。针对目前生物质热解装置的通用性和灵活性较差的问题,提出分段梯级的分布方式,实现热能的梯级利用。分段式热解工艺的关键是气化方式选择、中温炭化段与高温气化段温度点界限的确定以及各段生产能力的配备。本文研究分段热解工艺中中温段干馏、高温段干馏热解和水蒸气气化2种模式且在不同温度点通入水蒸气的情况下牛粪热解产物产率变化、气相产物中各组分分布、气体热值,固相产物形貌特征、孔隙结构特征的演变、矿质元素迁移规律以及结渣特性,为分段式热解装置设计及工艺优化提供依据。本文的主要研究内容及结果如下:
  (1)畜禽粪便的基本特性(工业分析、元素分析、矿质元素分析)是影响热解的重要因素,对牛粪的基本理化特性进行全面分析,可为牛粪的热解特性打下基础并为热解试验提供一定的理论依据。工业分析结果表明,与煤相比,畜禽粪便与生物质挥发分含量很高,固定碳含量低,但畜禽粪便和煤的灰分含量较生物质高。矿质元素分析表明,牛粪原料中Si含量最高,碱金属则以Ca和K含量较高,其热解利用过程中由于熔融结渣可能会影响分段式热解过程的进行。
  (2)热解条件显著影响牛粪的热解过程及产物的生成。对干馏热解模式下不同热解温度和停留时间下产物的分布进行了系统研究,结果表明,热解温度对热解产物的影响明显大于停留时间。随着热解温度的升高,气相的产率明显增大,气相热值明显增加。但当温度从800℃升高到900℃时,该变化趋势较小。热解停留时间为1h时,固相产率高,热值低;热解停留时间长于2h时,热解产物分布变化不大,但增加了系统能耗。
  (3)分段式热解工艺中高温气化段主要发生热解炭、焦油、不可冷凝大分子化合物与水蒸气等的二次裂解,该阶段是否引入第一级干燥脱水后的水分、在哪一温度下引入皆是分段式热解工艺需要解决的问题,因此,对牛粪在水蒸气气化模式下不同热解温度和不同水蒸气通入起始温度点下的产物分布进行了试验研究。研究结果表明,水蒸气气化模式下气相产率与可燃气热值明显提高,气相产物中H2所占比例显著提高,CO和CH4有所降低,改善了生物燃气安全利用性能。
  (4)为进一步了解牛粪在干馏热解和水蒸气气化2种模式下热解炭的品质,更有效的利用热解炭,减少污染,采用SEM、XRD、XRF、压汞仪等仪器对2种热解模式下的热解炭的表观结构、晶体化合物迁移、结渣特性、孔隙特性进行了全面分析。研究结果表明,牛粪及其热解炭主要含SiO2和KCl,随着有机挥发份析出,孔隙结构发生明显地改变,水蒸气气化模式下固相产物总孔隙度明显大于干馏热解模式,总孔容积略高于干馏热解,平均孔径差异不明显。在900℃时,水蒸气气化模式下的固相产物出现明显的熔融结晶状态,炭中存在严重的团聚渣块现象,渣块坚硬且密实,干馏热解模式下产物未出现熔融结渣状况,但也出现了结构变形。
  综合试验研究结果,针对本课题组提出的连续分段式热解工艺,如果牛粪热解利用的目的是生物燃气,在高温热解段应采用水蒸气气化模式,但气化温度不能超过800℃,以避免出现结渣而影响正常生产;如果是制备还田用生物炭,第2至第3段均可采用低温干馏热解模式,以增加生物炭生产能力,亦可采用水蒸气气化方式生产土壤改良用生物炭,其温度条件应根据物料质量平衡及热解时间进行计算确定,但不宜在700℃及以上。
[博士论文] 辛娅
农业生物环境与能源工程 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:随着人们生活水平的提高,对奶制品、肉制品的需求大幅增加,促进了我国奶牛、肉牛养殖业的规模化发展。牛粪是奶牛、肉牛养殖过程中不可避免的污染物,若大量的牛粪得不到及时处理,不仅会影响养殖场的发展,还会污染周边的环境,对人们的生命健康构成威胁。牛粪中含有丰富的有机成分,具有转化为生物燃料的潜能。热化学方法具有处理效率高,周期短,能够在热处理过程中杀死粪便中病毒细菌,且产生一氧化碳、氢气、生物炭、生物油等高附加值燃料。其中氢气是一种燃烧生成水、清洁无污染的燃料,被认为是能够替代化石燃料的最理想的未来能源之一。本研究拟采用气化技术将牛粪转化为富氢气体,从牛粪热解机理入手,通过试验研究牛粪原位气化和分步气化2种模式下主要工艺参数对产物特性的影响,以实现高效处理牛粪并制备富氢气体的目的。其主要研究内容及结果如下:
  (1)开展了牛粪热解机理的研究。根据范式洗涤原理对牛粪进行处理获得不同成分组合的洗涤纤维,采用热重分析实验方法探讨牛粪中不同组分洗涤纤维的热解特性。结果表明牛粪中中性洗涤溶解物的含量最大为39.35%,半纤维素和纤维素含量次之,分别为26.24%、24.05%,木质素的含量较低。以纤维素为主要成分的酸性洗涤纤维,热解速率最大,为14.31%/min,强酸洗涤纤维热解速率最小为1.62%/min。牛粪不同组分在热解过程中相互影响而不是简单的叠加,纤维素的加入使木质素的热解速率和温度区间发生变化,半纤维素的存在对纤维素的热解挥发具有一定的抑制作用,使得纤维素的热解速率由14.31%/min降低到7.62%/min,木质素、纤维素和半纤维素三组分的热解存在耦合作用。
  (2)建立了牛粪热解动力学模型。采用离散分布活化能模型深入分析了牛粪热解特性及其各化学组分之间的耦合关系,对超高、超低升温速率下热解特征进行了预测和对比分析,研究了挥发分析出过程中所对应的起始温度、终止温度、峰值温度以及峰值速率等特征参数随升温速率的变化规律。结果表明牛粪的热解过程可以通过27个主导反应来精准表征,且这些反应可以分成4组分别代表牛粪4组分(中性洗涤溶解物,半纤维素,纤维素和木质素)的热解过程。各组分的分解没有明确的边界,它们相互作用、相互耦合。随着升温速率的不同,各组分之间的这种关联耦合特性亦发生变化。
  (3)开展了高湿牛粪原位气化制备富氢气体关键工艺参数的研究。以湿牛粪为研究对象,在固定床反应器内采用单因素试验的方法,对不同温度、水分质量分数,升温速率和进料温度条件下原位热解气化产气率、成分、热值,氢气产率和碳转化率的变化进行研究和分析。试验结果表明,随着温度和水分质量分数的增加,氢气的体积百分含量、热解气的产率和热值增加;升温速率和进料温度对氢气的体积百分含量和产气率的影响不显著。湿牛粪的原位气化结果表明牛粪有制备氢气的潜能,氢气的最大产率为536.64ml/g,氢气的含量最高达到了50.57%。原位气化过程中各反应相互重叠,反应复杂且热解产生的挥发分对生物半焦的反应活性和蒸气气化反应有抑制作用。
  (4)开展了“牛粪低温炭化-半焦高温气化”两步气化制取富氢气体的研究。在低温炭化阶段重点分析操作参数对牛粪低温炭化反应机理的影响,主要采用正交设计研究了温度、含水率、升温速率、进料量、反应时间对产物分布的影响,采用全因素实验设计研究温度和含水率对产物分布和炭特性的影响,采用单因素试验分析温度和炭化时间对干牛粪低温炭化的影响。结果表明温度是影响产物分布和炭特性的主要因素,当含水率固定在75%,随着炭化温度从400℃增加到600℃,固体半焦的产率从47.30%降低到37.70%。含水率的对产物分布有一定的影响,但含水率的影响受温度的限制,且含水率主要改变液体和气体的产率。水蒸气的存在抑制了反应器内重油的二次裂解反应,促进了重油的水蒸气气化反应。温度是影响固体半焦C、H、O、固定碳、挥发份、灰分含量以及半焦热解特性、晶体结构、矿物质含量的主要因素,含水率对牛粪半焦的特性影响不明显。其中600℃条件下制备的半焦C含量高达80.59%。因此以制备半焦为目的的炭化过程中,可以主要考虑温度的影响。
  (5)进行了两步气化过程中高温气化段的试验研究。主要研究了半焦气化反应机理和操作参数对半焦高温气化产气效果的影响,并选取不同特性的半焦为原料进行气化重整试验,分析半焦对产气效果的影响。试验结果表明:提高气化温度能够增加产气率和产氢率,适宜的水蒸气流速能够促进氢气的产率,高温加热模式有助于制取富氢气体,牛粪灰可以促进半焦气化过程中焦油的产生,但会抑制气化过程,影响气相得率。半焦高温气化的较优的工艺参数为气化温度850℃,水蒸气流速1.66g/min,高温进料方式,氢气的最大产率为1105.30ml/g,氢气百分含量最高达到了59.08%。不同温度制备的半焦在最佳参数下的气化结果表明高温条件制备的半焦有助于氢气的产生,根据氢气产率的大小对原料排序为:BC-500>BC-600>BC-350>BC-400>BC-300>牛粪,其中BC-300~BC-600分别表示在炭化温度300℃~600℃,反应时间30min条件下制取的牛粪半焦。在相同的气化条件下,牛粪和BC-300在气化过程中的转化率高于BC-500和BC-600,但牛粪和BC-300的产气率低于BC-500和BC-600的产气率。这表明牛粪和BC-300中的组分主要转化为了生物油。因此高温度制备的半焦有利于气化制氢,且能够降低生物油的产率。
  (6)牛粪的组分和热特性研究表明牛粪具有热化学处理的潜能,可以采用热化学方法处理牛粪。原位气化和分步气化的研究结果表明:a.牛粪具有气化制氢的潜能;b.相比于原位气化,分步气化的方法提高了氢气的产率并减少生物油的产率;c.高温下制备的半焦是较优的气化材料。d.牛粪半焦的气化产氢量优于牛粪气化的产氢量,且半焦气化可以减少生物油的产率;e.850℃的气化温度是半焦气化的适宜温度;f.牛粪半焦的质量是牛粪原料的40%左右,可减少高温段气化装置成本及能耗。因此,牛粪分步气化制取富氢气体是一种处理牛粪污染物、制取富氢气体的有前景的、有潜力的技术。
[硕士论文] 曹肖伟
机械工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:随着化石能源的日益紧缺及温室效应的日趋严重,可再生能源的大规模开发利用成为世界重大热门课题。生物质作燃料,是未来国际可再生能源的发展方向。生物质的能源化利用,不仅保护了环境,解决了农林废弃物的处置问题,而且实现了能源的可持续发展,对降低环境污染和节约资源都具有十分重要的意义。目前,生物质能源利用的最主要途径是生物质发电。由于收获后的生物质资源含水率较高,因而在生物质燃料进行发电前,需要对生物质燃料进行干燥,提高其能源的转化效率,降低资源浪费。干燥设备的性能高低对生物质能源的利用率起到关键作用,本论文针对国内生物质干燥自动化低和通讯易出现故障等问题,采用CAN总线技术和模糊控制技术相结合的方法,为生物质发电系统提供了技术先进、性能可靠、适合我国国情的干燥系统。
  本论文在分析现有生物质发电企业的生产环境和工艺要求的基础上,结合生物质干燥系统现存的弊端,对生产工艺和生产控制进行优化。首先确定板式干燥机系统的整体控制方案,使其更符合自动化控制要求,然后结合传感器和模糊控制技术,建立烘干燃料重量、湿度与输送带速度之间的数学描述。上位机采用PC控制,结合MCGS组态技术搭建上位机控制系统,完成系统管理、通讯搭建、监测窗口、数据显示、报警信息等主要内容的搭建。基于CAN总线控制技术和模糊控制技术构成上下位机控制体系结构,实现生物质上料系统的自动化控制,对干燥过程中的湿度、温度进行智能化调节。根据农作物秸秆含水率反馈参数,自动调整输送带速度,并判断生物质烘干程度是否达到要求。并根据模糊控制方法在MATLAB环境下对系统进行仿真实验,结果表明系统反应灵敏,抗干扰能力强,精确度高,具有较好的控制效果,能够更好地符合实际控制需要。
  最后,采用CANScope和CAN总线分析仪相结合的方法,对CAN总线的通讯状况进行检测,主要包括:CAN报文、CAN示波器、CAN眼图、CAN波形等方面,同时可以对总线进行对称性测试、采样点测试、位宽度容忍度、FFT分析和信号质量分析等方面的测试。经过以上项目的测试,结果表明:CAN总线设备通讯正常,未出现任何错误和干扰等情况。同时,基于所研究课题搭建了实验平台,对干燥系统进行调试和模拟分析,以了解系统在实际生产中的工作情况,测试结果表明:系统满足所要实现的控制要求。
[硕士论文] 郝欢欢
农业机械化工程 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:本文针对约翰迪尔1204型拖拉机的整机振动特性进行研究。分别对拖拉机座椅做了傅里叶变换分析和小波分析,对拖拉机车体做了小波分析,对拖拉机车桥做了小波分析和混沌识别分析。将拖拉机作为一个整体,在各个部位分析的基础上,综合分析了整机的振动特性。为拖拉机整机振动研究和减振研究提供了理论支持。本文主要研究内容和结论如下:
  (1)对拖拉机座椅振动的研究。利用快速傅里叶变换分析了座椅振动。得出影响拖拉机座椅振动的因素有地形条件、行驶速度以及车况。拖拉机座椅处振幅随着速度增大的变化规律为:1,先增大后减小,然后继续随着速度的增大而增大。2,拖拉机车速在共振频率下的速度范围内时,空车车况下振动强度比负重车况下振动强度小。在车速大于共振频率下的速度后,负重车况下振动增加的速度比空车车况下振动增加的速度慢。为达到拖拉机减振的目的,既可以采用减速的办法,使拖拉机速度尽量接近1.40m/s,也可以给拖拉机适当增加配重。座椅振动是一个低频振动,固有频率范围为2.48Hz-3.144Hz,此时激振频率1.25Hz-1.65Hz,二者接近,故拖拉机低速行驶时会产生共振现象。设计拖拉机座椅时,应该避开拖拉机驾驶员敏感频率范围,这样才能提高舒适性。试验结果为座椅设计提供了理论支持。
  (2)对拖拉机整机振动信号的研究。利用小波变换的方法检测了拖拉机车桥、车体、座椅等处的激励信号。得出当拖拉机负重时,路面激励信号从车桥传递到座椅处的过程中,信号强度共衰减了大约212倍。空车时,路面激励信号从车桥传递到座椅处的过程中,信号强度共衰减了大约12倍。为拖拉机适当增加配重可以提高悬架减振器的性能,使悬架减振器更高效的阻断由地面激励信号引起的振动。
  (3)拖拉机单侧经过路障时,对拖拉机整机因剧烈振动而发生侧翻的研究。当拖拉机行驶途中只有一侧经过路障时,应该尽量低速行驶,降低路面障碍物引起的拖拉机振动。拖拉机在一侧遇到障碍物时,拖拉机负重情况下后桥处振动加速度大约为46g,空车情况下后桥处振动加速度44g,表明依靠增加配重拖拉机振动强度变化不明显,增加配重不能达到减振目的。此时,拖拉机速度不能超过v=5.14 m/s,否则,拖拉机就有可能发生侧翻。
  (4)对拖拉机振动信号奇异性的研究。利用小波分解的方法分析了2个频率小波分辨率下的拖拉机振动细节信号。在2级小波分解细节信号中都检测到了振动信号的奇异性。得出车桥处2级小波分解细节信号的奇异性主要是车桥内部传动系统造成的。车桥处2级小波分解细节信号的奇异性可以用于传动系统故障检测。为了降低传动系统引起的拖拉机振动,一方面需要定期保养维护传动系统,另一方面需要加强对传动系统稳定性的研究,包括车桥差速器、变速箱、传动轴等性能的研究。
  (5)对拖拉机振动的非线性研究。利用混沌分析的方法得出拖拉机振动信号相空间重构后的关联维数D在1.9534-2.0800之间,不是整数,证明后桥振动信号具有混沌特性;Lyapunov指数在1.4395-1.5128之间,均大于零,则拖拉机后桥振动处于混沌状态。拖拉机的后桥振动处于混沌状态,那么拖拉机整机振动信号处于混沌状态。本章研究结果可以应用于拖拉机安全警报,当拖拉机经过崎岖道路时,混沌分析方法结合计算机硬件系统可以提前预测到拖拉机发生跳跃,警告拖拉机驾驶员安全驾驶,避免发生拖拉机整机脱离地面的险情。
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