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《中国农业大学》 2014年
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木薯茎秆作为生物质能原料的化学特性研究

韦茂贵  
【摘要】:木薯茎秆是加工固体颗粒燃料和燃料乙醇等多用途的生物质原料。本试验在我国木薯主产区进行生产田取样和正交设计大田试验,研究木薯茎薯比、直燃利用的原料特性(简称燃料特性)及非结构性糖含量随地点、品种及收获时间的变化规律,探讨木薯茎秆资源量评估的方法及其原料品质分级指标,为木薯茎秆利用的工艺设计和产业发展提供理论依据。试验结果如下: (1)鲜基的茎薯比(茎秆产量/块根产量)均值为0.63,其95%置信度的区间为0.56-0.70。主栽品种华南205的茎薯比均值为0.58,置信区间为0.52-0.64。茎薯比受生长环境和品种及其交互作用的影响。块根收获指数折茎薯比的折算系数也受生长环境和品种的影响。利用折算系数A'将查阅文献获得的收获指数折为茎薯比的方法可行,当收获指数为0.55-0.63时,可用系数A(0.89-1.1)折算为茎薯比。收获指数与茎薯比呈显著负相关。 (2)地点因素对木薯茎秆燃料特性(热值(GCV)、去灰分热值(GCVaf)、灰分、N、S、Cl、P、K和Mg含量)的影响最大,品种的影响次之,收获时间的影响最小。茎秆Ca含量受品种的影响最大。偏最小二乘判别分析(PLS-DA)对地点判别的结果显示,引起茎秆燃料特性地点间差异的主要指标为K、灰分、Cl、GCV和GCVaf。其中,K、灰分和Cl含量与土壤理化性质相关,其偏最小二乘线性模型的判别系数R2分别为0.954、0.873和0.789。木薯茎秆灰分含量为1.70-6.69%。用成灰元素的摩尔比及K2O-(CaO+MgO)-P2O5的成分三角坐标图来预测茎秆燃烧时灰分行为,结果表明:木薯茎秆的灰熔点1500℃,燃烧时底灰熔融结渣的可能性小。茎秆的K和Cl含量分别为1.0-27.8g kg-1和0.2-6.3g kg-1,个别地区(如武鸣和隆安)的茎秆燃烧时会有大量飞灰颗粒产生,易引起颗粒物排放超标、氯化物在换热器表面沉积和腐蚀设备。木薯茎秆的N含量为6.0-21.6g kg-1,燃烧时引起酸性气体排放超标的可能性大。 (3)木薯茎秆非结构性糖(可溶性糖和淀粉)的含量和产量受地点因素的影响最大,受品种因素的影响次之,收获时间的影响最小。茎秆淀粉含量为干重的14-42%,产量为0.2-2.1t ha-1,平均产量1.2t ha-1,比只收获块根淀粉增加17.9%。加上可溶性糖,茎秆的非结构性糖产量为0.30-0.59t ha-1,可生产燃料乙醇1408-9246L ha-1,比只利用块根加工燃料乙醇增加6.51-52.94%。在块根收获期内,茎秆淀粉含量与块根淀粉含量呈正相关,判别系数为0.573。正相关关系在不同品种间稳定存在。选择块根淀粉含量高的品种,获得高淀粉含量茎秆的几率大。 (4) PLS-DA对地点判别的结果表明,Cl、K和淀粉含量变化是引起木薯茎秆原料化学特性地点间差异的主要原因。引起同一地区的茎秆原料化学特性品种间差异的主要指标为S、Ca、K、Cl和淀粉含量。若木薯茎秆全部用于加工燃料乙醇和固体颗粒燃料,会造成每公顷14-130kgN、1.05-20kg P、3.85-195kg K和3.15-63.65kg Ca的损失。可持续加工利用木薯茎秆,除考虑原料品质外,还要考虑营养元素K、N和Ca的回收还田,以保持土壤肥力。
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:S216.2

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