李布青, 代學(xué)猛, 代永志, 葛 昕
(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所,安徽合肥 230031;2. 安徽永志環(huán)能科技有限公司,安徽阜陽 236300)
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農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣工程設(shè)計(jì)研究
李布青1, 代學(xué)猛2, 代永志2, 葛 昕1
(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所,安徽合肥 230031;2. 安徽永志環(huán)能科技有限公司,安徽阜陽 236300)
農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣是秸稈綜合利用的有效途徑,受到廣泛關(guān)注。結(jié)合大型秸稈沼氣工程實(shí)例,闡述了針對秸稈特性的農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣工程特點(diǎn)、工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)。
秸稈;厭氧消化;沼氣;工程設(shè)計(jì)
在化石能源漸趨枯竭的今天,能源緊張對全球和我國的影響都日益突出,世界開始將目光聚集到新生能源領(lǐng)域。在諸多新能源當(dāng)中,生物質(zhì)能源是最安全、最穩(wěn)定的能源,也是目前國家重點(diǎn)鼓勵的新能源領(lǐng)域。農(nóng)作物秸稈是農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的生物資源,是富含有機(jī)質(zhì)(80%~90%)的重要生物質(zhì)能源,為當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。由于秸稈本身的難降解性和當(dāng)前處理秸稈的技術(shù)水平還有限,目前存在秸稈過剩問題。大量農(nóng)作物秸稈被廢棄,不僅浪費(fèi)了寶貴資源,還嚴(yán)重污染了大氣和水體,惡化了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和農(nóng)民人居環(huán)境。如何充分利用這些資源而又使環(huán)境不受污染,是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的難題。通過沼氣發(fā)酵獲取生物能源是農(nóng)作物秸稈資源化利用的一條非常有潛力的途徑。利用秸稈生產(chǎn)沼氣比用畜禽糞便生產(chǎn)沼氣具有原料來源充足,沼液零排放,直接作為有機(jī)肥料使用的沼渣可長期貯存、運(yùn)輸方便、價格較便宜等優(yōu)勢[1-3]。但是,秸稈的木質(zhì)纖維素含量較高,不能被厭氧菌有效地降解,相對于畜禽糞便等易消化的物料,秸稈的生物氣化要困難的多。雖然國內(nèi)外在秸稈的預(yù)處理、秸稈厭氧發(fā)酵工藝及產(chǎn)業(yè)化裝備方面做了大量研究和工程實(shí)踐,工程化的秸稈產(chǎn)沼氣技術(shù)目前尚處于示范應(yīng)用階段[4-7]。筆者結(jié)合大型秸稈沼氣工程實(shí)踐,闡述了針對秸稈特性的農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣工程特點(diǎn)、工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)。
秸稈的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其成分中的木質(zhì)素不能轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵的糖類,而且秸稈中的木質(zhì)素包裹在纖維素和半纖維素的表面,形成空間阻礙,阻礙了酶和微生物與纖維素、半纖維素的充分接觸。因此,秸稈在自然狀態(tài)下難以被厭氧菌消化。秸稈密度小、體積大,不具有流動性,進(jìn)出料困難;秸稈在消化開始階段容易產(chǎn)生酸的消耗不平衡,引起酸積累,造成酸中毒現(xiàn)象,影響正常運(yùn)行;反應(yīng)器內(nèi)傳熱傳質(zhì)不均勻,物料與接種物接觸不充分,消化條件不易控制。
農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣工程如果沿用畜禽糞便沼氣工程技術(shù),因秸稈本身質(zhì)地較輕,進(jìn)料后容易浮在液面上,造成原料分層和結(jié)殼。原料漂浮在料液上面不能與微生物充分接觸,減緩反應(yīng)速度。同時,漂浮原料的結(jié)殼阻止沼氣及時逸出。秸稈不具有流動性,進(jìn)出料困難,攪拌阻力大,傳質(zhì)效率低,氣體釋放困難。存在啟動慢、產(chǎn)氣量少、產(chǎn)氣率低、原料浪費(fèi)等諸多問題。因此,農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣工程需要針對秸稈密度小、體積大、不具有流動性等特性, 研究設(shè)計(jì)適合其物料特性的工藝技術(shù)裝備,破解工程化秸稈產(chǎn)沼氣技術(shù)難題,通過技術(shù)的組合運(yùn)用,提高秸稈發(fā)酵產(chǎn)氣效率,實(shí)現(xiàn)秸稈高效消化生產(chǎn)沼氣[8]。
該研究以安徽省阜南縣洪河橋秸稈沼氣集中供氣示范工程實(shí)踐為例,闡述針對秸稈特性的農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣工程特點(diǎn)、工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)。
2.1 工程概況安徽省阜南縣洪河橋秸稈沼氣集中供氣示范工程位于洪河橋鎮(zhèn)釤崗行政村的胡臺移民新村,工程占地0.3 hm2,投資約256萬元,建有碳鋼厭氧發(fā)酵罐800 m3,膜式儲氣柜300 m3,沼液回收循環(huán)利用池50 m3。采用中溫發(fā)酵,發(fā)酵原料為秸稈,發(fā)酵濃度10%~18%。設(shè)計(jì)日處理秸稈1.5 t,年可消納秸桿600 t,年產(chǎn)沼氣約26萬 m3,可供應(yīng)周邊500戶居民[9]。
2.2 工藝設(shè)計(jì)從成功運(yùn)行的秸稈沼氣示范點(diǎn)看,我國秸稈沼氣工藝類型多樣。根據(jù)秸稈物料在反應(yīng)器中的形態(tài),大致可分為液態(tài)消化、固態(tài)消化和固液兩相消化工藝[8]。
液態(tài)消化工藝較成熟,發(fā)酵原料固體含量在8%左右。液態(tài)消化技術(shù)已被大量應(yīng)用于混合原料沼氣工程,目前我國已建秸稈沼氣工程也多采用液體消化工藝。主要問題是所用物料TS較低,消化器體積較大,加熱和攪拌能耗高,且微生物容易隨出料流失。
固態(tài)消化(干法發(fā)酵)工藝特點(diǎn)是發(fā)酵原料干物質(zhì)濃度高,一般干物質(zhì)含量>15%。優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵原料干物質(zhì)含量高,提高了池容產(chǎn)氣率,一次性裝料,中途無需進(jìn)出料,適應(yīng)大規(guī)模的秸稈處理,發(fā)酵過程中運(yùn)行費(fèi)用低。缺點(diǎn)是不能連續(xù)生產(chǎn)沼氣,大出料時安全性差、投資大。
固液兩相消化工藝針對秸稈特性,固態(tài)產(chǎn)酸與液態(tài)產(chǎn)甲烷相結(jié)合,綜合了液態(tài)消化、固態(tài)消化的優(yōu)點(diǎn),反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行,無需停產(chǎn)大出料、機(jī)械化自動化程度高、運(yùn)行可靠、處理量大、運(yùn)行能耗低、管理方便。
秸稈兩相(循環(huán)接種式)厭氧消化技術(shù)以秸稈為原料,從消化器頂部投料,依靠秸稈和沼液的比重差異形成固液兩相分離;同時,通過進(jìn)料時攜帶的沼液循環(huán),達(dá)到物料循環(huán)接種效果的秸稈厭氧消化技術(shù),適合處理各種秸稈類物料或秸稈與糞便等的混合性物料?;静划a(chǎn)生沼液,有效解決了大量消化產(chǎn)物如何有效處理的難題。綜上,該工程厭氧消化器設(shè)計(jì)采用一體兩相厭氧消化技術(shù),工藝流程見圖1。
2.3 單元設(shè)計(jì)
2.3.1原料預(yù)處理。
2.3.1.1秸稈預(yù)處理工藝概況。秸稈原料預(yù)處理主要作用是質(zhì)地改善和營養(yǎng)調(diào)節(jié)兩個方面。秸稈中的木質(zhì)素很難被微生物消化,成分和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了產(chǎn)沼率低下,改善秸稈的成分和結(jié)構(gòu)主要通過物理、化學(xué)和生物手段。物理預(yù)處理是利用機(jī)械、熱等方法來改變秸稈的外部形態(tài)或內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)?;瘜W(xué)預(yù)處理是利用化學(xué)制劑作用于作物秸稈,破壞細(xì)胞壁中半纖維素與木質(zhì)素形成的共價鍵,從而達(dá)到提高秸稈消化率的目的。生物處理是在人工控制下,利用一些細(xì)菌、真菌等微生物的發(fā)酵作用來處理秸稈。雖然很多研究結(jié)果顯示,物理、化學(xué)預(yù)處理的效果顯著,但在工程實(shí)踐中應(yīng)用很困難,主要是工藝復(fù)雜、投資大以及潛在的二次污染等問題[8]。
秸稈中碳含量較高,而磷、鉀等微生物代謝所必需的元素和微量元素含量較低,不利于微生物發(fā)酵利用,營養(yǎng)的不均衡也是秸稈處理效率低的原因。營養(yǎng)調(diào)節(jié)通常是調(diào)整碳氮比,與碳氮比低的發(fā)酵原料混和發(fā)酵,例如畜禽糞便等,或添加一些化學(xué)元素,如尿素或碳酸氫銨。
2.3.1.2預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)。該工程針對沼氣秸稈原料特性,將生物預(yù)處理、物理預(yù)處理(機(jī)械剪切)相結(jié)合,質(zhì)地改善和營養(yǎng)調(diào)節(jié)相結(jié)合,在一個前處理池完成秸稈作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣原料的秸稈生物預(yù)處理、勻漿調(diào)質(zhì)等原料前處理。攪拌池和調(diào)節(jié)池合并為前處理池,設(shè)計(jì)為圓形池,較少死角。地下鋼砼結(jié)構(gòu),內(nèi)設(shè)切割泵、格柵等。池容設(shè)計(jì)800 m3,水力停留時間為8~12 h。利用回流沼液進(jìn)行勻漿調(diào)質(zhì),沼液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)不外排。待處理的秸稈原料與回流沼液、調(diào)質(zhì)物(微生物和富氮原料)在預(yù)處理和調(diào)質(zhì)一體化裝置中混合勻漿調(diào)質(zhì)的同時,通過機(jī)械剪切作用力,改變秸稈的外部形態(tài)和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),增強(qiáng)微生物的降解效果,加快生物預(yù)處理進(jìn)程,在批次進(jìn)料的間隙完成秸稈原料的預(yù)處理,提高處理效率,并有效防止進(jìn)料設(shè)備和管道的堵塞。
2.3.2厭氧消化器設(shè)計(jì)。厭氧消化器是沼氣發(fā)酵的核心設(shè)備,其設(shè)計(jì)取決于選定的厭氧消化工藝。秸稈一體化兩相厭氧發(fā)酵裝置主體由物料輸送系統(tǒng)、進(jìn)料器、固液兩相發(fā)酵裝置和沼液循環(huán)(接種)系統(tǒng)組成。
2.3.2.1固液兩相發(fā)酵裝置。固液兩相發(fā)酵裝置包括設(shè)有物料進(jìn)口(進(jìn)料器)、沼氣出口、沼渣出口、沼液出口的立式發(fā)酵罐、均勻布料器和水力(沼液循環(huán))攪拌器。沼氣出口設(shè)在發(fā)酵罐的頂部,物料進(jìn)口設(shè)在發(fā)酵罐的中上部,沼渣出口設(shè)在發(fā)酵罐的中下部,沼液出口設(shè)在發(fā)酵罐的底部,均勻布料器裝在發(fā)酵罐的上部,水力(沼液循環(huán))攪拌器裝在發(fā)酵罐的頂部,料液下設(shè)置有抗浮壓渣網(wǎng)。料池通過物料輸送系統(tǒng)與進(jìn)料口相連,進(jìn)料口通過物料輸送系統(tǒng)與發(fā)酵罐的物料進(jìn)口連接,發(fā)酵罐的沼液出口與料池沼液進(jìn)口連接。采用28~36 ℃中溫發(fā)酵,水力滯留時間20 d,容積產(chǎn)氣率1 m3/(m3·d)。厭氧發(fā)酵罐有效容積800 m3,平均日產(chǎn)沼氣600~800 m3。
2.3.2.2物料輸送系統(tǒng)和進(jìn)料器。預(yù)處理后原料經(jīng)過輸送裝置被送進(jìn)消化器(沼氣池)進(jìn)行發(fā)酵進(jìn)而產(chǎn)生沼氣。在秸稈沼氣系統(tǒng)工程中,秸桿和水(沼液)在預(yù)處理經(jīng)攪拌混合后,由于原料本身比較輕,往往漂浮在表層,而且物料密度高,顆粒大。在輸送的過程中,使用傳統(tǒng)的壓力泵等上料措施,容易造成管道的堵塞,也影響消化器(沼氣池)的產(chǎn)氣量,秸稈沼氣料液輸送問題是一個難題。該工程采用開式物料輸送機(jī)和活塞進(jìn)料器。經(jīng)預(yù)處理的高濃度固態(tài)物料用提升機(jī)(提升固體物料的斗式提升機(jī))送至罐頂,再經(jīng)輸送帶送到上料口。上料口內(nèi)設(shè)置活塞,通過活塞將固態(tài)物料送入發(fā)酵罐進(jìn)料口,從而實(shí)現(xiàn)將料池內(nèi)的料液輸送給發(fā)酵罐。進(jìn)料口在發(fā)酵罐內(nèi)液面下,并設(shè)有均勻布料器,通過水力(沼液循環(huán))攪拌器均勻布料。
2.3.2.3沼液循環(huán)(接種)系統(tǒng)。沼液循環(huán)(接種)系統(tǒng)由沼液循環(huán)泵、沼液池、發(fā)酵罐上部的水力(沼液循環(huán))攪拌裝置等組成。需要回流的沼液通過沼液循環(huán)泵打入發(fā)酵罐。發(fā)酵罐頂部均勻布設(shè)沼液回流總管,總管下設(shè)分管,分布在頂部不同位置,可以在一定程度上提高上料的均勻性,并且起到一定的攪拌作用。
2.3.3沼氣的凈化、貯存與利用。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣通過輸氣管路匯總,經(jīng)過脫水、脫硫等凈化裝置后,進(jìn)入輸氣管道用于居民炊事采暖用氣。為保證供氣的穩(wěn)定性,沼氣貯存在氣柜內(nèi),以調(diào)節(jié)沼氣生產(chǎn)量與使用量的均衡,保證居民生活用氣不出現(xiàn)較大的波動。選擇雙膜干式貯氣柜貯存沼氣。雙膜干式沼氣貯氣柜由外層膜和內(nèi)層膜組成,外層膜構(gòu)成貯氣柜外部球體形狀,內(nèi)層膜與底部圍成內(nèi)腔以貯存沼氣。貯氣柜設(shè)有防爆風(fēng)機(jī),以保持貯氣柜內(nèi)氣壓的穩(wěn)定。外層膜設(shè)有一道上下走向的軟管,由上述防爆風(fēng)機(jī)把外面空氣經(jīng)此軟管輸送進(jìn)外層膜與內(nèi)層膜之間的空間,使外層膜保持球體形狀并同時把沼氣壓送出去。
3.1 原料預(yù)處理在秸稈原料進(jìn)厭氧消化器發(fā)酵前需要進(jìn)行一定的預(yù)處理,主要作用是質(zhì)地改善和營養(yǎng)調(diào)節(jié)兩個方面。通過預(yù)處理提高秸稈的可生物消化性能、消化效率和產(chǎn)氣率,同時在預(yù)處理階段需要調(diào)節(jié)進(jìn)料濃度、進(jìn)料溫度。如果不能通過預(yù)處理確保沼氣工程的進(jìn)料質(zhì)量,將導(dǎo)致沼氣工程運(yùn)行不穩(wěn)定,難以發(fā)揮最佳的處理能力。從實(shí)際工程情況來看,預(yù)處理工藝在實(shí)際運(yùn)行中存在的問題最為突出。
該工程針對沼氣秸稈原料特性將生物預(yù)處理、物理預(yù)處理(機(jī)械剪切)相結(jié)合,質(zhì)地改善和營養(yǎng)調(diào)節(jié)相結(jié)合,利用回流沼液進(jìn)行勻漿調(diào)質(zhì),沼液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)不外排。待處理的秸稈原料與回流沼液、調(diào)質(zhì)物(微生物和富氮原料)在混合勻漿調(diào)質(zhì)的同時,通過機(jī)械剪切作用力,改變秸稈的外部形態(tài)和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),增強(qiáng)微生物的降解效果,加快生物預(yù)處理進(jìn)程,在批次進(jìn)料的間隙完成秸稈原料的預(yù)處理。降低了工程投資,提高了處理效率,并有效防止進(jìn)料設(shè)備和管道堵塞。
3.2 沼液控制大型沼氣工程產(chǎn)生的沼液在儲存和使用過程中會對周圍環(huán)境構(gòu)成污染,其主要表現(xiàn)為沼液儲存過程中有害氣體釋放、沼液直排造成的水體污染、農(nóng)田長期大量施用造成的重金屬沉積和沼液滲濾造成的地下水惡化。由于單位土地面積對沼液的容納能力有限,沼液的長距離運(yùn)輸成本又較高,加上氣候變化及農(nóng)作物復(fù)種情況影響,大型沼氣工程所產(chǎn)的沼液無法完全利用,而現(xiàn)階段對多余沼液的凈化處理或者對沼液的濃縮減容處理成本很高。因此,在秸稈沼氣工程設(shè)計(jì)中,避免沼液外排是基本要求[8]。該工程通過工藝措施,使沼液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán),并處于收縮狀態(tài)。
3.3 抗浮防結(jié)殼和攪拌設(shè)計(jì)由于秸稈原料的生化特性,秸稈原料在厭氧發(fā)酵中由于密度小容易隨沼氣氣體上浮,發(fā)酵初期原料上浮和上浮的秸稈浮渣中微生物在固體原料表面形成的生物膜相互作用在液面形成一層不透氣的硬殼,對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生很多不利影響[10]。結(jié)殼上浮使秸稈原料不能與發(fā)酵液充分接觸,原料不能被徹底分解,降低原料利用率。浮渣結(jié)殼導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣在發(fā)酵液中累積,不僅增加了發(fā)酵液中的沼氣分壓,而且沼氣中較多的CO2溶解于沼液中,使沼液的pH下降,影響產(chǎn)氣;秸稈上浮積聚結(jié)殼,影響發(fā)酵裝置內(nèi)固、液、氣三相傳質(zhì)、傳熱和流動性,傳統(tǒng)攪拌裝置和動力配置很難應(yīng)用。發(fā)酵裝置內(nèi)傳質(zhì)不均勻,容易造成局部酸積累。攪拌通過促進(jìn)水動力循環(huán),促進(jìn)微生物和底質(zhì)的良好接觸,通常是提高沼氣發(fā)酵效率的有效手段。攪拌可使反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻,溫度、pH、微生物種群等保持均勻一致,還可大大降低池底沉積及液面浮渣結(jié)殼。對于秸稈發(fā)酵,從工程運(yùn)行情況看,適當(dāng)?shù)臄嚢枋怯欣?,可提高產(chǎn)氣率。然而攪拌過度則可能會影響微生物的活性。
該工程抗浮防結(jié)殼和攪拌設(shè)計(jì)采用頂置水力循環(huán)攪拌,是利用發(fā)酵罐內(nèi)已有的料液,每隔一定時間段通過泵將料液進(jìn)行水力循環(huán)攪拌,通過料液的液體流動抗浮防結(jié)殼。攪拌效果較好,尤其是能耗較低。
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Design Studies of Anaerobic Fermentation Biogas Project by Straw
LI Bu-qing1,DAI Xue-meng2, DAI Yong-zhi2et al
(1.Agricultural Engineering Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences,Hefei, Anhui 230031; 2.Anhui Yongzhi Environmental Energy Technology Co., Ltd., Fuyang, Anhui 236300)
Straw anaerobic fermentation biogas is an effective way of straw utilization, and attracts widespread attention. Combined with straw biogas engineering examples, straw anaerobic fermentation biogas plant characteristics for straw characteristics, process and key technical design are elaborated.
Straw; Anaerobic digestion; Biogas; Engineering design
安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科建設(shè)與宏觀農(nóng)業(yè)研究項(xiàng)目(13A1323)。
李布青(1962- ),男,安徽太湖人,研究員,碩士,從事農(nóng)村能源研究。
2015-02-09
S 181.3
A
0517-6611(2015)09-268-03