[科普中国]-秸秆生物气化技术及工艺流程

秸秆生物气化技术又称秸秆沼气技术，是指以秸秆为主要原料，经微生物厌氧发酵作用生产可燃气体——沼气的秸秆处理利用技术。采用该项技术处理秸秆，能生产农村急需的高品质源，还能生产有机肥料，转化率高，经济效益好。按处理工艺可分为干法和湿法发酵两类，按规模可分为户用和工程化两类。(一)国内外技术研发现状1．国外技术研发现状由于秸秆含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，并相互交织在一起，表面还包裹了一层蜡质，起支撑、保护及避免微生物侵袭的作用，从而使秸秆降解极其缓慢，导致利用秸秆生产沼气存在启动慢、产气率低、结壳严重等问题。国外在秸秆的预处理、秸秆厌氧发酵工艺及产业化装备方面做了研究。目前欧洲可用于秸秆厌氧发酵处理的工艺主要有四种类型：车库型、气袋型、渗出液存贮桶型和干湿联合型。美国加州大学DAVIS分校研制的贮罐型装置也可用于秸秆厌氧发酵处理。2002年，德国BIOFERM公司、BEKON公司等厂家生产的车库型工业级装备已投入实际运行，在控制、安全等方面均较完备，但所需投资巨大。在原料方面，德国农场3000多个沼气工程中，超过60％的工程采用玉米青贮秸秆与畜禽粪便混合厌氧发酵来生产沼气并用来发电，玉米青贮秸秆是指栽种的玉米在成熟前2周左右收割、粉碎和堆放，青贮秸秆添加量一般为发酵原料的20％左右。这些工程全部采用热电联产技术，中温(35℃)发酵占90％以上，因此容积产气率较高，一般都在0．8立方米／(立方米/天)以上。在全世界能源日益短缺和环境持续恶化的情况下，发达国家纷纷投入巨资，试图在秸秆生物沼气技术的产业化方面取得突破。而取得产业化突破的关键是经济和技术都可行的工业级谨施、装备。因此，研究适用的规模化秸秆干法厌氧发酵设施、装备是当前秸秆生物沼气技术的发展趋势。2．我国技术研发现状从20世纪80年代起，国内科研院所、大专院校和相关企业对秸秆沼气干法厌氧发酵技术进行了大量研究，如中国科学院成都生物研究所、辽宁省能源研究所、农业部规划设计研究院、山东省能源研究所、吉林省农业科学院土壤肥料研究所、宁夏回族自治区农业科学院土壤肥料研究所、中国科学院过程工程研究所、北京化工大学、武汉大学、清华大学、华中科技大学、华中农业大学、北京合百意生态能源科技开发有限公司、天津市同瑞达环保设备有限公司等，并取得了大量科技成果。中国科学院成都生物研究所开发了高效复合菌剂，并与北京合百意公司合作，进行了复合菌剂预处理秸秆产沼气生产性试验研究，8立方米沼气池对比试验研究表明，在前30天产气阶段内，经过预处理的秸秆比未预处理的秸秆，产气率提高40％以上，并且产气启动时间缩短一半，沼气中甲烷含量为60％左右。发酵后的物料不结壳，较为松散。2003年中国科学院成都生物研究所与北京合百意生态能源科技开发有限公司在北京顺义建成秸秆产沼气示范基地和年产1 200吨秸秆产沼气菌剂的生产车间，合作生产秸秆预处理产沼气复合菌剂，在全国10多个省、自治区、直辖的50多个县进行了示范应用，并在江西吉安等地进行了规模化推广。(二)工艺流程1．户用秸秆沼气 通过对不同的秸秆进行粉碎度、粉碎方式、留水分和预处理时间等筛选实验研究，取得了大量有实用价值的技术参数，确立了复合菌剂预处理秸秆的工艺技术流程。(1)粉碎。粉碎机粉碎秸秆(稻草、麦草等)，粒度10毫米。(2)温润。粉碎秸秆加水(最好是粪水)润湿，每100千克秸秆加水量为100～120千克。润湿时间为1天左右。(3)混合。将润湿好的秸秆加水(最好是粪水)，与补充水分后的复合菌剂和碳酸氢铵(简称碳铵)混合。8立方米沼气池菌剂用量l千克，碳铵用量5千克，加水量为100千克，秸秆补加到185—200千克(用手捏紧，有少量的水滴下，保证含水率为65％～70％)。肉眼观察以地面不能有水流出为止。(4)生物预处理。池外预处理时，将拌匀的秸秆收堆，宽度为1．2～1．5米，高度为l～1．5米(按季节不同而异)。生物预处理时间夏季3～4天，冬季4～6天。一般情况下，当堆内温度达到50~C并维持3天、堆内秸秆长有白色菌丝时即人池。池内预处理时，可人无水的沼气池进行生物预处理，生物预处理时适当踏实，池口要覆盖。(5)接种。将生物预处理好的秸秆人池，加入接种物，同时加入碳酸氢铵(无粪便的情况下)。加入接种物的量为料容的20％～30％，碳酸氢铵量为8～10千克(有粪便时可不加或少加)，加水量为沼气池的常规容量(总固体浓度为6％一8％)。若采用干发酵工艺，秸秆经生物预处理后不需加水，加接种物即可。(6)启动。密封沼气池池口，然后连续放气1～3天。从放气的第二天开始试火，直至能点燃并且火苗稳定即可正常使用。2．大中型秸秆沼气(覆膜开放槽干法厌氧发酵技术工艺流程)(1)基本原理。覆膜开放槽干法厌氧发酵技术的核心是覆膜开放槽生物反应器：采用独特的软管充气压力密封方式，使柔性的膜覆盖材料与刚性的槽体快速密封或解除密封，从而快速建立固体厌氧发酵环境或快速转换成好氧发酵环境，使发酵槽一槽多用。(2)工艺流程。首先将物料堆人发酵槽，进行好氧预发酵，待物料升温后，将厌氧旧料或由专用菌种制备系统生产的菌种混入；然后在发酵槽上覆盖柔性密封膜，使物料在密闭条件下厌氧发酵，生产沼气；厌氧期结束时，将膜内沼气抽空，并收起柔性密封膜，剩余物料再进行好氧脱水处理，生产有机肥料。整个处理过程分三个阶段，即好氧预处理升温一厌氧发酵生产沼气一好氧发酵生产有机肥料。利用太阳能和生物能使物料升温，利用深堆层物料的自保温性能和加强生物反应器保温来维持中温厌氧发酵温度，同时设计燃烧沼气的加热系统用于沼气工程冬季稳定运行。用翻搅机将厌氧菌种与物料混合均匀，好氧发酵阶段通过翻搅为物料充氧。编辑：张琳霞审核专家：省农业生态环境建设总站研究员 刘文涌