CN101220292A - 一种利用作物秸秆制备清洁车用燃料的方法及装置 - Google Patents

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肖勇
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刘研萍
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Abstract

一种利用作物秸秆制备清洁车用燃料的方法及装置属于农业废弃物处理即可再生能源领域。本发明通过将预处理后的作物秸秆进行厌氧消化产生沼气，并对沼气提纯制得清洁车用燃料。本发明所提供的装置由厌氧消化装置、储气罐、吸收塔、过滤装置、再生装置和储液槽组成；其中，厌氧消化装置通过气泵与储气罐连接，储气罐通过气体压缩机与吸收塔连接，吸收塔与过滤装置和再生装置连接，过滤装置与气体压缩机连接；再生装置通过液泵与储液槽连接，储液槽通过液泵与吸收塔连接。本发明可以明显提高作物秸秆厌氧消化的沼气产量、缩短产气周期、成本低、设备简单、适用于工业化生产。

Description

一种利用作物秸秆制备清洁车用燃料的方法及装置
技术领域
本发明属于农业废弃物处理即可再生能源领域，尤其涉及利用作物秸秆制备清洁车用燃料的资源化利用方法及装置。
技术背景
我国是农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一，每年的作物秸秆资源总量约为7亿吨，其中以稻草、玉米秸和麦秸为主，这些秸秆资源量约占秸秆总资源量的75.6％。由于没有切实可行的处理与利用技术，大量秸秆转向露天焚烧，导致严重的空气污染，并引发火灾，威胁交通运输安全。因此，通过厌氧消化生产沼气是一种有效的利用途径。
利用作物秸秆通过厌氧消化生产出的沼气是一种很好的清洁能源，其主要成分是甲烷、二氧化碳和微量的硫化氢，以及一些痕量的物质：氢气、氮气等等。沼气在我国主要用于农村炊事、供热和发电，其利用价值低、经济效益差、利用范围也非常有限，从而限制了沼气行业向更高水平的产业化方向发展。而通过沼气提纯，可以把沼气提纯到车用天然气水平，生产出清洁车用燃料，用以替代汽油、天然气等常规化石能源和原料。与天然气相比，这种车用燃料具有可利用废弃物生产、不受气源和地域限制、可再生等特点。而且，研究表明，1标准m3(Nm3)的这种车用燃料相当于1.15L汽油的燃烧值。若按天然气价格计，1Nm3的车用燃料的价格在2.2～2.8元之间，而1.15L93号汽油的价格现阶段则为5.6元，两者相差一倍多。而且，中国汽油的价格尚未与国际接轨，以后的价格还会继续攀升，则这种车用燃料的价格优势会更具吸引力。此外，以甲烷为主要成分的车用燃料的生产本身就是消除环境中污染物的清洁过程，其使用又是一个清洁的过程，制造与利用的双向清洁过程将会使这种由作物秸秆制备出的清洁车用燃料更受人们的青睐。这样，就可实现沼气的工业化高值利用，并可大大缓解我国常规化石能源和原料的短缺问题。
目前，厌氧消化的原料一般是人畜粪便、污泥等，利用作物秸秆制备沼气的方法在有些文献中也有所报道，但由于作物秸秆的木质纤维素含量较高，而厌氧微生物对木质纤维素的降解能力较弱，导致厌氧消化过程缓慢、产气效率低、经济效益差，从而限制了作物秸秆用于沼气生产的大规模应用。
而通过对作物秸秆进行预处理，可以提高其厌氧消化的性能进而提高厌氧消化效率和产气量。常见的预处理方法有物理法、化学法和生物法三种，其目的都是希望通过预处理改变作物秸秆的物理结构或把它降解成简单的成分，以利于随后厌氧微生物的消化利用，从而提高沼气产量。物理法较为简单，但处理效果有限；生物法效果较为明显，但微生物的培养对设备和技术的要求大多比较高，实验研究容易，实际应用难度很大；液态化学预处理产气效果较好，但对反应器的设计要求较高，反应液的回用和处置也导致整个工艺成本的提高。
目前，对沼气净化处理的方式主要有三种，一种是水洗法，该法是利用二氧化碳和硫化氢在水中的溶解度大于甲烷的原理进行分离或提纯的方法。成本低，但去除效果较差，需较为庞大的设备和复杂的操作条件才能得到预期处理效果。第二种是膜分离法，该法利用不同气体对渗透膜的选择性能，将CH4与CO2等气体分离，但该法是在加压条件下完成沼气提纯的，其经济技术成本较高，投资较大。另外一种方法是变压吸附法(Pressure Swing Adsorption，PSA)，其基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯的方法，该法属于物理作用，其具有无设备腐蚀、无环境污染等优点，但其投资较高、操作复杂。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有技术中的问题，提供一种利用作物秸秆厌氧消化所产生的沼气及类似气源制备清洁车用燃料的方法及装置。
本发明提供的一种利用作物秸秆制备清洁车用燃料的方法，包括以下步骤：
1)作物秸秆的预处理：将作物秸秆粉碎后与氢氧化钠、硫化钠和水按重量比100∶6∶6∶80充分混合均匀呈潮湿状态后，常温下，于密闭容器中保存30天；
2)作物秸秆厌氧消化产沼气：将步骤1)中预处理的作物秸秆、接种污泥和水混合，其中作物秸秆的添加量为65～80g干重/L，污泥的添加量为使混合后体系的悬浮固体浓度MLSS＝15000mg/L(稻草不计在内)，加入氯化铵调节体系的碳氮比为20～30∶1，加氢氧化钠溶液或盐酸调节体系的pH＝6.8～7.4后，于35℃下厌氧消化产生沼气；
3)将步骤2)制备的沼气通入30℃的吸收剂溶液中，去除沼气中的二氧化碳和硫化氢；
4)使步骤3)得到的气体通过活性炭分子筛去除气体中的杂质和水，去除杂质和水后的气体经压缩装罐得到清洁车用燃料；
5)将步骤3)中的吸收剂溶液于91℃～95℃下加热进行再生。
其中，所述的作物秸秆为玉米秸、麦秸或稻草；步骤3)中所述的吸收剂为二乙醇胺与三乙醇胺的混合水溶液，二乙醇胺和三乙醇胺的质量分数分别为18％和2％；步骤4)中所述的清洁车用燃料中甲烷含量为97％，硫化氢含量为10ppm，含水率为0.2g/Nm3；所述的活性炭分子筛的孔径为1μm～5μm。
本发明所提供的一种实现利用作物秸秆制备清洁车用燃料的方法的装置，包括厌氧消化装置(1)、储气罐(4)、吸收塔(7)、过滤装置(13)、再生装置(9)和储液槽(11)；其中，厌氧消化装置(1)的出气口与气泵(2)的进气口连接，气泵(2)的出气口与储气罐(4)的进气口相连接，气泵(2)的出气口与储气罐(4)的进气口连接处设有气体阀门(3)，储气罐(4)的出气口与气体压缩机(6)的进气口连接，储气罐(4)的出气口与气体压缩机(6)的进气口连接处设置有气体阀门(5)，气体压缩机(6)的出气口与吸收塔(7)的进气口连接，吸收塔(7)的出气口与过滤装置(13)的进气口连接，过滤装置(13)的出气口与气体压缩机(14)的进气口连接；吸收塔(7)的出液口与再生装置(9)的进液口连接，吸收塔(7)的出液口与再生装置(9)的进液口的连接处设置有液体阀门(8)，再生装置(9)的出液口与液泵(10)的进液口连接，液泵(10)的出液口与储液槽(11)的进液口连接，储液槽(11)的出液口与液泵(12)的进液口连接，液泵(12)的出液口与吸收塔(7)的进液口连接。
其中，所述的吸收塔(7)中的填料为手工不锈钢θ环填料；所述的再生装置(9)为列管式换热器，换热器外层为水蒸气，内层为反应后的化学试剂。
气泵(2)用于当厌氧消化装置(1)中没有足够压力时抽取其中的沼气，并输送至储气罐(4)中；气体压缩机(6)用于压缩来自于储气罐(4)内的气体，使其在进入吸收塔(7)前能保持较为稳定的压力和流速；气体压缩机(14)用于将产品气压缩至一定压力，以便后续的罐装、制得清洁车用燃料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.相对于液态化学预处理，固态条件下的化学预处理不仅免除了处理也净化回用的能耗，而且大大简化了处理设备，节省成本，更适于规模化生产。
2.相对于未经预处理的作物秸秆，达到相同的累计产气量所需的反应时间缩短50％以上，从而可以显著提高厌氧消化反应器的生产效率。
3.相对于未经过预处理的作物秸秆，整个厌氧消化反应周期的平均产气量提高65％～120％，其中有效成分甲烷的平均含量提高5％～10％。
4.相对于只经氢氧化钠预处理的作物秸秆，整个厌氧消化反应周期的平均产气量提高3％～10％。
5.相对于专利CN 1145599C公开的垃圾沼气制备富甲烷气的工艺方法，本发明利用活性炭分子筛脱除其中的水分和杂质，使得脱水和去除杂质同时完成。另外，活性炭也易于再生，因此，节约了处理成本。
另外，本发明的原料气不限于作物秸秆厌氧消化产生的沼气，也可以是垃圾填埋场中的填埋气、污水处理厂产生的沼气和其它垃圾厌氧消化产生的沼气。甲烷产品气除可制成车用燃料外，还可以根据用途的不同，制成其它种类的气体，例如，管道天然气、化工燃料气等。
本发明装置简单、操作简便、投资少，便于工业化生产。
附图说明
图1为本发明中实现利用作物秸秆制备清洁车用燃料方法的装置图
图中，1为厌氧消化装置，2为气泵，3、5为气体阀门，4为储气罐，6、14为气体压缩机，7为吸收塔，8为液体阀门，9为再生装置，10、12为液泵、11为储液槽，13为过滤装置。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例进一步说明本发明的具体过程，但本发明的范围并不限于以下实施例。
实施例
1)作物秸秆的预处理：将72g氢氧化钠和72g硫化钠溶于960g水中，得到混合溶液，再将混合溶液与1200g切碎的稻草(20目大小)均匀混合，然后在密闭容器中，常温下保存30天；
2)作物秸秆厌氧消化产沼气：向厌氧消化装置(1)中加入步骤1)中预处理的稻草和7100mL接种污泥混合均匀，并加水至厌氧消化液中固体总含量小于8％，体系的MLSS＝15000mg/L(稻草对MLSS的贡献不计)，加入氯化铵调节厌氧消化工序开始时的碳氮比在25∶1，加氢氧化钠和盐酸溶液调节pH值至7.0后在35℃条件下，使稻草厌氧消化产生沼气，反应持续50天，总产气量为791L，沼气的主要成分为甲烷(58.4％)、二氧化碳(40.3％)、微量的硫化氢(0.6％)，和一些痕量气体；
3)步骤2)制备的沼气经气泵(2)压缩后输送至储气罐(4)内；
4)储气罐(4)内的沼气经气体压缩机(6)压缩(压缩后气体的压力为0.15～0.25MPa)，并输送至装有手工不锈钢θ环填料的吸收塔(7)中(吸收塔高1.5m，塔内填料高1.25m，塔径44mm，θ环填料直径为5mm)，在吸收塔(7)内用质量分数为20％的二乙醇胺与质量分数为20％三乙醇胺混合水溶液(体积比9∶1)，去除沼气中的二氧化碳和硫化氢，保证此反应在30℃下进行。经吸收塔(7)后的沼气中的甲烷含量为97.7％(体积)、二氧化碳含量为2.3％(体积)，未检出硫化氢；
5)将吸收塔(7)塔顶排出的沼气通入装有孔径为1μm～5μm的活性炭分子筛的过滤装置(13)，去除其中残余的杂质及水，将脱除杂质和水后的气体经压缩机(14)压缩，然后罐装，制得清洁车用燃料；
6)经吸收塔(7)排出的吸收溶液进入再生装置(9)，换热器外层为蒸汽，内层为吸收试剂，在温度为93℃的条件下进行反应，使吸收溶剂再生，再生后的吸收溶剂经液泵(10)抽取后输送至储液槽(11)，储液槽(11)中的吸收剂再经液泵(12)输送至吸收塔(7)中，用于下一次吸收塔内的吸收；
参照图1组装实现利用作物秸秆制备清洁车用燃料的方法的装置，包括厌氧消化装置(1)、储气罐(4)、吸收塔(7)、过滤装置(13)、再生装置(9)和储液槽(11)；其中，厌氧消化装置(1)的出气口与气泵(2)的进气口连接，气泵(2)的出气口与储气罐(4)的进气口相连接，气泵(2)的出气口与储气罐(4)的进气口连接处设有气体阀门(3)，储气罐(4)的出气口与气体压缩机(6)的进气口连接，储气罐(4)的出气口与气体压缩机(6)的进气口连接处设置有气体阀门(5)，气体压缩机(6)的出气口与吸收塔(7)的进气口连接，吸收塔(7)的出气口与过滤装置(13)的进气口连接，过滤装置(13)的出气口与气体压缩机(14)的进气口连接；吸收塔(7)的出液口与再生装置(9)的进液口连接，吸收塔(7)的出液口与再生装置(9)的进液口的连接处设置有液体阀门(8)，再生装置(9)的出液口与液泵(10)的进液口连接，液泵(10)的出液口与储液槽(11)的进液口连接，储液槽(11)的出液口与液泵(12)的进液口连接，液泵(12)的出液口与吸收塔(7)的进液口连接。
本发明的利用作物秸秆制备清洁车用燃料的方法还可以采用类似装置实现。

Claims (8)

1.一种利用作物秸秆制备清洁车用燃料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)作物秸秆的预处理：将作物秸秆粉碎后与氢氧化钠、硫化钠和水按重量比100∶6∶6∶80充分混合均匀呈潮湿状态后，常温下，于密闭容器中保存30天；
2)作物秸秆厌氧消化产沼气：将步骤1)中预处理的作物秸秆与接种污泥和水混合，其中作物秸秆的添加量为65～80g干重/L，污泥的添加量为使混合后体系的MLSS＝15000mg/L，加入氯化铵调节体系的碳氮比为20～30∶1，加氢氧化钠溶液或盐酸溶液调节体系的pH＝6.8～7.4后，于35℃下厌氧消化产生沼气；
3)将步骤2)制备的沼气通入30℃的吸收剂溶液中，去除沼气中的二氧化碳和硫化氢；
4)使步骤3)得到的气体通过活性炭分子筛去除气体中的杂质和水，去除杂质和水后的气体经压缩装罐得到清洁车用燃料；
5)将步骤3)中的吸收剂溶液于91℃～95℃下加热进行再生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述的作物秸秆为玉米秸、麦秸或稻草。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述的吸收剂为二乙醇胺与三乙醇胺的混合水溶液，其中，二乙醇胺和三乙醇胺的质量分数分别为18％和2％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中所述的清洁车用燃料中甲烷含量≥97％，硫化氢含量≤10ppm，含水率为0.2g/Nm3。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中所述的活性炭分子筛的孔径为1μm～5μm。
6.一种实现利用作物秸秆制备清洁车用燃料的方法的装置，其特征在于，包括厌氧消化装置1、储气罐4、吸收塔7、过滤装置13、再生装置9和储液槽11；其中，厌氧消化装置1的出气口与气泵2的进气口连接，气泵2的出气口与储气罐4的进气口相连接，气泵2的出气口与储气罐4的进气口连接处设有气体阀门3，储气罐4的出气口与气体压缩机6的进气口连接，储气罐4的出气口与气体压缩机6的进气口连接处设置有气体阀门5，气体压缩机6的出气口与吸收塔7的进气口连接，吸收塔7的出气口与过滤装置13的进气口连接，过滤装置13的出气口与气体压缩机14的进气口连接；吸收塔7的出液口与再生装置9的进液口连接，吸收塔7的出液口与再生装置9的进液口的连接处设置有液体阀门8，再生装置9的出液口与液泵10的进液口连接，液泵10的出液口与储液槽11的进液口连接，储液槽11的出液口与液泵12的进液口连接，液泵12的出液口与吸收塔7的进液口连接。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的吸收塔7中的填料为手工不锈钢θ环填料。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的再生装置9为列管式换热器。
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CN101787377A (zh) * 2010-04-02 2010-07-28 刘兰 生物质秸秆沼气制备方法及其所采用的装置
WO2014074048A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 Sekab E-Technology Ab Method of increasing the production of biogas from a waste activated sludge

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