CN101787377A - 生物质秸秆沼气制备方法及其所采用的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种生物质秸秆沼气制备方法及其所采用的装置，可按如下步骤依次实施：(1)对物料进行预处理；(2)对步骤(1)产生的物料进行发酵；(3)初级气体的脱水处理；(4)将步骤(3)产生的气体送入贮气柜。制备装置包括搅拌池(1)、送料机构(4)、秸秆厌氧罐(2)及贮气柜(3)；所述送料机构(4)的入口接搅拌池(1)腔体；送料机构(4)的出口接秸秆厌氧罐(2)腔体；在秸秆厌氧罐(2)与贮气柜(3)之间设有气液分离器(5)；所述秸秆厌氧罐(2)的出气口与气液分离器(5)的入气口相通；气液分离器(5)的出气口与贮气柜(3)的入气口相通。本发明原料来源广，热值高，安全性好，便于生产管理控制。

Description

生物质秸秆沼气制备方法及其所采用的装置
技术领域
本发明属生物质秸秆应用领域，尤其涉及一种生物质秸秆沼气制备方法及其所采用的装置。
背景技术
中国是一个能源缺乏的国家，进口石油在高峰期达到80％以上，大量的能源需要从国外进口，而石油来源和价格的不稳定，都在战略上对中国的发展和安全形成了制约和威胁，受制于人是中国能源的现状。另一方面，由于石油的储量已经不多，研究开发可代替原料，可大大改善中国目前的能源战略现状，可以借助替代能源重新实现石油自给，而中国有大量的废弃植物纤维物可用于替代能源的生产，并且已经取得了成熟的技术。
近来，我国粮食生产能力逐年提高。粮食丰，秸秆增。现在农村一到收获季节，随之而来的就是烧秸秆，大量的秸秆在同一时段燃烧，每年都造成包括很多大城市在内的广大地区浓烟弥漫，即造成了严重的空气污染，又使能源白白浪费掉。环保部门出于追求蓝天白云的考虑，禁止城市周围农村焚烧秸秆，甚至推动政府出台稀奇古怪的政策、规定，局外人难以理解环保官员的苦衷：小秸秆带来大问题——城市上空烟雾缭绕，机场被迫关闭，高速公路无法通行，相关部门甚至不得不动用遥感卫星监测。夏秋收获之后产生的天文数字般的秸秆顿时成为环保官员的心头大患。“村村点火、田田冒烟”这是农业收获季节不少地方头疼的“风景”。如何给日益增加的秸秆找到出路，变废为宝，已经成为迫在眉睫的社会问题。
农村沼气生产遇到原料供给瓶颈，需要开辟利用秸秆资源。在农村沼气方面，目前全国已建成户用沼气池2200多万口，建成畜禽养殖场大中型沼气工程2000多处。目前我国沼气生产主要利用的是畜禽粪便，但畜禽粪便无法，也不足以保证原料的供给和上述目标的实现。首先，养殖场呈“点”分布，而用户呈“面”分布，在没有养殖场的地方，就没有了原料来源，也就无法生产沼气。其次，可收集的畜禽粪便的产量不足以生产如此巨大数量的沼气。而秸秆分布在我国广大的种植区域，呈“面”分布，来源广泛，数量巨大，不存在原料来源问题，可就地获得、就地建厂和就地服务于民。因此，在我国广大的农村大规模推广沼气，实现沼气生产目标，就必须开辟和利用秸秆资源。
目前，秸秆在农村能源方面的应用主要有直接燃烧、致密成型燃料、热解气化、燃烧发电、生产燃料乙醇等。其中，秸秆致密成型燃料和热解气化技术在我国推广较普遍，是目前秸秆能源化利用的主要途径，其他技术尚未在农村推广应用。秸秆致密成型燃料易于储存和运输，可以取代煤、燃气等作为民用燃料进行炊事、取暖等，也可用于供热、发电等，是解决秸秆资源浪费和污染的一项重要技术手段。
现有热解气化技术从技术角度看，尚存在如下问题：(1)热解气化产生的可燃气热值只有沼气热值的20％～30％，可燃气主要成分是一氧化碳，进入人体内危害很大，安全性较差。(2)热解气化是一个热化学反应过程，至少需要在400℃以上温度进行，高温投入能量大，能效比低，也不容易控制和进行管理，在农村应用难度较大。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种原料来源广，热值高，安全性好，便于生产管理控制的生物质秸秆沼气制备方法。
本发明还提供一种结构简单，与上述方法相配套的生物质秸秆沼气制备装置。
为达到上述目的，本发明是这样实现的：
一种生物质秸秆沼气制备方法，可按如下步骤依次实施：
(1)对生物质秸秆物料进行预处理；
(2)对步骤(1)产生的物料进行发酵；
(3)初级气体的脱水处理；
(4)将步骤(3)产生的气体送入贮气柜。
作为一种优选方案，本发明在所述步骤(3)完成后接续进行脱硫处理。
作为另一种优选方案，本发明在步骤(1)中将生物质秸秆物料粉碎，使其粒径达到2～3厘米，PH值达到6.8～7.5。
进一步地，本发明在步骤(2)中物料发酵的温度为30～40℃。
更进一步地，本发明在步骤(2)中物料发酵的温度为50～55℃。
另外，本发明在步骤(2)中向物料中加入氮源。
其次，本发明所述氮源为尿素或碳铵。
一种上述生物质秸秆沼气制备方法所采用的装置，它包括搅拌池、送料机构、秸秆厌氧罐及贮气柜；所述送料机构的入口接搅拌池腔体；所述送料机构的出口接秸秆厌氧罐腔体；在所述秸秆厌氧罐与贮气柜之间设有气液分离器；所述秸秆厌氧罐的出气口与气液分离器的入气口相通；所述气液分离器的出气口与贮气柜的入气口相通。
作为一种优选方案，本发明在所述秸秆厌氧罐与贮气柜之间还设有脱硫器；所述气液分离器的出气口与脱硫器的入气口相通；所述脱硫器的出气口与贮气柜的入气口相通。
作为另一种优选方案，本发明所述脱硫器包括壳体；在所述壳体内固定配有脱硫床层。
本发明秸秆沼气技术所用原料与其他原料相比，秸秆沼气技术具有许多优点。与常用的生产原料一一畜禽粪便相比。①秸秆分布广泛，原料充足，可彻底解决沼气生产原料问题。②秸秆含水率低，产生的沼渣呈固态，可直接作为有机肥料使用。沼渣可用于下个批次发酵料的水分调节，完全没有沼渣的排放，是符合循环经济要求的清洁生产过程。而畜禽粪便含水率高，产生的沼渣、沼液难以处理和利用，常未经处理就排放了，对环境造成二次污染，因而不能从根本上解决环境污染问题。③秸秆可长期贮存，运输方便，价格较便宜。而畜禽粪便不便于、也不能长期存放，运输不方便。
本发明秸秆沼气技术与热解气化技术相比具有如下特点：(1)秸秆沼气产生的主要成分是甲烷，甲烷是无色、无毒、无臭的气体。热值可达5000～5500大卡。而热解气化产生的可燃气热值只有沼气热值的20％～30％，可燃气主要成分是一氧化碳，进入人体内危害很大，安全性较差。(2)秸秆沼气技术是生物学过程，反应条件温和，可在常温下发酵，最高发酵温度也不会超过55℃。能源投入产出效益高，便于生产管理，更适于实际生产应用。而热解气化是一个热化学反应过程，至少需要在400℃以上温度进行，高温投入能量大，能效比低，也不容易控制和进行管理，在农村应用难度较大。(3)秸秆沼气是环境友好的清洁生产过程。秸秆沼气的产物是清洁能源——沼气和有机肥料，不产生任何有害副产品(女口热解气化产生的焦油等)，可实现废弃物的零排放。(4)秸秆沼气技术是资源高效利用技术。通过秸秆沼气可获得可再生能源——沼气，产生的沼渣可用来生产有机肥料，从而实现秸秆的完全资源化转化和资源的高效利用。因此，利用秸秆为原料生产沼气是实现秸秆高效、清洁利用的有效途径。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明的工艺流程框图；
图2为本发明装置整体结构示意图；
图3为本发明装置中气液分离器结构示意图；
图4为本发明装置中脱硫器结构示意图。
具体实施方式
秸秆沼气技术就是我们通常所说的厌氧发酵技术。厌氧发酵生产沼气技术已被广泛地用于人畜粪便、食品废物和有机生活垃圾等的处理和能源化转化。但是，由于秸秆的木质纤维素含量高、消化率低、产气量少，因此秸秆常作为人畜粪便厌氧发酵的配料使用，在以秸秆为主原料生产沼气方面的研究一直很少。由于秸秆的物料特性与常规物料(如畜禽粪便)有明显的不同，因此要投入实际生产，还有一些关键技术问题需要解决。秸秆的木质纤维素含量较高，不易被厌氧菌消化，解决的方法就是在厌氧发酵前，对秸秆进行物理、化学或生物预处理，预先把秸秆转化成易于消化的面粉，来提高秸秆的生物消化性能、产气率和经济性，利用预处理技术可使秸秆的产气量提高50％～120％以上，预处理的目的是改变天然纤维素结构，破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接，降低纤维素的结晶度，或脱去木质素，增加原料的疏松性以增加纤维素酶系与纤维素的有效接触，从而提高产气效率。我们现在采取的是物理、化学二者预处理形式相结合的方法，即粉碎和调节PH值。将秸秆粉碎到2～3厘米左右，上料时在调节池内调节好PH值，沼气微生物最适宜的PH值范围是6.8～7.5。
通过大量试验研究，确定了秸秆厌氧消化工艺和主要参数，包括为改善秸秆的可生物消化性能增加的化学预处理过程；经预处理后的秸秆加入接种物通过上料机进入发酵装置，发酵装置内的沼气发酵微生物是在一定的温度范围内进行代谢活动的，可以在8～65℃的条件下产生沼气，温度高低不同产气速率不同。在8～65℃范围内，温度越高，产气速率越大，但不是线性关系。一般常温发酵温度不会突变；对中温和高温发酵，则要求严格控制料液的温度。通常来说秸秆发酵产气的一个高峰值发生在32℃左右，另一个更高的高峰值发生在53℃左右。这是因为在这两个最适宜的发酵温度中，由两个不同的微生物群参与作用的结果。前者称为中温发酵，后者称为高温发酵。目前掌握的沼气发酵技术已可使100kg秸秆产沼气50m3左右。沼气池投料后经过几天发酵便可以开始产气。产生的沼气是一种以甲烷为主要成分的无色、无味、无毒可燃性气体。发酵初期由于沼气池内空气较好，好氧发酵较强，所产生的气体中的二氧化碳含量高，甲烷含量低，不能燃烧。经过二至三天后，二氧化碳含量减少，甲烷浓度上升，正常产气后，甲烷气含气量在60～70％，此时即可使用。将所产气体经脱水和脱硫后，通过用贮气柜贮存，以保证有充足的气体和稳定的气压以便使用。
发酵后的沼渣通过发酵装置内的自然压力排出发酵装置，进入沼渣收集池内，沼渣可做有机肥料使用。
秸秆发酵的主要设各由粉碎机、搅拌机、发酵装置、脱水器、脱硫器、贮气柜、电控柜、沼气发电机组、生活用灶具等。
本发明可采用太阳房设计，在沼气池上建立保温棚，合理利用太阳能资源，保证了越冬难的问题也增加发酵产生所需热量。在发酵装置处增设一个燃气供暖炉，使沼气池形成了循环增温的系统，更好地促进秸秆发酵产气，提高产气率和产气量。为了是提高秸秆发酵速度最好的办法就是降低碳氮比值，秸秆本身的碳氮比就较高，加入一定比例的氮源改变秸秆原有的碳氮比，氮源主要是尿素和碳铵。
实施例1
参见图1，生物质秸秆沼气制备方法，可按如下步骤依次实施：
(1)对生物质秸秆物料进行预处理；
(2)对步骤(1)产生的物料进行发酵；
(3)初级气体的脱水处理；
(4)将步骤(3)产生的气体送入贮气柜。
本发明在所述步骤(3)完成后还可接续进行脱硫处理。
本发明在上述步骤(1)中将生物质秸秆物料粉碎，使其粒径达到2.5厘米，PH值达到7。
本发明在步骤(2)中物料发酵的温度为35℃。
本发明在步骤(2)中物料发酵的温度也可为55℃。
本发明在步骤(2)中向物料中加入氮源尿素。
实施例2
参见图1，生物质秸秆沼气制备方法，可按如下步骤依次实施：
(1)对生物质秸秆物料进行预处理；
(2)对步骤(1)产生的物料进行发酵；
(3)初级气体的脱水处理；
(4)将步骤(3)产生的气体送入贮气柜。
本发明在所述步骤(3)完成后接续进行脱硫处理。
本发明在步骤(1)中将生物质秸秆物料粉碎，使其粒径达到2厘米，PH值达到6.8。
本发明在步骤(2)中物料发酵的温度为30℃。
本发明在步骤(2)中物料发酵的温度为50℃。
本发明在步骤(2)中向物料中加入氮源碳铵。
参见图2，实现上述生物质秸秆沼气制备方法所采用的装置，它包括搅拌池1、送料机构4、秸秆厌氧罐2及贮气柜3；所述送料机构4的入口接搅拌池1腔体；所述送料机构4的出口接秸秆厌氧罐2腔体；在所述秸秆厌氧罐2与贮气柜3之间设有气液分离器5；所述秸秆厌氧罐2的出气口与气液分离器5的入气口相通；所述气液分离器5的出气口与贮气柜3的入气口相通。
本发明在所述秸秆厌氧罐2与贮气柜3之间还设有脱硫器6；所述气液分离器5的出气口与脱硫器6的入气口相通；所述脱硫器6的出气口与贮气柜3的入气口相通。
参见图4，本发明所述脱硫器6包括壳体7；在所述壳体7内固定配有脱硫床层8，所述脱硫床层8配有脱硫剂，13为脱硫器6的入气口，14为脱硫器6的出气口。
参见图3，本发明所述气液分离器5包括外壳体9；在所述外壳体9内固定配有气液分离挡板10，11为气液分离器5的出气口，12为气液分离器5的进气口。
在使用时，本发明搅拌池1用以对生物质秸秆物料进行预处理；处理后的物料由送料机构4送入秸秆厌氧罐2的腔体内进行物料发酵。秸秆厌氧罐2产生的气体经气液分离器5气液分离及脱硫器6进行脱硫后，最终进入贮气柜3。可以理解地是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物质秸秆沼气制备方法，其特征在于，按如下步骤依次实施：
(1)对生物质秸秆物料进行预处理；
(2)对步骤(1)产生的物料进行发酵；
(3)初级气体的脱水处理；
(4)将步骤(3)产生的气体送入贮气柜。
2.根据权利要求1所述生物质秸秆沼气制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)完成后接续进行脱硫处理。
3.根据权利要求2所述生物质秸秆沼气制备方法，其特征在于：在步骤(1)中将生物质秸秆物料粉碎，使其粒径达到2～3厘米，PH值达到6.8～7.5。
4.根据权利要求3所述生物质秸秆沼气制备方法，其特征在于：在步骤(2)中物料发酵的温度为30～40℃。
5.根据权利要求3所述生物质秸秆沼气制备方法，其特征在于：在步骤(2)中物料发酵的温度为50～55℃。
6.根据权利要求4或5所述生物质秸秆沼气制备方法，其特征在于：在步骤(2)中向物料中加入氮源。
7.根据权利要求6所述生物质秸秆沼气制备方法，其特征在于：所述氮源为尿素或碳铵。
8.一种如权利要求1～5之任一所述生物质秸秆沼气制备方法所采用的装置，其特征在于：包括搅拌池(1)、送料机构(4)、秸秆厌氧罐(2)及贮气柜(3)；所述送料机构(4)的入口接搅拌池(1)腔体；所述送料机构(4)的出口接秸秆厌氧罐(2)腔体；在所述秸秆厌氧罐(2)与贮气柜(3)之间设有气液分离器(5)；所述秸秆厌氧罐(2)的出气口与气液分离器(5)的入气口相通；所述气液分离器(5)的出气口与贮气柜(3)的入气口相通。
9.根据权利要求8所述生物质秸秆沼气制备方法所采用的装置，其特征在于：在所述秸秆厌氧罐(2)与贮气柜(3)之间还设有脱硫器(6)；所述气液分离器(5)的出气口与脱硫器(6)的入气口相通；所述脱硫器(6)的出气口与贮气柜(3)的入气口相通。
10.根据权利要求9所述生物质秸秆沼气制备方法所采用的装置，其特征在于：所述脱硫器(6)包括壳体(7)；在所述壳体(7)内固定配有脱硫床层(8)。
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