CN102220230B - 一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵设备，包括储气罐、与储气罐通过气体管道连接的第一反应室及第二反应室，其中第一反应室与第二反应室之间通过发酵液回流管连接，该发酵液回流管上设有止流阀。本发明还涉及氨化厌氧发酵的方法，将第一反应室和第二反应室轮流作为氨化反应和厌氧发酵反应连续发酵。本发明所述的氨化厌氧发酵设备及方法实现了秸秆的高效生物转化和经济效益的提升，能够解决秸秆厌氧发酵效率低下的问题；采用太阳能辅助加热两室循环生物反应器具备间歇进料和连续发酵的功能，无需外加能量，具有运行成本低的优点；可实现废弃秸秆完全转化；设备结构简单，易于操作，适合产业化大规模生产。

Description

一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵的设备及方法

技术领域

本发明涉及能源开发领域，尤其涉及一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵的设备的结构、及使用该设备生产秸秆生物气的方法。

背景技术

据统计，目前我国每年秸秆产量大约有7亿吨，剩余秸秆的数量约为4亿吨左右。剩余秸秆的随地堆弃和任意焚烧，造成了大气污染、火灾事故、堵塞交通等大量的社会、经济和生态问题，迫切需要寻找新的利用途径。与此同时，秸秆作为一种可再生能源，蕴含着巨大的生物质能量。利用厌氧发酵技术可以将农作物秸秆转化为秸秆生物气，俗称“秸秆沼气”。秸秆生物气以甲烷为主，可以直接燃烧利用，也可以用来发电，发酵后产生的残渣是一种有机生态肥。目前秸秆厌氧发酵制秸秆生物气的技术难以推广的主要原因是现有的厌氧发酵技术效率较低，综合开发成本较高，研发高效的厌氧发酵技术和低成本的运行系统是此研究领域必须攻克的难题。

农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。秸秆厌氧发酵效率低下的主要因素有以下两点：其一，半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，而木质素具有网状结构，作为支撑骨架包围并加固纤维素和半纤维素，而木质素是一种难以厌氧降解的芳香族高分子化合物，最终导致厌氧发酵的效率很低；其二，由于木质素及其衍生物对厌氧微生物具有抑制作用，秸秆木质素含量高达15％，厌氧发酵会受到比较严重的抑制，导致厌氧发酵效率低下。

以农作物秸秆为原料，通过厌氧发酵产生秸秆生物气时，一般原料先经过物理或化学方法预处理，再经厌氧发酵两个步骤完成。目前的研究进展如下：

秸秆中含有大量的纤维素、木质素、半纤维素。这些物质之间相互混杂和交联，使得纤维素和其它可消化物质难以被微生物降解，为了促进有机物的分解，为微生物生长创造适宜的环境，增大微生物与发酵底物的接触面积。目前主要的预处理方法有物理法、化学法、生物法。

物理预处理包括机械切碎、粉碎、高温蒸煮、超声波处理等方法。物理预处理可增加厌氧微生物与基质的接触面积，或通过破坏细胞壁结构使之易于消化。Muller通过研究机械破碎对底物厌氧发酵影响时发现粉碎处理组的产气量比未处理组高46％。Zhang Ruihong通过研磨和切碎两种物理预处理方法对稻草进行干式厌氧发酵研究，发现研磨比切碎在气产量上较好。Chu过超声波处理发酵底物研究发现其产气量有明显提高。化学预处理大多采用H2SO4或NaOH在常温常压下煮沸、浸泡过夜等方法。预处理可以将秸秆中相当一部分纤维素和半纤维素水解成还原糖，并使木质素部分的去除，从而提高厌氧发酵的效率。高志坚等通过对不同负荷率对玉米秸干式厌氧发酵日产气量、累积产气量的研究，发现玉米秸秆经NaOH化学预处理后，在中温条件下进行厌氧消化，相比未处理的秸秆其产气率有明显提高。Luo等的研究表明，利用氢氧化钠预处理秸秆纤维素和半纤维素，秸秆生物气产率提高75％。生物方法主要是利用白腐菌进行预处理，研究表明，白腐菌是降解木质素类化合物能力最强的微生物。经白腐菌预处理后的秸秆其发酵的时间可大大缩短，很好的提高甲烷的转化率，有效的接近秸秆的理论产气率。杨玉楠等通过利用白腐菌预处理秸秆发酵产甲烷的研究表明：经白腐菌预处理后，木质素含量降低，甲烷转化率为47.63％，当继续发酵时甲烷转化率高达58.74％，从而大大缩短了厌氧发酵周期，提高了甲烷转化效率。

由于厌氧发酵过程存在产气不均并且在有的发酵反应过程中存在发酵短路的情况，目前对于厌氧发酵反应器和工艺的研究主要是集中于提高其产气效率，解决发酵过程中产气不均衡的的问题。叶森等在1989年通过研究自动排料干式厌氧发酵反应器利用产气高峰的规律提高了产气量和解决发酵产气均衡的问题。赵哈乐等人在1990年研究了半连续自动排料干式厌氧发酵反应器，该装置可将发酵旧料依靠反应器内沼气压力自动排出，变干式厌氧发酵批量投料为半连续工艺，使日产气量均匀，提高了发酵利用率。魏吉山在利用干式厌氧发酵反应器内沼气压力的基础上发明了自动进料干式厌氧发酵装置实现了干式厌氧发酵自动连续排料或在进料同时将发酵原料排出罐外实现进料和排料同步完成，同时干物质浓度提高到20～25％。90年代，德国开发了新式间歇式厌氧消化工艺，这种新型间歇式发酵解决了发酵初期与发酵结束发酵室内沼气和空气浓度的调节和发酵菌在发酵物中繁殖速度的问题并通过了中式，随后投入实际运行。连续发酵工艺是沼气池发酵启动后，根据设计时预定的处理量，连续不断地或每天定量地加入新的发酵原料，同时排走相同数量的发酵料液，使发酵过程连续进行下去。连续发酵是目前较为先进的工艺，其中以欧洲几种工艺为代表。比利时的有机垃圾处理公司开发的Dranco工艺采用单机高温反应器，每吨有机生物气产量100～200m3。Kompogas工艺是干式、高温厌氧消化技术，由瑞士Kompogas AG公司开发，其生物气效益：10000t。半连续发酵工艺是初始投料发酵是指一次性投入较多的原料经过一段时间，开始正常发酵产气，随后产气逐渐下降，此时就需要每天或定期加入新物料，以维持正常发酵产气，这种工艺就称为半连续沼气发酵。我国农村的沼气池大多属于此种类型，就是将猪圈、厕所里的粪便随时流入沼气池，在粪便不足的情况下，可定期加入秸秆等纤维素原料。

目前，国内外比较新的技术主要集中在预处理工艺和太阳能辅助加热生物反应器的研究上，希望能够提高厌氧发酵的效率并降低系统运行过程中的能量消耗。主要的技术发展趋势有以下几个方面：

在预处理方面，高能辐射(γ射线、电子辐射等)、微波、臭氧降解、蒸汽爆破法、CO2爆破、湿氧化法都是目前的研究热点。这些研究的解决的关键问题是如何提高厌氧发酵效率，但是以上的预处理过程大多需要较高的能耗，或者会产生二次污染，目前大多处在实验室阶段。

对于厌氧发酵技术的研究，主要集中在太阳能干式发酵技术上。并开始研究的太阳能干式厌氧反应器利用一些超导技术和高分子技术材料设计而成，具有一年四季产气均衡，产气率高等特点。研究解决的关键问题是如何降低运行费用，但是这种太阳能技术设备复杂，设备投入很高。和国外一样，在我国目前的环境下，开发发酵效率高，运行成本低的系统，是一个主要的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵设备及方法，以解决秸秆厌氧发酵效率低下、生产成本高、设备结构复杂、二次污染等问题。

为解决上述问题，本发明提供一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵设备，其特征在于：包括储气罐、与储气罐通过气体管道连接的第一反应室及第二反应室，所述第一反应室和储气罐连接的气体管道上设有第一排空阀及第一出气阀，所述第二反应室和储气罐连接的气体管道上设有第二排空阀及第二出气阀，其中第一反应室与第二反应室之间通过发酵液回流管连接，该发酵液回流管上设有止流阀。

优选的，所述第一反应室和储气罐连接的气体管道上设有第一气体净化装置；所述第二反应室和储气罐连接的气体管道上设有第二气体净化装置。

优选的，所述第一反应室和所述第二反应室各设有进料口、残渣出口、保温外壁、太阳能真空玻璃罩、遮阳布。

优选的，所述发酵液回流管上设有电热补偿装置。

为达到上述目的，本发明还提供一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：第一反应室进行氨化反应：打开第一反应室的太阳能真空玻璃罩进料，关闭第一出气阀，打开第一排空阀；

步骤二：第一反应室进行厌氧发酵反应：氨化反应结束后，打开太阳能真空玻璃罩加入混合发酵剂，关闭太阳能真空玻璃罩，关闭第一排空阀，打开第一出气阀，第一反应室开始进入厌氧发酵阶段，第一反应室中产生的秸秆生物气经过气体净化装置进入储气罐；

步骤三：第二反应室进行氨化反应：步骤2)进行的同时，打开第二反应室的太阳能真空玻璃罩进料，关闭第二出气阀，打开第二排空阀；

步骤四：第二反应室进行厌氧发酵反应：当第二反应室中氨化完成后，关闭第一出气阀，打开止流阀，第一反应室中秸秆生物气的积累，产生压力，将第一反应室中的厌氧发酵液压入第二反应室中；然后关闭止流阀，打开第一出气阀，第一反应室中的残余物料继续进行厌氧发酵并产生秸秆沼气；第二反应室中开始发生厌氧发酵反应，等排空一段时间后，关闭第二排空阀，打开第二出气阀；

步骤五：第一反应室中的厌氧发酵结束后，关闭第一出气阀，打开第一排空阀，从残渣出口排出发酵残渣，再装入新的秸秆和氨化剂，第一反应室中开始发生氨化反应；

步骤六：当第一反应室中氨化完成后，关闭第二出气阀，打开止流阀，第二反应室中秸秆生物气的积累，产生压力，将第二反应室中的厌氧发酵液压入第一反应室中，此时第一反应室开始发生厌氧发酵反应；

步骤七：重复步骤3)至6)，第一反应室和第二反应室轮流作为氨化反应和厌氧发酵反应连续发酵。

优选的，所述步骤一具体为以重量为计量单位，将100质量份的秸秆装入第一反应室，用20～60质量份的水溶解2～6质量份氨化剂，将溶解后的氨化剂喷洒在秸秆上，关闭第一反应室上面的太阳能真空玻璃罩，打开第一排空阀，关闭第一出气阀，氨化15～30天。

优选的，所述步骤三具体为以重量为计量单位，将100质量份的秸秆装入第二反应室，用20～60质量份的水溶解2～6质量份氨化剂，将溶解后的氨化剂喷洒在秸秆上，关闭第二反应室上面的太阳能真空玻璃罩，打开第二排空阀，关闭第二出气阀，氨化15～30天。

优选的，所述步骤二具体为氨化结束后，打开第一反应室上面的太阳能真空玻璃罩，加入10～20混合发酵剂，关闭太阳能真空玻璃罩，厌氧发酵1～2天后，关闭第一排空阀，打开第一出气阀，第一反应室开始厌氧发酵进行15～30天，A室中产生的秸秆生物气经过净化装置进入贮气罐。

本发明具有以下有益效果：本发明解决了农作物秸秆厌氧发酵的效率低下和综合开发成本高问题。首先，将秸秆放入太阳能辅助加热两室循环生物反应器的氨化室进行氨化预处理，氨化预处理对于秸秆结构的破坏性和对木质素的去除性，使厌氧发酵的效率得到了很大的提高；氨化可以除去原料中所含的对厌氧发酵不利的乙酰基，降低对厌氧微生物的抑制作用，从而提高发酵效率。氨化后对厌氧发酵提供了必要的氮源，从而提高了厌氧微生物的细胞转化率，使得导致厌氧发酵效率提高；氨化中的氮最终进入了可以作为有机生态肥料的发酵残渣，从而提高了发酵残渣的氮含量，有助于以提高发酵残渣的肥分，从而提高经济效益。然后，经过氨化预处理的秸秆进入中温厌氧发酵阶段。本发明的太阳能辅助加热两室循环生物反应器可以借助太阳能和厌氧发酵产生的热量来升高反应器内的温度，完全能够满足农作物秸秆等生物质固体废弃物在厌氧微生物的作用下进行中温厌氧发酵，提高厌氧发酵的效率；两室循环生物反应器具有双室结构，即氨化反应器和厌氧发酵反应器，在系统运行的过程中，双室循环转变，并依靠秸秆生物气的压力实现反应器内液体的循环，实现间歇加料和连续发酵的功能，整个系统运行无需外加能量，从而有效的降低了运行成本。本发明的技术和设备，相比于其它的厌氧发酵技术相比，具有以下优势：其一，氨化厌氧发酵工艺实现了秸秆的高效生物转化和经济效益的提升，可以解决秸秆厌氧发酵效率低下的关键问题；其二，太阳能辅助加热两室循环生物反应器具备间歇进料和连续发酵的功能，系统运行无需外加能量，可以解决运行成本高的关键问题；其三，发酵的产物是清洁的秸秆生物气和有机肥料，可实现废弃秸秆完全转化，是一种清洁化的生产过程；其四，设备结构简单合理，易于管理，无需外加能量，综合成本开发很低，能够实施产业化。

附图说明

图1是本发明所述的一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵设备的结构示意图。

以下结合附图对本发明专利做进一步的详细说明。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。但本发明的内容不仅仅局限如此。

请参照图1，符合本发明的一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵设备，其包括储气罐1、第一反应室2、第二反应室3、气体管道4、发酵液回流管5、第一排空阀6、第一出气阀7、第二排空阀8、第二出气阀9、止流阀10、第一气体净化装置11、第二气体净化装置12、电热补偿装置13。

所述第一反应室2及第二反应室3通过气体管道4分别连接至储气罐1上。所述第一反应室2和储气罐1连接的气体管道4上设有第一排空阀6及第一出气阀7。所述第二反应室3和储气罐1连接的气体管道4上设有第二排空阀8及第二出气阀9。所述第一反应室2和储气罐1连接的气体管道4上设有第一气体净化装置11。所述第二反应室3和储气罐1连接的气体管道4上设有第二气体净化装置12。第一反应室2与第二反应室3之间通过发酵液回流管5连接，该发酵液回流管5上设有止流阀10。所述发酵液回流管5还设有电热补偿装置13。该电热补偿装置13在天气极端寒冷的时候在发酵液循环时补偿加热，维持中温发酵温度。

所述第一反应室2和所述第二反应室3结构相同，其各设有进料口14、残渣出口15、保温外壁16、太阳能真空玻璃罩17、遮阳布18。其中所述太阳能真空玻璃罩17盖在进料口14上，遮阳布18设置在太阳能真空玻璃罩17上。所述太阳能真空玻璃罩17可以接收太阳光，结合微生物厌氧发酵产生的热量来升高反应器内的温度，并将反应器的温度控制在35℃左右，满足中温厌氧发酵的条件。所述遮阳布18在天气极端炎热时遮盖太阳能真空玻璃罩17，可以防止发酵温度过高，产气过快。

采用本发明所述的氨化厌氧发酵设备生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵方法，包括以下步骤：

步骤一：第一反应室2进行氨化反应：打开第一反应室2的太阳能真空玻璃罩将100质量份(以重量为单位)的秸秆装入第一反应室2，用20～60质量份的水溶解2～6质量份氨化剂(以重量为单位)，将溶解后的氨化剂喷洒在秸秆上，关闭第一反应室2上面的太阳能真空玻璃罩17，打开第一排空阀6，关闭第一出气阀7，氨化15～30天。

步骤二：第一反应室2进行厌氧发酵反应：氨化反应结束后，打开太阳能真空玻璃罩17加入10～20质量份混合发酵剂(混合发酵剂由牛粪、猪粪、人粪尿、厌氧颗粒污泥、河塘污泥等组成)，关闭太阳能真空玻璃罩17厌氧发酵1～2天后，关闭第一排空阀6，打开第一出气阀7，第一反应室2开始进行厌氧发酵15～30天，第一反应室2中产生的秸秆生物气经过气体管道4及第一气体净化装置11进入储气罐1中。

步骤三：第二反应室进行氨化反应：上述步骤2)进行的同时，打开第二反应室3的太阳能真空玻璃罩17装入100质量份的秸秆，用20～60质量份的水溶解2～6质量份氨化剂，将溶解后的氨化剂喷洒在秸秆上，关闭第二反应室3上面的太阳能真空玻璃罩17，打开第二排空阀8，关闭第二出气阀9，氨化15～30天。

步骤四：第二反应室3进行厌氧发酵反应：当第二反应室3中氨化完成后，关闭第一出气阀7，打开止流阀10，第一反应室2中秸秆生物气的积累，产生压力，将第一反应室2中的厌氧发酵液通过发酵液回流管5压入第二反应室3中；然后关闭止流阀10，打开第一出气阀7，第一反应室2中的残余物料继续进行厌氧发酵并产生秸秆沼气；第二反应室3中开始发生厌氧发酵反应，等排空一段时间后，关闭第二排空阀8，打开第二出气阀9。

步骤五：第一反应室2中的厌氧发酵结束后，关闭第一出气阀7，打开第一排空阀6，从残渣出口15排出发酵残渣，再按照步骤1)中的方法装入新的秸秆和氨化剂，第一反应室2中又开始发生氨化反应。

步骤六：当第一反应室2中氨化完成后，关闭第二出气阀9，打开止流阀10，第二反应室3中秸秆生物气的积累，产生压力，将第二反应室3中的厌氧发酵液通过发酵液回流管5压入第一反应室2中，此时第一反应室2开始发生厌氧发酵反应；

步骤七：依次类推，第一反应室2和第二反应室3轮流作为氨化反应和厌氧发酵反应连续发酵。

本发明所述的第一反应器2及第二反应器3的外壁具有保温层，第一反应器2及第二反应器3上部的太阳能真空玻璃罩17可以接收太阳光，结合微生物厌氧发酵产生的热量来升高反应器内的温度，并将反应器的温度控制在35℃左右，满足中温厌氧发酵的条件。

第一反应器2及第二反应器3在系统运行的过程中可进行氨化反应和厌氧发酵反应的循环转变，整个系统无需外加能量。

Claims (4)

1.一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵方法，其特征在于：

用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵设备包括储气罐（1）、与储气罐通过气体管道（4）连接的第一反应室（2）及第二反应室（3），所述第一反应室和储气罐连接的气体管道上设有第一排空阀（6）及第一出气阀（7），所述第二反应室和储气罐连接的气体管道上设有第二排空阀（8）及第二出气阀（9），其中第一反应室与第二反应室之间通过发酵液回流管（5）连接，该发酵液回流管上设有止流阀（10）；其中，第一反应室和储气罐连接的气体管道上设有第一气体净化装置（11）；所述第二反应室和储气罐连接的气体管道上设有第二气体净化装置（12），第一反应室和所述第二反应室各设有进料口（14）、残渣出口（15）、保温外壁（16）、太阳能真空玻璃罩（17）、及遮阳布（18），发酵液回流管上设有电热补偿装置（13）；

用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵方法，包括以下步骤：

1）第一反应室进行氨化反应：打开第一反应室的太阳能真空玻璃罩装入秸秆和氨化剂，关闭第一出气阀，打开第一排空阀；

2）第一反应室进行厌氧发酵反应：氨化反应结束后，打开太阳能真空玻璃罩加入混合发酵剂，关闭太阳能真空玻璃罩，关闭第一排空阀，打开第一出气阀，第一反应室开始进入厌氧发酵阶段，第一反应室中产生的秸秆生物气经过气体净化装置进入储气罐；

3）第二反应室进行氨化反应：步骤2）进行的同时，打开第二反应室的太阳能真空玻璃罩装入秸秆和氨化剂，关闭第二出气阀，打开第二排空阀；

4）第二反应室进行厌氧发酵反应：当第二反应室中氨化完成后，关闭第一出气阀，打开止流阀，第一反应室中秸秆生物气的积累，产生压力，将第一反应室中的厌氧发酵液压入第二反应室中；然后关闭止流阀，打开第一出气阀，第一反应室中的残余物料继续进行厌氧发酵并产生秸秆沼气；第二反应室中开始发生厌氧发酵反应，等排空一段时间后，关闭第二排空阀，打开第二出气阀，第二反应室开始进入厌氧发酵阶段，第二反应室中产生的秸秆生物气经过气体净化装置进入储气罐；

5）第一反应室中的厌氧发酵结束后，关闭第一出气阀，打开第一排空阀，从残渣出口排出发酵残渣，再装入新的秸秆和氨化剂，第一反应室又开始发生氨化反应；

6）当第一反应室中氨化完成后，关闭第二出气阀，打开止流阀，第二反应室中秸秆生物气的积累，产生压力，将第二反应室中的厌氧发酵液压入第一反应室中，此时第一反应室开始发生厌氧发酵反应；

7）重复步骤3）至6），第一反应室和第二反应室轮流作为氨化反应和厌氧发酵反应连续发酵。

2.如权利要求1所述的一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵方法，其特征在于：所述步骤1）具体为以重量为计量单位，将100质量份的秸秆装入第一反应室，用20～60质量份的水溶解2～6质量份氨化剂，将溶解后的氨化剂喷洒在秸秆上，关闭第一反应室上面的太阳能真空玻璃罩，打开第一排空阀，关闭第一出气阀，氨化15～30天。

3.如权利要求1所述的一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵方法，其特征在于：所述步骤3）具体为以重量为计量单位，将100质量份的秸秆装入第二反应室，用20～60质量份的水溶解2～6质量份氨化剂，将溶解后的氨化剂喷洒在秸秆上，关闭第二反应室上面的太阳能真空玻璃罩，打开第二排空阀，关闭第二出气阀，氨化15～30天。

4.如权利要求1所述的一种用于生产秸秆生物气的氨化厌氧发酵方法，其特征在于：所述步骤2）具体为氨化结束后，打开第一反应室上面的太阳能真空玻璃罩，加入10～20质量份的混合发酵剂，关闭太阳能真空玻璃罩，厌氧发酵1～2天后，关闭第一排空阀，打开第一出气阀，第一反应室开始厌氧发酵进行15～30天，第一反应室中产生的秸秆生物气经过净化装置进入储气罐。

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