CN102643693A - 一种利用沼气和秸秆气双气联产装置生产生物燃气的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用沼气和秸秆气双气联产装置生产生物燃气的工艺，装置包括集料池、固液分离器、换热器，UASB反应器、颗粒污泥储池、曝气池、沉淀池、秸秆气化炉、生物燃气储气仓、脱水塔以及脱硫塔；其中，UASB反应器包括有机废水进口、三相分离器、出液口和沼气出口；秸秆气化炉包括排空管、燃料进口、炉体、炉排、锥形灰渣室、水封池和燃气出口；生物燃气储气仓为具有可变形弹性储气仓，其包括沼气进口、燃气进口和混合气出口；并公开了生产燃气的工艺步骤。本发明的秸秆气、沼气双气联产的生产模式有效解决了传统沼气工程单独运行时发酵成本与发酵效率之间的矛盾，成功实现低成本的中高温的连续动态发酵，极大的提高了沼气工程产气效率。

Description

一种利用沼气和秸秆气双气联产装置生产生物燃气的工艺

技术领域

本发明涉及一种沼气和秸秆气生产的装置及生产工艺，特别是，涉及一种利用沼气和秸秆气双气联产装置生产生物燃气的工艺。

背景技术

生物质是地球所有直接或间接源自绿色植物光合作用而将太阳能转化并储存为化学能的有机物质，广义泛指所有的有机物(如：动植物、微生物等)，而狭义特指于人类无用且有害的城乡有机废弃物(如：作物秸秆、枯枝朽木、人畜粪便、餐饮厨余等)以及利用边际化荒废土地人工种植的生物质能源作物。

生物质能是太阳能通过生物质间接表达的能量形式，是蕴藏量无比巨大的可再生绿色能源；分别针对含水率较高的湿润性有机废弃物及含水率较低的干燥性有机废弃物两种不同的生物质对象，可分别采用厌氧气化和热解气化两种不同的生物质气化技术和技术装备而将其所含能量分别转化置换为厌氧燃气(沼气)和热解燃气(秸秆气)两种性能相近的生物燃气(生物质能的气化表达形式)。

沼气燃气是含水率较高的湿润性有机废弃物在特定厌氧发酵化学反应过程中生成的一种生物质混合燃气，其主要可燃成分为甲烷(甲烷65％，二氧化碳30％，硫化氢、氢、氨、氮等5％)，燃气热值约为6000大卡/m³(折合0.80kg标煤)，经脱硫脱水净化处理之后即可供发电机、锅炉、壁挂炉、炊事灶具等燃具直接燃用。

中国沼气事业发展已有百年悠久历史，虽然已取得长足的进步，但是推广普及现状仍不尽如人意，究其原因，主要如下：

(1)沼气工程的最大关键点在于如何以最低的运行成本获得最佳的发酵状态及最高的发酵效率：众所周知，良好的中高温发酵状态(而非常温发酵状态)及连续流动发酵状态(而非静止发酵状态或间歇流动发酵状态)均将使厌氧发酵效率得以极大提升；虽然前者可通过人为添加增温热源(如：沼气锅炉热水、太阳能热水、发电机余热等)得以实现，后者可通过人为添加搅拌动力(如电动机械等)得以实现；然而此添加均需彼能耗，添加多则能耗大则运行成本高，反之则势必影响发酵效率(尤以北方寒冷地区为甚)；左右为难、迫不得已之下，目前国内沼气工程普遍采取一方面扩大原始设备投资(以增加发酵容积)，另一方面缩小日常运行费用(以减少增温搅拌)的折衷方法以应对，久而久之，则必然窘迫。

(2)沼气工程的最大赢利点在于沼肥而非沼气：前者西瓜，后者芝麻；目前国内投入巨资建设的沼气工程普遍轻沼肥而重沼气，甚至弃沼肥于不顾；然而，如单独核算沼气则普遍成本高效益低，甚至负效益，久而久之，则必然尴尬。

秸秆燃气是含水率较低的干燥性有机废弃物在特定缺氧燃烧化学反应过程中产生的一种混合性可燃气体，含有氮(50％)、一氧化碳(20％)、二氧化碳(10％)、甲烷(10％)、氢(9％)、氧(1％)等多种成分，燃气热值约为1500大卡/m³(折合0.20kg标煤)，经除尘除焦净化处理之后即可供发电机、锅炉、壁挂炉、炊事灶具等燃具直接燃用。

秸秆气化技术及装备的研发早在上世纪八十年代即已被列入国家重点科技推广计划、国家火炬计划，并被誉为国家环境保护最佳实用技术、国家重点新产品、全国村镇建设适用技术产品；然而推广进程十分缓慢，至今未能得到广泛的普及应用，究其原因，主要如下：

(1)秸秆气化工程的最大关键点在于如何以最低的运行成本获得最高的燃气质量：众所周知，秸秆燃气中含有大量焦油、灰分等有害杂质(≥500mg/m³)，如不进行有效的净化处理，将很快致使末端系统堵塞报废；目前国内秸秆气化工程普遍采用传统的风机动力抽吸(水烟袋式)多级循环冷凝水洗工艺技术及装备对其进行除焦除尘净化处理，尽管燃气焦油含量可以达到≤50mg/m³国家农业部标准(甚至还可以达到≤10mg/m³更低标准)，但仍未能达到管网燃气级别(燃气焦油含量零趋近)质量标准，久而久之，微量焦油的日积月累仍将使系统终因“血管栓塞”而“心肌梗死”(其中危害尤以燃气计量表为甚)。

(2)秸秆气化工程的最大赢利点在于气化过程中产生的丰富气热能能否得以有效利用：秸秆燃气初始温度约为400℃左右，流速约为10m/s左右，目前国内秸秆气化工程普遍采用传统的风机动力抽吸(水烟袋式)多级循环冷凝水洗工艺技术及装备对其进行除焦除尘净化处理，结果不仅造成大量宝贵气热能和气动能无谓葬送于冷却、除焦、除尘塔之中，而且变为大量脏兮兮无法利用且极难降解的高温污水最终排放之后，更造成严重的二次环境污染问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述技术问题而提供一种即能实现沼气的低成本的中高温(可控温)连续动态发酵以及沼肥的回收利用，又能实现秸秆气气化过程中的丰富热能的回收利用。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：

一种利用沼气和秸秆气双气联产装置生产生物燃气的工艺，所述装置包括集料池、固液分离器、换热器，UASB反应器、颗粒污泥储池、曝气池、沉淀池、秸秆气化炉、生物燃气储气仓、脱水塔以及脱硫塔；其中，UASB反应器包括有机废水进口、三相分离器、出液口和沼气出口；秸秆气化炉包括排空管、燃料进口、炉体、炉排、锥形灰渣室、水封池和燃气出口；生物燃气储气仓为具有可变形弹性储气仓，其包括沼气进口、燃气进口和混合气出口；其特征在于，所述生产生物燃气的工艺包括以下步骤：

首先，通过集料池收集各种有机废弃物，收集到的各种有机废弃物进入固液分离器，而其中的固体进入颗粒污泥储池，有机废水通入换热器中；

第二，通过秸秆气化炉生产高温燃气，并通入与燃气出口连接的换热器中，并与通入换热器中的有机废水进行充分换热，以提高有机废水的温度；

第三，换热后的有机废水通过有机废水进口进入UASB沼气反应器进行充分反应，生产的沼气经过沼气进口进入生物燃气储气仓；

第四，通过换热器之后的高温燃气经过除尘处理之后经过燃气进口进入生物燃气储气仓并与进入的沼气混合，混合之后的气体通过混合气出口流出，并经过脱水塔脱水处理和脱硫塔脱硫处理并最终供给用户直接使用；

第五，通过UASB沼气反应器中沉淀的固体也进入颗粒污泥储池，于此同时通过出液口流出反应器的混合液进入曝气池，曝气处理之后的混合液流入沉淀池，混合液中的悬浮固体在沉淀池中进行固液分离，流出沉淀池的液体排至农田，沉淀池中的污泥大部分回流至曝气池，而剩余的污泥以及颗粒污泥储池中的污泥均作为农肥二次利用或者加工处理。

本发明的秸秆气、沼气双气联产的生产模式有效解决了传统沼气工程单独运行时发酵成本与发酵效率之间的矛盾，成功实现低成本的中高温的连续动态发酵，极大的提高了沼气工程产气效率；与国内同等规模的传统沼气工程相比，至少节省投资一半以上。

附图说明

图1沼气和秸秆气双气联产的生产工艺框图；

图2下吸式秸秆气化炉的结构示意图；

图3UASB沼气反应器的结构示意图；

图4混合气脱水塔的结构示意图。

图中各部件名称如下：

1-排空管，2-燃料进口，3-炉体，4-炉排，5-水封池，6-燃气出口，7-有机废水进口，8-三相分离器，9-出液口，10-沼气出口，11-干燥剂

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

根据附图，本发明的沼气和秸秆气双气联产的装置包括集料池、固液分离器、换热器，UASB反应器、颗粒污泥储池、曝气池、沉淀池、秸秆气化炉、生物燃气储气仓、脱水塔以及脱硫塔，其中UASB反应器包括有机废水进口、三相分离器、出液口和沼气出口；秸秆气化炉包括排空管、燃料进口、炉体、炉排、锥形灰渣室、水封池和燃气出口；生物燃气储气仓为具有可变形弹性储气仓，其包括沼气进口、燃气进口和混合气出口。

接下来参照图1，进一步详细说明沼气和秸秆气双气联产的生产工艺。在图1中，集料池的作用是收集各种有机废弃物，收集到的各种有机废弃物首先进入固液分离器，而其中的固体进入颗粒污泥储池，有机废水通入与秸秆气化炉的生物燃气出口相互连接的换热器；同时，秸秆气化炉中生产的高温生物燃气也通入换热器中与有机废水进行充分换热，以提高有机废水的温度，换热后的有机废水进入UASB沼气反应器进行充分反应，生产的沼气进入生物燃气储气仓，而通过换热器之后的高温燃气经过除尘处理之后也进入生物燃气储气仓与沼气混合，混合之后的气体经过脱水塔脱水处理和脱硫塔脱硫处理并最终供给用户直接使用。而UASB沼气反应器中沉淀的固体也进入颗粒污泥储池，混合液进入曝气池，曝气池的作用是传递氧气进入混合液，起到搅拌的作用从而使混合液呈现悬浮状态，随后混合液流入沉淀池，混合液中的悬浮固体在沉淀池中进行固液分离，流出沉淀池的液体可以排至农田，沉淀池中的污泥大部分回流至曝气池，此过程为污泥回流，目的是使曝气池内保持一定的悬浮固定浓度，即保持一定的微生物浓度，而剩余的污泥以及颗粒污泥储池中的污泥均可以作为农肥二次利用或者加工处理。

参照图2，本发明的下吸式秸杆气化炉，它包括排空管1，燃料进口2，炉体3，炉排4，锥形灰渣室，水封池5，燃气出口6；其中炉体的顶部设有燃料进口，炉体内设有炉排4，炉排的下面设有聚火室和锥形灰渣室，聚火室通过设置在炉体夹层内的盘管与燃气出口6连通；在炉体顶部的燃料添加口上设有防火罩，防火罩的顶上设有排空管1，防火罩的一侧设有带推拉门的燃料进口2；炉体内的炉排呈活动抽拉结构，灰渣室呈锥形结构，锥形灰渣室的底部设有清灰口，清灰口的下面设有水封池5。另外，炉体采用流线形状，炉内活动的炉排结构不仅经久耐用，而且不会出现空洞及搭桥现象，促使生物质热解反应完全、均匀、连续，气化炉适合处理各种干燥性生物质废弃物原料，如玉米秸、玉米芯、麦秸、稻壳、稻草、棉秆、刨花、木屑、树枝、树根等；并由此牵动其它相关技术指标全面提升，整体达到了行业领先水平。

参考图3，本发明的UASB沼气反应器，包括有机废水进口7，三相分离器8、出液口9和沼气出口10；其中有机废水进口流入的废水是经过换热器吸收高温燃气热能之后的废水，其温度保持在40度以上，能够实现中高温的连续动态发酵，极大的提高了沼气工程产气效率，并能实现在冬季寒冷北方的沼气的持续产出。UASB反应器的工作原理是：将待处理的废水引入UASB反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状污泥组成的污泥床，随着污水与污泥相接触产生厌氧反应，产生的沼气引起污泥床扰动，在污泥床产生的气体中有一部分会附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器顶部，污泥颗粒上升撞击到脱气挡板的底部时，引起附着的气泡释放，脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥床表面，自由气体和从污泥颗粒释放的气体被收集到反应器顶部的集气室内。分离气体、固体之后的液体从继续上升，经集水槽排出至曝气池，沼气聚集于三相分离器顶部，并通过气管排出。

秸秆气化炉产生的燃气经过换热器之后需要经过除尘处理，然后进入生物燃气储气仓，沼气则直接进入生物燃气储气仓，含水的沼气进一步清洗了燃气，二者在储气仓内混合。储气仓为可变形弹性储气仓，包括沼气进口，燃气进口和混合气出口，进出口处均设置控制阀，储气仓还设置压力检测装置，当压力超过设定值时则关闭进口阀打开出口阀进行泄压。此外，可变形弹性储气仓还可以在仓内压力不足时通过物理方式挤压储气仓以将仓内气体充分排出，实现利用率的最大化。而通过出口阀排出的混合气体通过图4的脱水塔和脱硫塔进行脱水和脱硫处理，然后供给用户直接使用混合气。参考图4，图4是混合气脱水塔的结构示意图，干燥剂放置于塔内的容器内，混合气从下部进入，经过干燥剂吸水后，从上部流出。

此外，混合的生物燃气还可以通过燃气锅炉将其置换为高温低压蒸汽，继而再行通过螺杆动力发电机组、溴化锂热冷交换机组、相变蓄能机组等技术装备进一步将其置换为“电、冷、热”等不同的能量形式以彻底满足村域各种不同用途用能之所需。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种利用沼气和秸秆气双气联产装置生产生物燃气的工艺，所述装置包括集料池、固液分离器、换热器，UASB反应器、颗粒污泥储池、曝气池、沉淀池、秸秆气化炉、生物燃气储气仓、脱水塔以及脱硫塔；其中，UASB反应器包括有机废水进口、三相分离器、出液口和沼气出口；秸秆气化炉包括排空管、燃料进口、炉体、炉排、锥形灰渣室、水封池和燃气出口；生物燃气储气仓为具有可变形弹性储气仓，其包括沼气进口、燃气进口和混合气出口；其特征在于，所述生产生物燃气的工艺包括以下步骤：

首先，通过集料池收集各种有机废弃物，收集到的各种有机废弃物进入固液分离器，而其中的固体进入颗粒污泥储池，有机废水通入换热器中；

第二，通过秸秆气化炉生产高温燃气，并通入与燃气出口连接的换热器中，并与通入换热器中的有机废水进行充分换热，以提高有机废水的温度；

第三，换热后的有机废水通过有机废水进口进入UASB沼气反应器进行充分反应，生产的沼气经过沼气进口进入生物燃气储气仓；

第四，通过换热器之后的高温燃气经过除尘处理之后经过燃气进口进入生物燃气储气仓并与进入的沼气混合，混合之后的气体通过混合气出口流出，并经过脱水塔脱水处理和脱硫塔脱硫处理并最终供给用户直接使用；

第五，通过UASB沼气反应器中沉淀的固体也进入颗粒污泥储池，于此同时通过出液口流出反应器的混合液进入曝气池，曝气处理之后的混合液流入沉淀池，混合液中的悬浮固体在沉淀池中进行固液分离，流出沉淀池的液体排至农田，沉淀池中的污泥大部分回流至曝气池，而剩余的污泥以及颗粒污泥储池中的污泥均作为农肥二次利用或者加工处理。

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