CN105132467A - 汽爆湿贮存玉米秸秆的两相厌氧发酵方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源技术领域，为一种以瞬时弹射式汽爆为预处理方式的湿贮存玉米秸秆两相厌氧发酵方法。本发明提供的一种方法为针对湿贮存玉米秸秆富含细胞内水分的特质，通过瞬时弹射式汽爆技术，利用高压蒸汽的加热与短时间的爆出作用，使秸秆细胞内水分快速汽化膨胀，达到物料微结构破碎及宏观浆化目的。与此同时，汽爆过程中的热化学反应生成的甲酸、乙酸、丙酸及丁酸，使爆出后的秸秆处于PH4.1～4.4的酸性状态。利用这一条件，将汽爆后浆化的玉米秸秆泵入酸化反应器中，在不添加化学药剂条件下使其自然发生快速酸化水解。最后，根据甲烷化反应器的发酵负荷能力，均匀持续的由酸化反应器供给水解液，实现平稳的厌氧发酵过程。

Description

汽爆湿贮存玉米秸秆的两相厌氧发酵方法

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，为一种以瞬时弹射式汽爆为预处理方式的湿贮存玉米秸秆两相厌氧发酵方法。

背景技术

我国每年玉米秸秆蕴藏量达2.61亿吨，占我国秸秆资源总量的39％。这些秸秆做为饲料、肥料及工业原料的比例仍然很低。秸秆还田与焚烧成为了实质上最主要的处理方式。由于玉米秸秆碳氮比高、降解腐熟缓慢、病虫害不隔离以及数量过大，秸秆还田已影响到了下一季的种植。秸秆焚烧虽然解决了上述问题，但带来了严重的大气颗粒物污染，这与建设生态文明背道而驰。因此对秸秆收集并转化为清洁能源成为最具前景的发展方向之一。目前所面临的最大问题在于降低转化成本、提高转化效率。这一问题可以具体划分为秸秆收贮、预处理、发酵三个关键点。

由于干秸秆在干燥、收集、粉碎过程中生物量损失大，密度低，大大提高了转化成本。同时干秸秆在预处理前还需要预浸泡，也增加了处理成本。

现有秸秆预处理方式包括碱堆沤、掺加畜禽粪便。在木质纤维素类生物质的生物结构中，纤维素被木质素、半纤维素交织覆盖、包络，实际上木质素成为了生物质中纤维素与半纤维素进行生物降解的天然屏障。这种状态下要想提高生物质秸秆中半纤维素和纤维素的转化率，就必须把木质素、半纤维素剥离开来，消除其阻碍和占用纤维素分解酶的屏障作用，增加生物质秸秆的孔隙率和酶对纤维素的可及性，这就是所有预处理方法追求的目标。现有手段未能达到对秸秆微结构的有效分离是制约秸秆厌氧发酵效率的关键。急需新的低成本、高效率的预处理技术。

秸秆厌氧发酵属于高固体厌氧消化技术，是一项研究热点。由于秸秆酸化迅速，在全混式发酵时，易发生入料冲击，造成酸化，抑制发酵，因此难以提高发酵浓度。针对这一问题两相发酵方式应运而生，可以有效解决酸化与甲烷化两阶段反应不同步的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术之不足，提供一种以瞬时弹射式汽爆为预处理手段，对湿贮存秸秆进行两相厌氧发酵的方法。

瞬时弹射式汽爆技术是将渗进植物组织内部的蒸汽分子瞬时释放完毕，使蒸汽内能转化为机械能并作用于生物质组织细胞层间，从而用较少的能量将原料按目的分解。该技术和较早被利用的热喷技术、膨化技术存在根本区别，这些区别主要体现在：

(1)这一爆破技术的核心是利用蒸汽压力和汽爆设备特殊的结构设计，可使物料在爆炸声中(毫秒)瞬时全部爆出。由于爆破瞬间前后造成了植物体内外的几十倍压差，使植物体内部组织结构破坏，木质素与纤维素、半纤维素大幅度分离和断裂，导致这种变化作用力的其直观表现是“炸”声。

(2)特殊的汽缸-活塞结构设计，使蒸汽在爆破中能够实现比较完全的热功转变，热能转换成了机械能对植物做功。其外在的表现特征是爆破物温度短时间内发生显著下降，由240℃骤然降到近50℃。

本发明的基本原理是：针对湿贮存玉米秸秆富含细胞内水分的特质，通过瞬时弹射式汽爆技术，利用高压蒸汽的加热与短时间的爆出作用，使秸秆细胞内水分快速汽化膨胀，达到物料微结构破碎及宏观浆化目的。与此同时，汽爆过程中的热化学反应生成的甲酸、乙酸、丙酸及丁酸，使爆出后的秸秆处于PH4.1～4.4的酸性状态。利用这一条件，将汽爆后浆化的玉米秸秆泵入酸化反应器中，在不添加化学药剂条件下使其自然发生快速酸化水解。最后，根据甲烷化反应器的发酵负荷能力，均匀持续的由酸化反应器供给水解液，实现平稳的厌氧发酵过程。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种汽爆湿贮存玉米秸秆的两相厌氧发酵方法，将标准湿贮存工艺下贮存的粉碎湿贮存原料送入汽爆机活塞中，通入1～2.5MPa饱和水蒸气，经过60～200s保压时间，在0.01秒内活塞弹出并将秸秆爆出，送入酸化反应器进行酸化水解；酸化反应器中经过滤取出的酸化水解液以连续或定量的方式注入甲烷化厌氧反应器。酸化反应器与甲烷化反应器均连续产出沼气。

酸化反应器的发酵浓度TS为10％～25％，实际上随着酸化水解的进行，这一浓度在不断下降。当再次进料时又上升至最大值，如此往复波动。特别指出的是在酸化反应器中不添加任何接种物、化学试剂、酶制剂等，反应是在汽爆爆出物酸性条件下自然进行的。

甲烷化厌氧反应器可以为装载有颗粒污泥的UASB反应器或IC反应器，并将该反应器的出水完全回注到酸化反应器中。

本发明的优点是：

1、直接使用湿贮存原料，保证了原料全年稳定低成本供应。

2、汽爆湿贮存秸秆在较低压力下就能获得满意汽爆效果，这缘于发挥了细胞内水分的汽化膨胀作用。

3、汽爆预处理的时间短、能耗低，为大批量处理创造了条件。同时汽爆后湿贮存秸秆与水混溶，有效解决了厌氧发酵中秸秆漂浮问题。

4、整个厌氧发酵过程不添加任何接种物、化学试剂、酶制剂等，不仅降低成本，而且生产过程的环保特性优异。

5、汽爆过程产生的有机酸不但加速了酸水解过程，而且本身就成为了甲烷化反应的底物，加速了整体高固体厌氧消化的反应速率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明的工艺流程框图。

具体实施方式

该实施方式仅是阐述本发明的基本原理，对于具体参数并非限制性的。在实际应用时可根据情况进行合理的调整或取舍。

实施例

将玉米秸秆在采收季节收获玉米后4小时内收割并运至湿贮存池，经专用湿贮存粉碎机揉碎后(长度不一，一般为5～30cm)送入湿贮存池并碾压夯实，平均每亩采收鲜秸秆2.2吨。经过7～10天乳酸菌发酵后即可按照用量取用湿贮存秸秆。将湿贮存原料(含水量约为40％)用装载机放入汽爆机入料口，通入压力2.5Mpa，温度230℃饱和水蒸气，经过90s左右对保压时间，然后在0.00875秒内以瞬时弹射式汽爆方式将爆腔内的物料瞬间爆出。爆出物进入接收池中后，按照1∶3的比例加入清水或厌氧反应器内的循环水，再由浓浆泵泵入酸化反应器中。物料进入酸化反应阶段后，根据酸化液的浓度、PH值以及甲烷化反应器的消化负荷能力，从酸化反应器中经过滤抽出酸化液，送入到甲烷化反应器中。两相反应的最佳反应温度可以控制在35℃。

对比例

将玉米秸秆自然风干粉碎至1～3cm装袋，平均每亩采收风干秸秆180Kg。取用时，将秸秆与牛粪按照3∶1的比例掺混，并加入生石灰及一定量的水，使其升温堆沤7天。将堆沤后的混合物及污泥接种物按5∶1比例送入全混厌氧发酵反应器中，在35℃下进行恒温厌氧发酵。

在实施例与对比例中，固体反应器中的TS均为10％。对比例的发酵周期为55天，秸秆产气率平均为294L/Kg(干基)；实施例中，酸化反应器在4天后排出酸化底渣，但酸化液一直保持与甲烷化反应器的循环，秸秆产气率为455L/Kg(干基)。

从上述对比中，可以看出汽爆湿贮存玉米秸秆可以明显缩短固体停留期，提高反应器生产效率，并且提高了秸秆厌氧转化效率。

Claims (2)

1.一种汽爆湿贮存秸秆的两相厌氧发酵方法。其特征是：将湿贮存秸秆送入汽爆机活塞中，通入1～2.5MPa饱和水蒸气，经过60～200s保压时间，在0.01秒内活塞弹出爆腔并将秸秆爆出，送入酸化反应器，发酵浓度TS为10％～25％，并按照厌氧发酵负荷向甲烷反应器供给酸液，完成厌氧发酵过程。

2.根据权利要求1所述的两相厌氧发酵方法，其特征是：酸化反应器与甲烷反应器之间通过过滤器进行液体交换。