CN108998479A - 一种利用纯秸秆制备生物质燃气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用纯秸秆制备生物质燃气的方法，包括：调节秸秆含水量至55％～75％，然后加入占秸秆重量0.01‑0.1‰的秸秆发酵剂菌种，再将秸秆压实密封存储备用；将存储的秸秆粉碎后加入占秸秆重量0.01‑0.1‰的纤维素酶，在水解池中曝气和搅拌条件下水解24～48hr，水解温度控制在37℃‑39℃；经水解处理后的秸秆在搅拌下进行厌氧发酵，发酵温度控制在47℃～49℃，得到生物质燃气、发酵液和发酵固体副产物；将所得生物质燃气净化提纯后作为能源利用；将所得发酵液用于制备液态肥料；将所得发酵固体副产物用于制备固体有机肥。本发明的方法可进一步提高秸秆的利用效率，减少工艺对环境的污染。

Description

一种利用纯秸秆制备生物质燃气的方法

技术领域

本发明涉及一种农作物秸秆高价值利用方法，具体涉及一种利用纯秸秆制备生物质燃气的方法。

背景技术

能源是人类赖以生存的物质基础，是国民经济的基本支撑。我国是能源消费大国，目前能源供应主要依靠煤炭、石油和天然气等化石能源，而化石能源资源的有限性及其开发利用过程对生态环境造成的巨大压力，严重制约着经济社会的可持续发展。因此，开发清洁的可再生能源已成为我国能源领域的一个紧迫课题。在太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能和生物质能等可再生能源中，生物质能具有可再生和环境友好等双重属性，是唯一可存储和运输的可再生能源，是国家重点鼓励的能源发展领域之一。

农作物秸秆作为生物质能资源的主要来源之一，是目前世界上仅次于煤炭、石油以及天然气的第四大能源之一，在世界能源总消费量中占14％，预计到本世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能源的40％以上。除此以外，目前农民主要是通过焚烧的办法处理农作物秸秆。因此，大力开发利用秸秆等生物质能，既是我国开拓新的能源途径，缓解能源供需矛盾的战略措施，也是解决“三农”问题以及秸秆焚烧产生的大气污染问题，保证社会经济持续发展的重要任务。

秸秆能源气技术，是利用微生物的厌氧消化作用将秸秆转化成清洁可再生能源的处理技术。如何降低过程成本，增强企业造血盈利能力，为生物质能源产业发展创造赢利点，是生物质能源产业开发与利用突破瓶颈的关键所在。除此以外，在将秸秆生物质能源开发利用的过程中，存在秸秆收集困难、存储困难、秸秆利用率低、产气过程易酸化、产气率低、后续发酵副产物污染环境等问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种秸秆的高价值资源化利用工艺，可进一步提高秸秆的利用效率，减少工艺对环境的污染。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

提供一种利用纯秸秆制备生物质燃气的方法，主要包括以下步骤：

1)调节新鲜秸秆含水量至55％～75％，然后加入占秸秆重量0.01-0.1‰的秸秆发酵剂菌种，再将秸秆压实密封存储备用；

2)将1)存储的秸秆粉碎后，加入纤维素酶，控制纤维素酶与秸秆的重量比在0.01:1000-0.1:1000，在水解池中曝气和搅拌条件下水解24～48hr，水解温度控制在37℃-39℃；

3)经2)水解处理后的秸秆在搅拌下进行厌氧发酵，发酵温度控制在47℃～49℃，得到生物质燃气、发酵液和发酵固体副产物；

4)将3)所得生物质燃气净化提纯后作为能源利用；将3)所得发酵液用于制备液态肥料；将3)所得发酵固体副产物用于制备固体有机肥。

本发明优选的方案中，步骤1)所述的加入秸秆发酵菌种，是先将秸秆粉碎至2-5cm，然后在粉碎的秸秆中喷洒含有所述比例秸秆发酵剂菌种的水溶液，以使秸秆发酵剂菌种能够均匀深入地渗透到秸秆内部。

本发明优选的方案中，步骤2)所述的水解温度控制在38℃。

本发明优选的方案中，步骤3)所述的发酵温度控制在48℃。

本发明优选的方案中，步骤4)所述生物质燃气净化提纯包括脱水、脱硫或脱碳中的任意一种或多种的组合。

本发明进一步优选的方案中，所述的脱碳采用膜分离技术。膜分离技术相比现有的其他物理法沼气提纯技术，具有更高效的回收率；膜组本身为低能耗，有利于降低工艺成本。

本发明优选的方案中，步骤3)所得的发酵液一部分返回步骤2)所述的水解池参与水解。由此可以对水解池进行补水，不但节约了水源，而且将发酵罐的热量带入水解池，不用单独给水解池加热，节约了能耗。

本发明优选的方案中，步骤4)所述的发酵液用于制备液态肥料的步骤包括将发酵液过滤、灭菌、二次发酵、调配后，进行磁化、包装；所述过滤是指发酵液通过1000目的筛子过滤；所述灭菌温度为65-85℃，保持45分钟。所述二次发酵是指将发酵罐温度控制在55℃～85℃条件下，保持4～6小时。其中过1000目筛网可有效减少发酵后液体副产物中的不溶物；二次发酵是为了解决液肥在包装、运输、储存过程中受热出现二次发酵产生气体导致涨裂现象等问题；磁化具有促进种子发芽出苗、疏松土壤、加快有机肥分解、刺激农作物生长的作用。

本发明最优选的一种实施方式，包括以下步骤：

1)将新鲜秸秆粉碎至2-5cm后，调节其含水量至60％；然后在秸秆中喷洒含有秸秆发酵剂菌种的水溶液，使秸秆发酵剂菌种占秸秆重量的0.01-0.1‰，再将秸秆压实密封存储备用；

2)将步骤1)存储的秸秆与纤维素酶以0.05:1000～0.08:1000的重量比混合，在曝气和搅拌条件下水解池中水解24～48hr，水解温度控制在38℃；

3)经2)水解处理后的秸秆在搅拌下进行厌氧发酵，发酵温度控制在48℃，得到生物质燃气、发酵液和发酵固体副产物；发酵液的一部分返回步骤2)的水解池；

4)将3)所得生物质燃气脱水、脱硫处理后，作为生物质燃气；再经膜分离法脱碳处理，然后作为车用燃气利用；将3)所得发酵液的剩余部分通过1000目的筛子过滤后在65-85℃下保持45分钟灭菌，再经二次发酵、调配营养元素、磁化后得到液态肥料；将3)所得发酵固体副产物用于制备固体有机肥。

与现有技术相比，本发明在以下几方面获得了有益效果：

1.在较低能耗下获得了高于现有技术的产气率，生产效率显著提高。

一方面，现有技术中，用秸秆制备生物质燃气的工艺通常是发酵产气的单相产气技术，在发酵过程中往往出现酸化现象，影响秸秆发酵产气率；本发明采用水解-发酵两相分离的发酵技术，将水解的温度控制在低于发酵温度且乙酸转化率高的合适范围(37～39℃)，在纤维素酶的作用下提前将秸秆水解转化成有机酸，避免了正式的发酵过程中出现酸化现象，由此提高了发酵过程的产气率。

另一方面，现有技术中的秸秆厌氧发酵通常分为低温(20-25℃)、中温(37-42℃)、高温(50-60℃)发酵，中温发酵的TS产气率大约在250-300m³/t之间，容积产气率在0.6-0.8之间；高温发酵的TS产气率大约在300-350m³/t之间，容积产气率在0.8-1.2之间。本发明选择的47～49℃的中高温发酵温度，再结合上述水解-发酵两相分离的处理方式，使本发明发酵原料的TS产气率提高到400-450m³/t，容积产气率提高到1.5以上，既超过了高温发酵的产气效果，还节约了能耗。

2.同时具有低能耗、零污染、零排放的优点

首先，本发明工艺所得发酵液可进入液态肥车间生产液态肥，发酵固体副产物可进入有机肥生产系统，从而实现了零排放、零污染。此外，本发明的秸秆发酵制备生物质燃气的方法不同于现有技术的一大特征在于：现有技术常规需要添加畜禽粪便参与发酵，生产沼气；而本发明的方法全套工艺都不需要添加畜禽粪便或其他任何化学合成物质，因此本发明的方法原材料洁净、绿色、有机，不含抗生素等污染环境的物质。而且由于是纯秸秆发酵，经过固液分离后的发酵固体副产物何重金属含量极低，以此作为原料，经高温发酵腐熟所生产的有机肥，具有抑制病虫害的良好效果，可减少农药使用，替代化肥，减轻环境污染及生态危机。

在降低成本方面，本发明采用菌种法存储秸秆(即在含水率55～75％的秸秆中加入占秸秆重量0.01-0.1‰的秸秆发酵剂菌种，再将秸秆压实密封存储备用)，有效地避免了秸秆在存储过程中的易腐烂现象，使秸秆的存储时间长达几年甚至十几年之久，从而降低了生产工艺中秸秆存储环节的难度和要求，降低了工艺成本。而且本发明采取水解-发酵相分离的两相发酵法不仅提高了秸秆的利用率，实现了发酵罐的长期运转，并能有效地避免发酵罐的结壳，显著降低了工艺维护成本。

3.本发明的工艺可带来良好的经济效益和社会效益，为能源气的社区能源气压缩供应、净化提纯用于加气，以及能源气燃烧发电等联动产业开发，降低压缩/净化等成本，生产优质能源提供了技术保障。并可充分利用能源气燃烧发电预热推进联动产业发展。对于一个年产300万方生物质气的项目来说，经过成本核算和收益核算，其年净收益可达近千万。

具体实施方式

以下通过列举实施例的方式进一步详细阐述本发明的技术方案及其效果，但本发明的方案不限于所列举的实施例。

实施例1

一种利用纯甜高粱秸秆制备生物质燃气的方法，包括以下步骤：

1)将新鲜甜高粱秸秆粉碎至2-5cm粒径后，调节其含水量至60％；然后在秸秆中喷洒含有秸秆发酵剂菌种的水溶液，使秸秆发酵剂菌种占秸秆重量的0.05‰，再将秸秆压实密封存储备用；

2)将步骤1)存储的秸秆加入纤维素酶，控制纤维素酶与秸秆的重量比在0.05:1000，投入水解池中进行预处理40hr，用鼓风机对水解池进行曝气，用搅拌桨对其进行搅拌，水解温度控制在38℃；

3)经2)水解处理后的秸秆进入发酵罐进行厌氧发酵产能源气(生物质燃气)，发酵罐温度控制在48℃，用搅拌桨对物料进行搅拌，得到生物质燃气和发酵后物料；

4)将3)所得生物质燃气脱水、脱硫处理后，再经膜分离法脱碳处理，然后作为车用燃气利用；将3)所得发酵后物料从发酵罐泵入固液分离系统，进行固液分离，固液分离所得发酵液的一部分返回步骤2)的水解池，剩余发酵液通过1000目的筛子过滤后在70℃下保持45分钟灭菌，再经二次发酵、调配营养元素、磁化后得到液态肥料；固液分离所得发酵固体副产物用于制备固体有机肥。

实施例2

一种利用纯玉米秸秆制备生物质燃气的方法，包括以下步骤：

1)将新鲜玉米秸秆粉碎至2-5cm后，调节其含水量至65％；然后在秸秆中喷洒含有秸秆发酵剂菌种的水溶液，使秸秆发酵剂菌种占秸秆重量的0.08‰，再将秸秆压实密封存储备用；

2)将存储的秸秆加入纤维素酶，控制纤维素酶与秸秆的重量比在0.01:1000，投入水解池中进行预处理48hr，用鼓风机对水解池进行曝气，用搅拌桨对其进行搅拌，水解温度控制在37℃；

3)经2)水解处理后的秸秆进入发酵罐进行厌氧发酵产能源气(生物质燃气)，发酵罐温度控制在49℃，用搅拌桨对物料进行搅拌，得到生物质燃气和发酵后物料；

4)将3)所得生物质燃气脱水、脱硫处理后作为家用燃气利用；将3)所得发酵后物料从发酵罐泵入固液分离系统，进行固液分离，固液分离所得发酵液的一部分返回步骤2)的水解池，剩余发酵液通过1000目的筛子过滤后在70℃下保持45分钟灭菌，再经二次发酵、调配营养元素、磁化后得到液态肥料；固液分离所得发酵固体副产物用于制备固体有机肥。

实施例3

一种利用纯棉花秸秆制备生物质燃气的方法，包括以下步骤：

1)将新鲜棉花秸秆粉碎至2-5cm后，调节其含水量至55％；然后在秸秆中喷洒含有秸秆发酵剂菌种的水溶液，使秸秆发酵剂菌种占秸秆重量的0.1‰，再将秸秆压实密封存储备用；

2)将存储的秸秆加入纤维素酶，控制纤维素酶与秸秆的重量比在0.1:1000，投入水解池中进行预处理24hr，用鼓风机对水解池进行曝气，用搅拌桨对其进行搅拌，水解温度控制在39℃；

3)经2)水解处理后的秸秆进入发酵罐进行厌氧发酵产能源气(生物质燃气)，发酵罐温度控制在47℃，用搅拌桨对物料进行搅拌，得到生物质燃气和发酵后物料；

4)将3)所得生物质燃气脱水、脱硫处理后作为家用燃气利用；将3)所得发酵后物料从发酵罐泵入固液分离系统，进行固液分离，固液分离所得发酵液的一部分返回步骤2)的水解池，剩余发酵液通过1000目的筛子过滤后在75℃下保持45分钟灭菌，再经二次发酵、调配营养元素、磁化后得到液态肥料；固液分离所得发酵固体副产物用于制备固体有机肥。

对比例1

与实施例1的工艺大体相同，区别仅在：步骤2)是将存储的秸秆加入纤维素酶，控制纤维素酶与秸秆的重量比在0.05:1000，投入水解池中进行预处理40hr，用鼓风机对水解池进行曝气，用搅拌桨对其进行搅拌，水解温度控制在30℃。

对比例2

与实施例1的工艺大体相同，区别仅在：步骤2)是将存储的秸秆加入纤维素酶，控制纤维素酶与秸秆的重量比在0.05:1000，投入水解池中进行预处理40hr，用鼓风机对水解池进行曝气，用搅拌桨对其进行搅拌，水解温度控制在42℃。

对比例3

与实施例1的工艺大体相同，区别仅在：步骤2)是将将存储的秸秆加入纤维素酶，控制纤维素酶与秸秆的重量比在0.05:1000，投入水解池中进行预处理40hr，用鼓风机对水解池进行曝气，用搅拌桨对其进行搅拌，水解温度控制在45℃。

效果检测

1.检测实施例1、对比例1-3各工艺中水解步骤的乙酸转化率，设备运行到第3天检测有机酸，数据结果见表1：

表1

样本	水解温度	TS	PH	乙酸	总酸
						对比例1	30℃	11.19	5.14	3532	5100
实施例1	38℃	10.71	5.40	4028	6211
						对比例2	42℃	11.26	6.16	3631	5761
对比例3	45℃	10.21	5.67	3419	5942

由表1可知，实施例1所述水解温度下乙酸转化率明显高于其他对比例。

2.检测实施例1-3所得的发酵固体副产物的有机质、总养分及无害化指标，结果显示，实施例1-3的秸秆发酵方法所得发酵固体副产物有机质含量(以烘干基计)在77～82％之间，总氮含量(以N计)可达1.47～1.69％，磷含量(以P₂O₅计)达0.35～1.03％，钾含量(以K₂O计)达0.45～1.22％；而砷含量低于0.3mg/kg，汞含量低于0.05mg/kg，铅含量低于4.8mg/kg，铬含量低于23mg/kg，镉含量低于0.12mg/kg。

可见，本发明的秸秆发酵方法获得的发酵固体副产物无害化程度高，重金属含量均显著低于有机肥无害化的国家标准；而且有机质和养分含量非常高，可大大降低进一步制备有机肥的生产成本。

实施例4

将实施例1所述分离得到的发酵液先进入过滤机，通过1000目过滤后进入液态肥发酵罐在80℃保持45分钟进行灭菌消毒。灭菌消毒结束后，为了解决液肥在包装、运输、储存过程中受热出现二次发酵产生气体导致涨裂现象等问题，将发酵罐温度控制在75℃的高温条件下，保持5小时，对发酵液进行二次发酵。二次发酵结束后将发酵液泵入调配罐，复配各种营养元素。最后磁化、包装。进一步经过磁化处理，其实验效果呈现赋予液态肥具有促进种子发芽出苗，疏松土壤，加快有机肥分解，刺激农作物生长的作用的效果。

把实施例4的液态肥与同配方但未经过滤和磁化处理的液态肥分别用于各种蔬菜，得到以下2、3中的效果：

表2

通过对黄瓜整个生长过程的营养生长指标进行分析发现我们的产品与其他两种肥料相比壮苗旺棵效果显著，能够保证植株协调生长；通过对其根系生长情况及产量进行数据采集分析发现，与其他肥料相比我们的产品根系发达，根系雪白，毛细根密集，这说明产品配比合适，促生根效果显著，可以满足黄瓜生长需求，其亩产量较其他两种肥料增产14％以上。

表3

如表3所示，通过对茄子整个生长过程进行营养生长数据采集和产量统计，发现3种肥料的的产量存在显著差异，使用本发明过滤和磁化处理的肥料的亩产量较其他两种肥料提高约17％，较未使用肥料对照组提高约29.69％，增产效果显著；同时，植株根系主根数量多，根系雪白，木质化程度较轻。

Claims (9)

1.一种利用纯秸秆制备生物质燃气的方法，主要包括以下步骤：

1)调节新鲜秸秆含水量至55％～75％，然后加入占秸秆重量0.01-0.1‰的秸秆发酵剂菌种，再将秸秆压实密封存储备用；

2)将1)存储的秸秆粉碎后，加入纤维素酶，控制纤维素酶与秸秆的重量比在0.01:1000-0.1:1000，在水解池中曝气和搅拌条件下水解24～48hr，水解温度控制在37℃-39℃；

3)经2)水解处理后的秸秆在搅拌下进行厌氧发酵，发酵温度控制在47℃～49℃，得到生物质燃气、发酵液和发酵固体副产物；

4)将3)所得生物质燃气净化提纯后作为能源利用；将3)所得发酵液用于制备液态肥料；将3)所得发酵固体副产物用于制备固体有机肥。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)所述的加入秸秆发酵菌种，是先将秸秆粉碎至2-5cm，然后在粉碎的秸秆中喷洒含有所述比例秸秆发酵剂菌种的水溶液。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)所述的水解温度控制在38℃。

4.权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)所述的发酵温度控制在48℃。

5.权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)所述生物质燃气净化提纯包括脱水、脱硫或脱碳中的任意一种或多种的组合。

6.权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的脱碳采用膜分离技术。

7.权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)所得发酵液一部分返回步骤2)所述的水解池参与水解。

8.权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)所述的发酵液用于制备液态肥料的步骤包括将发酵液过滤、灭菌、二次发酵、调配后，进行磁化、包装；所述过滤是指发酵液通过1000目的筛子过滤；所述灭菌温度为65-85℃，保持45分钟。

9.权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将新鲜秸秆粉碎至2-5cm后，调节其含水量至60％；然后在秸秆中喷洒含有秸秆发酵剂菌种的水溶液，使秸秆发酵剂菌种占秸秆重量的0.01-0.1‰，再将秸秆压实密封存储备用；

2)将步骤1)存储的秸秆与纤维素酶以0.05:1000～0.08:1000的重量比混合，在曝气和搅拌条件下水解池中水解24～48hr，水解温度控制在38℃；

3)经2)水解处理后的秸秆在搅拌下进行厌氧发酵，发酵温度控制在48℃，得到生物质燃气、发酵液和发酵固体副产物；发酵液的一部分返回步骤2)的水解池；

4)将3)所得生物质燃气脱水、脱硫处理后，作为生物质燃气；再经膜分离法脱碳处理，然后作为车用燃气利用；将3)所得发酵液的剩余部分通过1000目的筛子过滤后在65-85℃下保持45分钟灭菌，再经二次发酵、调配营养元素、磁化后得到液态肥料；将3)所得发酵固体副产物用于制备固体有机肥。