CN110256130A - 一种利用秸秆自然霉变产热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用秸秆自然霉变产热的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：将玉米秸秆粉碎，备用；步骤二：将50~1000g碎玉米秸秆、0~300g玉米粒、100~2500mL水、0~1000g羊粪干粉、0~1g磷酸二氢钾、0~20g尿素、0~5g磷酸氢二钠置于反应容器中在环境初始温度为23.0~28.0℃的条件下进行堆肥15~100h。本发明利用秸秆的自然霉变，在分解秸秆的同时，将秸秆霉变过程释放的热能用于农村供暖的技术，该方法不仅能分解秸秆并利用热能，还可以将分解后的产物作为肥料还田。

Description

一种利用秸秆自然霉变产热的方法

技术领域

本发明属于农业技术领域，涉及一种秸秆资源的利用方法，具体涉及一种通过霉变腐解秸秆，在利用霉变产生的热能供暖的同时，将秸秆转化为小分子有机物和无机养分释放还田的方法。

背景技术

我国是农业大国，秸秆产量巨大。中国统计年鉴表明，2018年我国农作物秸秆年产量近12亿吨。秸秆是具有较高利用价值的可再生生物质资源，秸秆不仅含有纤维素、木质素、无机盐等多种宝贵的物质资源，还具有较高的能量密度，秸秆的热值约为19MJ/kg，相当于标准煤的0.65倍。但随着经济发展和工业化的推进，秸秆的需求量迅速降低，超过65%的秸秆被废弃或焚烧，因此造成了严重的资源浪费和环境污染。在北方，秸秆的肆意焚烧带来的大气污染已成为冬春两季雾霾频发的主要原因。因此，秸秆资源的高效清洁利用已成为众多专家和学者关注的热点。

由于我国以煤为主的资源特点以及农村居民分散居住的生活习性，长期以来，我国农村地区冬季取暖以散煤、生物质直接燃烧取暖为主。截至2016年底，我国北方地区取暖用煤年消耗约4亿吨标准煤，其中农村地区散烧煤（含低效小锅炉用煤）接近2亿吨标煤，热效率仅30～40%，不及区域大型锅炉热效率的一半，而传统柴灶薪柴的利用效率仅为15%左右，这造成了巨大的能量浪费。此外，北方农村地区供暖期间大量散煤、薪柴的低效燃烧已被公认为是雾霾的重要成因之一，这严重威胁到农民的身体健康和大气环境质量。我国的能源危机、环境严重破坏已经到了很严峻的地步，农村的供暖用能也不容忽视。当前，农村的供暖方式已经不是舒适性和简单的能源问题，而是已经演变成了环境问题、生态问题和可持续发展问题。

堆肥是一个古老的研究与实践领域。根据中国最早的古代农业文献，西汉泛胜著《泛胜之书》记载，古人发明了一种叫“区田法”的耕作方法，其实质是现代农业生产推行的秸秆还田方法。秸秆废料翻耕入土后，靠土壤中的自然微生物分解发酵和沤熟秸秆废料成为肥料，这是我国历史上对沤肥最早的认知。正是依赖于堆肥及有机肥的长期投入，中国的粮食产量以及农业才得以数千年保持经久不衰，堆肥技术的伟绩也在《四千年的农民》、《齐民要术》、《农业圣典》等经典著作中得到推崇。

堆肥又是一门现代化的工程科学，欧美日等发达国家在上世纪末即已建立起复杂纷繁的现代堆肥工艺及工程系统。在政府环保政策的强力推动下，相应的城乡堆肥设施已基本建成。相比之下，中国目前正处在传统农家堆肥逐渐衰退和现代工业化堆肥刚刚起步的阶段。

如能在传统的堆肥技术基础上加以改进，以资源丰富、极低成本且高能量密度的秸秆作为农村供暖的热能的来源，并将霉变腐解产物作为肥料还田，不仅有望提升广大农村的供暖质量、降低供暖成本、减少煤炭和生物质的燃烧，改善大气环境；还可以通过腐解产物还田增强土壤肥力，促进作物生长，从而实现秸秆资源物质与能量的高效利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用秸秆自然霉变产热的方法，通过借鉴传统农业技术，在堆肥技术的基础上加以改进，为目前堆肥技术不能长期持续产生热能的问题提供解决思路，初步实现热能持续、稳定且可控地输出。本发明利用秸秆的自然霉变，在分解秸秆的同时，将秸秆霉变过程释放的热能用于农村供暖的技术，该方法不仅能分解秸秆并利用热能，还可以将分解后的产物作为肥料还田。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用秸秆自然霉变产热的方法，包括如下步骤：

步骤一：将玉米秸秆用铡刀粉碎至粒径为1~5cm，备用；

步骤二：将50~1000g碎玉米秸秆、0~300g玉米粒、100~2500mL水、0~1000g羊粪干粉、0~1g磷酸二氢钾、0~20g尿素、0~5g磷酸氢二钠置于反应容器中在环境初始温度为23.0~28.0℃的条件下进行堆肥15~100h。

本发明中，所述水为自来水或河水。

本发明中，所述反应容器的容积为1~20L。

本发明中，所述反应容器为发酵罐补料瓶、塑料饭盒或泡沫塑料箱。

本发明中，所述反应容器为发酵罐补料瓶时，采用石棉布作为保温材料。

本发明中，所述反应容器为塑料饭盒时，使用泡沫箱做隔热材料。

本发明中，所述反应容器为塑料饭盒时，使用电热毯辅助加热，控制电热毯温度为26~30℃（将电热毯单层铺开后工作稳定时测得的表面温度），电热毯工作时间为0~20h。

本发明中，所述方法的最佳原料配比和环境条件为：碎玉米秸秆粒径：1cm左右；反应容器：20L泡沫塑料箱；原料：953g碎玉米秸秆、16.5g尿素、1800mL水、羊粪干粉900g；初始环境温度：23℃；堆肥时间：97小时；在堆肥第32h时补充自来水500mL，第61h时增强通气。

目前的秸秆利用技术没有从根本上解决秸秆资源利用问题，而本发明的秸秆霉变产热方法可以为解决此问题提供借鉴和思路。在秸秆资源利用方面，相比于现有技术，本发明的创新点主要有以下几点：

（1）针对秸秆自然条件下不易霉变的问题，提出借鉴传统堆肥技术，为秸秆的自然霉变提供适宜的条件以加速霉变的方案。

（2）针对我国秸秆资源利用率低以及北方农村地区冬季供暖时能源利用率低且污染严重的问题，提出将秸秆霉变产生的热量用于农村供暖的方案。

实验中，通过调节模拟堆肥体系的pH值、含水率、C/N比和通气状况等环境条件，设计了玉米秸秆在不同组分配比和环境条件下进行霉变产热的方案。反应堆9号的实验结果表明：在隔热条件较好时，秸秆霉变体系内的温度可以保持35~45℃超过30h，且最高温度达到43.9℃，初步达到民用建筑的室内地暖要求的供水温度范围（35~50℃），这说明秸秆霉变产热具有一定的供暖潜力。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

（1）通过自然霉变分解秸秆中的大部分有机物，改善秸秆大量废弃、焚烧的现状，实现秸秆资源的高效利用。每年仅黑龙江省就可以减少16.3万吨的PM2.5排放，重度污染天数减少70%左右。若环境条件适宜，三个月后秸秆的自然腐解率即可接近70%，剩余部分可直接作为肥料还田。

（2）通过地暖的方式将秸秆霉变过程中释放的热能用于农村供暖，提升农村地区供暖质量，减少煤炭消耗并减轻环境污染。本发明中，在隔热条件较好时，秸秆霉变体系的温度可以较长时间保持在35~45℃，初步达到地暖的温度标准。

（3）将秸秆腐解产物还田有益于提升土壤肥力。秸秆彻底腐解可以释放出原秸秆质量52%的氮元素，90%的磷元素和57%的钾元素。

（4）本发明的设计与实验均着眼于实际，原料取材于自然环境和农业生产的剩余物，因此原料成本为零。且本方法参考现有的农业堆肥技术，技术替代性强，易于推广；由于秸秆资源被分散化利用，运输成本几乎为零；且本方法无需特殊的装备，技术成本也很低；本方法的实现过程简单，具有节能环保的优势。

附图说明

图1为本发明所述方法的总体思路流程图；

图2为模拟秸秆堆肥产热检测装置实物图（反应堆1号至3号）

图3为模拟秸秆堆肥产热检测装置设计图（反应堆1号至3号）；

图4模拟秸秆堆肥产热检测装置实物图（反应堆4号至7号）；

图5为反应堆1号的T-t曲线；

图6为反应堆2号与反应堆3号的T-t曲线，A：反应堆2号，B：反应堆3号；

图7为反应堆4号的T-t曲线；

图8为反应堆5号、反应堆6号和反应堆7号的T-t曲线，A：反应堆6号，B：反应堆5号，C：反应堆7号；

图9为反应堆8号的T-t曲线；

图10为反应堆9号经增强通气处理后的装置实物图；

图11为反应堆9号的T-t曲线；

图12为本发明方法的应用前景设想模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明的主要任务是在自然霉变和传统的、朴素的堆肥技术基础上加以改进，将秸秆与其它有机质（如粪便）、水和无机盐混合，通过研究在不同的原料配比和环境条件下发热霉变的温度变化情况，得出有利于热能释放的最佳物料配比和最佳环境条件，在此基础上开发一种利用秸秆自然霉变产热的方法，所述方法具体步骤如下：

实验仪器：2L的发酵罐补料瓶、1.9L塑料饭盒、20L泡沫塑料箱、测温仪器组件（变送器-热电偶-处理软件）、计算机、铡刀、泡沫箱、苯板（分隔泡沫箱的同时起到保温的作用）、小功率电热毯（用于提高初始温度）、平板状泡沫塑料盖和石棉保温材料。

实验原料：碎玉米秸秆、玉米粒、玉米面粉、羊粪干粉、自来水、马家沟河水样、尿素、磷酸二氢钾和磷酸氢二钠。

玉米粒是很易发霉的粮食，胚部蛋白质和可溶糖共占32%，吸湿性强，极易感染霉菌。由表1中玉米粒和玉米秸秆成分的对比知，秸秆相对于玉米粒营养较为贫乏，不易霉变，可用较易发霉的玉米粒同秸秆混合，让霉菌在秸秆表面快速生长繁殖，为秸秆的发霉创造有利条件，整体思路流程图如图1所示，模拟秸秆堆肥产热检测装置的实物图如图2所示，模拟秸秆堆肥产热检测装置设计原理图如图3所示。

表1 玉米粒和玉米秸秆各成分及比例

用手动铡刀（锰钢铣齿刀片）将玉米秸秆（采自哈尔滨平房区郊区）粉碎成粒径为1cm左右，备用。

反应堆1号至反应堆3号采用2000mL的发酵罐补料瓶作为模拟堆肥的容器，石棉布作为保温材料，每个发酵罐用三层石棉布（厚度为1.2cm）紧紧包裹，用宽胶带固定，除了瓶口其余部位均被石棉保温材料覆盖。测温系统采用MAISHENG MS-305DS型24V稳压电源驱动的温度变送器，经数据线连接计算机，温度数据在电脑的软件窗口读出，测温探头为热电偶。

反应堆4号至8号使用泡沫箱做隔热材料，采用1.9L的塑料饭盒作为模拟堆肥的容器，中间用保温的苯板将泡沫箱平均分成两份，塑料饭盒和泡沫箱上均开有小孔供电线穿出以及氧气的进入。反应体系构造如图4所示（图4中的两侧都是塑料饭盒）。首先用可调功率式家用双人电热毯的低温档（单层展开暴露于室内环境中稳定工作时表面温度为26℃）或高温档（单层展开暴露于室内环境中稳定工作时表面温度为29.5℃）持续加热9~20h，再关闭热源。

反应堆9号使用泡沫箱做隔热材料和模拟堆肥的容器，泡沫箱上均开有小孔供电线穿出以及氧气的进入，中途进行补水和增强通气处理。

在反应堆1号中，初始温度为24.0℃。向套有石棉保温材料的发酵罐补料瓶中加入碎玉米秸秆100g，玉米面粉100g，自来水300mL，补料瓶瓶口上有小孔与外界相通。调试测温系统，每30分钟记录一次数据，连续测量24小时，得到如图5所示的T-t曲线。

在反应堆2号中，初始温度为24.0℃。向套有石棉保温材料的发酵罐补料瓶中加入碎玉米秸秆100g，羊粪干粉150g，自来水100mL，补料瓶瓶口上有小孔与外界相通。调试测温系统，每30分钟记录一次数据，连续测量26小时，得到如图6中所示的T-t曲线（A）。

在反应堆3号中，初始温度为24.6℃。向套有石棉保温材料的发酵罐补料瓶中加入碎玉米秸秆100g，羊粪干粉12.5g，自来水500mL，补料瓶瓶口上有小孔与外界相通。调试测温系统，每30分钟记录一次数据，连续测量15小时，得到如图6中所示的T-t曲线（B）。

在反应堆4号中，初始温度为27.1℃。向圆柱型塑料盒中加入碎玉米秸秆100g，玉米粒200g，羊粪干粉100g，自来水120mL。打开电热毯的电源，调至低温档，19h后关闭热源。调试测温系统，每30分钟记录一次数据，连续测量25小时，得到如图7所示的T-t曲线。

在反应堆5号中，初始温度为24.8℃。向圆柱型塑料盒中加入碎玉米秸秆90g，玉米粒300g，羊粪干粉150g，马家沟河的水样250mL。调试测温系统，每30分钟记录一次数据，连续测量18小时，得到如图8中所示的T-t曲线（B）。

在反应堆6号中，初始温度为24.8℃。向圆柱型塑料盒中加入玉米秸秆90g，玉米粒300g，马家沟河的水样200mL。打开电热毯的电源，调至低温档，15h后关闭热源。调试测温系统，每30分钟记录一次数据，连续测量18小时，得到如图8中所示的T-t曲线（A）。

在反应堆7号中，初始温度为26.4℃。向塑料饭盒中加入玉米秸秆90g，玉米粒300g，马家沟河的水样300mL。调试测温系统，每30分钟记录一次数据，连续测量18小时，得到如图8中所示的T-t曲线（C）。

在反应堆8号中，初始温度为23.0℃。向塑料饭盒中加入秸秆86g，自来水500mL，尿素5.38g，羊粪干粉205g，磷酸二氢钾0.5g，磷酸氢二钠3.5g。打开电热毯的电源，调至低温档，15h后关闭热源。调试测温系统，每1小时记录一次数据，连续测量67小时，得到如图9中所示的T-t曲线。

在反应堆9号中，初始温度为23.0℃。向泡沫塑料箱中加入秸秆953g，自来水1800mL，尿素16.5g，羊粪干粉900g。调试测温系统，每1小时记录一次数据，连续测量97小时，在第32h时补加500mL自来水，第61h时打开泡沫箱上盖的一角，垫一平板状泡沫塑料盖以增强通气，如图10所示。最终得到如图11中所示的T-t曲线。

结论与展望：

（1）堆肥底物的总质量（模拟堆肥体系的规模）的影响

反应堆9号的实验结果与之前的实验结果对比可知，大型模拟堆肥的产热效果明显优于小型模拟堆肥，原因在于大型堆中心微生物数目更多、更活跃，发热功率更大，保温效果更好，更有利于产热和集热。

（2）含水率的影响

最适合堆肥过程进行的含水率在50~60%之间。当堆肥体系的含水率低于30%时，微生物的生长繁殖受到抑制；而含水率超过70%时，许多好氧微生物因缺氧而死亡，且因水的比热容较大减慢了体系的升温速率，间接的增加了散热损失。

（3）碳氮比的影响

一般地，碳氮比在25~30之间最有利于秸秆堆肥过程的进行；但是实验只使用玉米粒或玉米秸秆，碳氮比在80~120之间，体系中氮元素较为贫乏，不利于堆肥过程的进行。羊粪可以作为低碳氮比的物质来降低碳氮比，有利于堆肥产热。

（4）保温材料的影响

实验在套有石棉保温层的玻璃发酵罐中进行，效果并不理想，原因在于玻璃是热的良导体，石棉作为一种耐火材料在高温区有较强的保温效果。而棉花、泡沫塑料等是常温下良好的保温材料，实验采用塑料饭盒外套泡沫箱的发酵外层，泡沫箱和塑料饭盒之间存在着空气夹层，由于空气和泡沫塑料都是热的不良导体，散热明显减少，保温效果增强。

（5）通气状况的影响

堆肥中的微生物大部分为好氧微生物，堆肥间隙中最适宜的氧浓度在15~20%之间为宜，低于8%时会发生厌氧发酵，阻碍堆肥过程的进行，而堆肥过程产生的热量主要来自好氧生物的生长繁殖以及有机物的分解。随着霉变的进行，好氧微生物的生长繁殖和有机物的分解会大量消耗体系内的氧气，降低体系内的氧浓度，抑制好氧微生物的繁殖，有机物的分解速率也会降低。因此，应增强通气来提升体系内氧浓度，促进好氧微生物的有氧呼吸和有机物的分解，进而促进堆肥过程的进行、提升地暖效果。

（6）本发明方法的应用前景展望

本发明方法的应用前景设想模型图如12所示，由于农村有丰富的秸秆资源，秸秆可以在农村就地取材，大量秸秆被粉碎至小粒径后和其他堆肥反应物一同装入隔热性能较好的发酵装置，适当调节通气量以保证好氧微生物有足够的氧气，发酵装置遍布在整个房屋（平房）的墙体周围，每个发酵装置都有供室外空气进入的进气孔，为堆肥体系中好氧菌的生长繁殖提供足够的氧气；且每个发酵装置与室内都有许多微型孔道相连通，通过对流换热实现供暖。综上所述，该方法能够较好地适应于农村地区分散式供暖的需求。

Claims (9)

1.一种利用秸秆自然霉变产热的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：将玉米秸秆粉碎，备用；

步骤二：将50~1000g碎玉米秸秆、0~300g玉米粒、100~2500mL水、0~1000g羊粪干粉、0~1g磷酸二氢钾、0~20g尿素、0~5g磷酸氢二钠置于反应容器中在环境初始温度为23.0~28.0℃的条件下进行堆肥15~100h。

2.根据权利要求1所述的利用秸秆自然霉变产热的方法，其特征在于所述碎玉米秸秆粒径为1~5cm。

3.根据权利要求1所述的利用秸秆自然霉变产热的方法，其特征在于所述水为自来水或河水。

4.根据权利要求1所述的利用秸秆自然霉变产热的方法，其特征在于所述反应容器的容积为1~20L。

5.根据权利要求1所述的利用秸秆自然霉变产热的方法，其特征在于所述反应容器为发酵罐补料瓶、塑料饭盒或泡沫塑料箱。

6.根据权利要求5所述的利用秸秆自然霉变产热的方法，其特征在于所述反应容器为发酵罐补料瓶时，采用石棉布作为保温材料。

7.根据权利要求5所述的利用秸秆自然霉变产热的方法，其特征在于所述反应容器为塑料饭盒时，使用泡沫箱做隔热材料。

8.根据权利要求5或7所述的利用秸秆自然霉变产热的方法，其特征在于所述反应容器为塑料饭盒时，使用电热毯辅助加热，控制电热毯温度为26~30℃，电热毯工作时间为0~20h。

9.根据权利要求1所述的利用秸秆自然霉变产热的方法，其特征在于所述方法的最佳原料配比和环境条件为：碎玉米秸秆粒径：1cm；反应容器：20L泡沫塑料箱；原料：953g碎玉米秸秆、16.5g尿素、1800mL水、羊粪干粉900g；初始环境温度：23℃；堆肥时间：97小时；在堆肥第32h时补充自来水500mL，第61h时增强通气。