CN111363600A - 一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，利用生物质原料农林废弃物发酵菌种和餐厨、粪便等有机物，在合理碳氮比、湿度等条件下，利用生物处理有机肥发酵生产技术进行发酵，利用生物降解、发酵产热过程改善生物质原料的表面活性等理化特性，使颜色逐渐变深变黑，最终致密度增加，使生物质原料达到轻度碳化分解，经压块成型制成生物燃料。

Description

一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法
技术领域
本发明涉及生物处理、可再生燃料、环保领域，尤其涉及一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法。
背景技术
目前在中国林业废弃物加工的生物质压块燃料还处于初始阶段，不同专业性的新产品开发深度和产业发展规划发展趋向不平衡。生物质压块燃料的应用及推广处于项目研究的示范点示范阶段。将林业废弃物应用起来，使其变废为宝，替代煤、电、油、气作为环保能源，有利于减少资源浪费，降低燃煤的消耗，改善生态环保，降低空气污染源。
目前中国林业废弃物和农业废弃物主要集中在农村，随着养殖业的发展，养殖粪便已经成为我国农业领域第一污染大户，同样集中在农村。生物质成型燃料是以农林业废弃物为主要原料，通过发酵菌群和养殖粪便的有机结合实现粪便处置、生物质再生利用，节能环保等循环型产业融合。但是现有生物质压块颗粒加工主要采用“物理法”成型技术，其生产的生物质颗粒存在密度和发热量相对较低，压块造粒和碳化成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服以上存在的技术问题，提供一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，将生物质原料通过生物处理发酵技术，确定合理碳氮比，通过好氧、厌氧性生物处理，改变生物质表面活性等理化特性，从而生产生物质燃料，具体方法包括以下步骤：
(1)配料：根据不同生物质特性确定复合微生物制剂、水分和生物质原料，所述生物质原料包括碳源和氮源；所述碳源由10％-40％的木屑及60％-90％的农作物秸秆稻壳或100％的纯木屑组成，所述碳源的含水量低于30％，所述氮源主要为动物粪便、餐厨废弃物及食品加工过程中的废渣、废液的任一种或多种组合物，所述碳源和氮源的比例为30-50:1；所述利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的组成成分的质量百分比为：水分：40.45％-59％；生物质原料：40.97％-59.5％；复合微生物制剂：0.03％-0.05％；
(2)预处理：利用有机肥生物发酵处理技术对所述步骤(1)的生物质原料进行粉碎，按一定比例加入复合微生物制剂和水分，混料预处理；
(3)生物发酵：利用生物处理有机肥发酵生产技术进行发酵，发酵过程中ph值为6.4-8.1,发酵温度为40℃-80℃，发酵周期为15-21天；
(4)压块成型：将生物发酵处理好的生物质原料进一步筛选去除杂物后进行压块成型。
优选地，所述步骤(1)中复合微生物制剂是芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、光合细菌、放线菌、固氮菌、解磷细菌、解钾细菌中的任一种或多种组合的有益微生物。
优选地，所述步骤(1)中的木屑为3mm以下。
优选地，所述步骤(1)中的碳源是林木业加工废弃物、农业秸秆、草类、壳类、农产品加工过程中的废渣中的任一种或多种组合物。
优选地，所述步骤(1)中的氮源主要为动物粪便、餐厨废弃物及食品加工过程中的废渣、废液、沼液、沼渣中的任一种或多种组合物。
优选地，所述步骤(3)中生物处理有机肥发酵是采用垛式、槽式、塔式或发酵床发酵形式。
本发明利用有机肥生物发酵处理技术对用于加工生物质燃料的原料进行预处理，利用发酵菌种和粪便、生物质原料按一定比例混合进行微生物发酵繁殖，形成一个微生态发酵体。发酵技术本身特点就是利用微生物分解粪便，而分解过程就是一个产热过程。这个过程以氧化反应为主导，并且有厌氧发酵和兼性厌氧发酵。在发酵的过程中功能菌群自身之间发生生物学反应达到产热、分解粪便的目的同时，经发酵处理后的生物质会因升温发酵，使物料中的纤维素等高分子化合物分子骨架得到一定程度的断裂破坏，逐渐碳化，颜色逐渐变深变黑，消除木屑、秸秆、谷壳等物料的弹性，改善秸秆物料的表面活性，致密度增加，经轻度炭化处理后的秸秆物料热密度值可提高1000～4000kj.kg-1，最终，经加工后的秸秆物料变黑(炭化)、变脆(失去弹性)、体积缩小20％-50％、有效地提高了秸秆物料的成型性能，克服了传统加工设备电耗高，生产过程不稳定等问题，易实现大规模生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
生物处理定义：生物处理就是以固体废物中的可降解有机物或其他组分为对象，利用生物对其作用，转化为稳定产物、能源和其他有用物质的一种处理技术。
下面实施例以槽式发酵为例描述本发明运行过程，发酵槽的长度在65m以上,高度1.2m-2.0m,宽度根据场区实际产量确定,应满足整个发酵周期需要。
实施例一：
一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，包括以下步骤：
(1)配料：
根据不同生物质特性确定复合微生物制剂、水分和生物质原料，所述生物质原料包括碳源和氮源；所述碳源由30％的2mm木屑及70％的6mm农作物秸秆稻壳组成，农作物秸秆稻壳主要包括秸秆、果壳、稻壳,所述农作物秸秆稻壳的含水量低于15％，不得有异物、霉变和化学成分。所述碳源的含水量低于30％，所述氮源主要为牛粪、马粪，因为微生物繁殖快，材料易于分解，并能释放有效氮，牛粪、马粪纤维含量高，既解决养殖粪便污染问题，又可有效提高发热量；复合微生物制剂主要由芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、光合细菌、放线菌、固氮菌组合而成。所述木屑主要起吸附异味和调节水分含量的作用，所述碳源和氮源的比例为40:1；所述利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的组成成分的质量百分比为：水分：40.45％；生物质原料：59.5％；复合微生物制剂：0.05％。
(2)预处理：
利用有机肥生物发酵处理技术对生物质原料进行破碎、混料调节含水量等预启动处理，其目的在于为进一步发酵提供合理的发酵条件。
(3)生物发酵：
启动混拌的发酵物料从进槽到出槽时间为15天。采取整进整出的运行方式，即槽式翻抛机每天向前翻抛传送1～2次(翻抛次数可根据原料温度进行控制，尽量维持高温)，翻抛传送后进料口腾出的空间正合适能够满足当天混拌人槽的量。每天翻抛的目的:一是将原料向前推进3～5m，腾出下一天的利用空间；二是增加原料中的空气含量,以利于微生物的繁殖生长,加快有机质和辅料的分解腐熟发热；三是加快原料中水分的蒸发,一般15天后控制含水率至40％左右，温度随着含水率的降低而下降,当温度低于60℃时通过水分、氮源、发酵菌控制升温，实现持续高温发酵。当出料前3-5天检查发酵效果，通过物料颜色变黑(炭化)、变脆(失去弹性)、体积缩小、密度增加等物理外观是否达到要求，在温度不低于65℃(尽量选择高温点)时，进行保温压实密封，使原料厌氧保温3-5天翻抛散热出料。
发酵温度：发酵最适宜温度在60℃-80℃之间，可根据菌种和物料特性灵活掌握。发酵过程温度通过监控人为控制，通过水分、氮源、发酵菌及供氧量控制，及时补充和调整，实现持续高温发酵。
发酵槽内48～72小时内发酵温度可达到65～80C。在发酵过程中预处理12小时后温度达到30℃(微生物生长繁殖代谢产热)以上，及时推入发酵槽中，24小时后温度达到40℃以上，进行第一次翻堆后温度降低10～15℃，静置6小时后温度升至60℃以上。
发酵15天后含水率一般控制在40％以下,感官判断颜色变成深褐色或黑色。消除秸秆物料的弹性，表面活性降低、柔软。密度增加，干燥后易碎。成品1m3重量在400-600kg之间。
微生物只能在一定的酸碱范围内进行活动。发酵体内大多数微生物要求中性至微碱性的酸碱环境，最适pH为7.5。发酵过程中常产生各种有机酸，造成酸性环境，影响微生物的繁殖活动。酸性环境有利于碳化反应，在不影响生物菌群和发酵温度的前提下尽量不调节pH值。
(4)循环发酵：
当出料后没有达到产品要求时可进行二次循环发酵。
(5)压块造粒：
将生物发酵处理好的生物质原料进一步筛选去除杂物后进行压块造粒。
需要详细说明的是：
碳氮比：适合的碳氮比(C/N)是加速堆肥腐熟，避免含碳物质过度消耗和促进腐殖质合成的重要条件之一。高温堆肥主要以禾谷类作物的秸杆为原料，其碳氮比一般80－100：1，而微生物生命活动所需碳氮比约为25：1，也就是说，微生物分解有机物时每同化1份氮，需同化25份碳。碳氮比大于25：1时，因微生物活动受到限制，有机物质分解慢，并且分解出来的氮素全部为微生物本身利用，不能在堆肥中释放有效态氮。碳氮比小于25：1时，微生物繁殖快，材料易于分解，并能释放有效氮。因此，禾本科秸秆碳氮比较宽，堆制时应将碳氮比调节到30－50：1为宜。一般加入相当于堆肥材料20％-30％的氮素，以满足微生物对氮素的需要，加速升温。
原料的吸水性和水分含量:水分是生物处理运行的基本保证，也是保证原料中养分和微生物移动的条件。原料中水分含量的多少直接影响发酵运行的效率和成败。原料中水分含量在40％-60％最有利于发酵。
原料以锯末木屑、秸秆、养殖物粪便或其它有机物、生物菌群组成。粪尿等有机物中能量物质包括未被消化吸收的碳水化合物、蛋白质、和其他含氮物质(粗蛋白)等，为菌体主要提供氮源。原料中含碳元素较高的以纤维素为主的碳水化合物(包括少量低分子糖类物质)为菌体提供能量，同时还是构成菌体本身所必须的碳源。
原料的透气性:生物处理过程中功能菌群的生长活动以有氧发酵占绝对优势。满足氧气的充足供应是保证发酵的前提，同时需要及时的排出发酵过程中所产生的有害气体和水蒸气。
利用生物发酵分解、产热过程对生物质原料进行轻度碳化，经发酵处理后的生物质会因升温发酵，使物料中的纤维素等高分子化合物分子骨架得到一定程度的断裂破坏，逐渐碳化，颜色逐渐变深变黑，消除木屑、秸秆、谷壳等物料的弹性，改善物料的表面活性，致密度增加变脆，易粉碎等，有效地提高了物料的成型性能。利于后期压块造粒。降低造粒运行成本，生物处理发酵后的原料在发酵升温过程中可脱去木屑、秸秆等原料中的部分分子水，形成轻度脱水炭粉，由于密度增加，可有效提高压块造粒后的发热量。
本实施例利用有机肥生物发酵处理技术对用于加工生物质颗粒的原料进行预处理，利用发酵菌种和粪便、生物质原料(主要为农作物秸秆、谷壳、各种木屑)按一定比例混合进行微生物发酵繁殖，形成一个微生态发酵体。发酵技术本身特点就是利用微生物分解粪便，而分解过程就是一个产热过程。这个过程以氧化反应为主导，并且有厌氧发酵和兼性厌氧发酵。在发酵的过程中功能菌群自身之间发生生物学反应达到产热、分解粪便的目的同时，经发酵处理后的生物质会因升温发酵，使物料中的纤维素等高分子化合物分子骨架得到一定程度的断裂破坏，逐渐碳化，颜色逐渐变深变黑，消除木屑、秸秆、谷壳等物料的弹性，改善秸秆物料的表面活性，消除秸秆物料的弹性，致密度增加(测试数据显示：经轻度炭化处理后的秸秆物料热密度值可提高1 000～4 000kj.kg-1)。最终，经加工后的秸秆物料变黑(炭化)、变脆(失去弹性)、体积缩小20％-50％、有效地提高了秸秆物料的成型性能，克服了传统加工设备电耗高，生产过程不稳定等问题，易实现大规模生产。
实施例二：
一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，包括以下步骤：
(1)配料：
根据不同生物质特性确定复合微生物制剂、水分和生物质原料，所述生物质原料包括碳源和氮源；所述碳源由100％的木屑组成,所述碳源的含水量低于30％，所述氮源主要为牛粪、马粪，因为微生物繁殖快，材料易于分解，并能释放有效氮，牛粪、马粪纤维含量高，既解决养殖粪便污染问题，又可有效提高发热量；复合微生物制剂主要由芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、光合细菌、放线菌、固氮菌、解磷细菌、解钾细菌组合而成。所述木屑主要起吸附异味和调节水分含量的作用，所述碳源和氮源的比例为30:1为宜；所述利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的组成成分的质量百分比为：水分：59％；生物质原料：40.95％；复合微生物制剂：0.05％。
(2)预处理：
利用有机肥生物发酵处理技术对生物质原料进行破碎、混料调节含水量等预启动处理，其目的在于为进一步发酵提供合理的发酵条件。
(3)生物发酵：
启动混拌的发酵物料从进槽到出槽时间为15天。采取整进整出的运行方式，即槽式翻抛机每天向前翻抛传送1～2次(翻抛次数可根据原料温度进行控制，尽量维持高温)，翻抛传送后进料口腾出的空间正合适能够满足当天混拌人槽的量。每天翻抛的目的:一是将原料向前推进3～5m，腾出下一天的利用空间；二是增加原料中的空气含量,以利于微生物的繁殖生长,加快有机质和辅料的分解腐熟发热；三是加快原料中水分的蒸发,一般15天后控制含水率至40％左右，温度随着含水率的降低而下降,当温度低于60℃时通过水分、氮源、发酵菌控制升温，实现持续高温发酵。当出料前3-5天检查发酵效果，通过物料颜色变黑(炭化)、变脆(失去弹性)、体积缩小、密度增加等物理外观是否达到要求，在温度不低于65℃(尽量选择高温点)时，进行保温压实密封，使原料厌氧保温3-5天翻抛散热出料。
发酵温度：发酵最适宜温度在60℃-80℃之间，可根据菌种和物料特性灵活掌握。发酵过程温度通过监控人为控制，通过水分、氮源、发酵菌及供氧量控制，及时补充和调整，实现持续高温发酵。
发酵槽内48～72小时内发酵温度可达到65～80C。在发酵过程中预处理12小时后温度达到30℃(微生物生长繁殖代谢产热)以上，及时推入发酵槽中，24小时后温度达到40℃以上，进行第一次翻堆后温度降低10～15℃，静置6小时后温度升至60℃以上。
发酵15天后含水率一般控制在40％以下,感官判断颜色变成深褐色或黑色。消除秸秆物料的弹性，表面活性降低、柔软。密度增加，干燥后易碎。成品1m3重量在400-600kg之间。
微生物只能在一定的酸碱范围内进行活动。发酵体内大多数微生物要求中性至微碱性的酸碱环境pH为6.4。发酵过程中常产生各种有机酸，造成酸性环境，影响微生物的繁殖活动。酸性环境有利于碳化反应，在不影响生物菌群和发酵温度的前提下尽量不调节pH值。
(4)循环发酵：
当出料后没有达到产品要求时可进行二次循环发酵。
(5)压块造粒：
将生物发酵处理好的生物质原料进一步筛选去除杂物后进行压块造粒。
实施例三：
一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，包括以下步骤：
(1)配料：
根据不同生物质特性确定复合微生物制剂、水分和生物质原料，所述生物质原料包括碳源和氮源；所述碳源由10％的2mm木屑及90％的6mm农作物秸秆稻壳组成，农作物秸秆稻壳主要包括秸秆、果壳、稻壳,所述农作物秸秆稻壳的含水量低于15％，不得有异物、霉变和化学成分。所述碳源的含水量低于30％，所述氮源主要为所述氮源主要为牛粪、马粪、餐厨废弃物及食品加工过程中的废渣、废液等混合组合物，牛粪、马粪，因为微生物繁殖快，材料易于分解，并能释放有效氮，牛粪、马粪纤维含量高，既解决养殖粪便污染问题，又可有效提高发热量；复合微生物制剂主要由芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、光合细菌、放线菌、固氮菌、解磷细菌、解钾细菌组合而成。所述木屑主要起吸附异味和调节水分含量的作用，所述碳源和氮源的比例为50:1为宜；所述利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的组成成分的质量百分比为：水分：40.47％；生物质原料：59.5％；复合微生物制剂：0.03％。
(2)预处理：
利用有机肥生物发酵处理技术对生物质原料进行破碎、混料调节含水量等预启动处理，其目的在于为进一步发酵提供合理的发酵条件。
(3)生物发酵：
启动混拌的发酵物料从进槽到出槽时间为15天。采取整进整出的运行方式，即槽式翻抛机每天向前翻抛传送1～2次(翻抛次数可根据原料温度进行控制，尽量维持高温)，翻抛传送后进料口腾出的空间正合适能够满足当天混拌人槽的量。每天翻抛的目的:一是将原料向前推进3～5m，腾出下一天的利用空间；二是增加原料中的空气含量,以利于微生物的繁殖生长,加快有机质和辅料的分解腐熟发热；三是加快原料中水分的蒸发,一般15天后控制含水率至40％左右，温度随着含水率的降低而下降,当温度低于60℃时通过水分、氮源、发酵菌控制升温，实现持续高温发酵。当出料前3-5天检查发酵效果，通过物料颜色变黑(炭化)、变脆(失去弹性)、体积缩小、密度增加等物理外观是否达到要求，在温度不低于65℃(尽量选择高温点)时，进行保温压实密封，使原料厌氧保温3-5天翻抛散热出料。
发酵温度：发酵最适宜温度在60℃-80℃之间，可根据菌种和物料特性灵活掌握。发酵过程温度通过监控人为控制，通过水分、氮源、发酵菌及供氧量控制，及时补充和调整，实现持续高温发酵。
发酵槽内48～72小时内发酵温度可达到65～80C。在发酵过程中预处理12小时后温度达到30℃(微生物生长繁殖代谢产热)以上，及时推入发酵槽中，24小时后温度达到40℃以上，进行第一次翻堆后温度降低10～15℃，静置6小时后温度升至60℃以上。
发酵15天后含水率一般控制在40％以下,感官判断颜色变成深褐色或黑色。消除秸秆物料的弹性，表面活性降低、柔软。密度增加，干燥后易碎。成品1m3重量在400-600kg之间。
微生物只能在一定的酸碱范围内进行活动。发酵体内大多数微生物要求中性至微碱性的酸碱环境pH为8.1。发酵过程中常产生各种有机酸，造成酸性环境，影响微生物的繁殖活动。酸性环境有利于碳化反应，在不影响生物菌群和发酵温度的前提下尽量不调节pH值。
(4)循环发酵：
当出料后没有达到产品要求时可进行二次循环发酵。
(5)压块造粒：
将生物发酵处理好的生物质原料进一步筛选去除杂物后进行压块造粒。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (7)

1.一种利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，其特征在于：
将生物质原料通过生物处理发酵技术，确定合理碳氮比，通过好氧、厌氧性生物处理，改变生物质表面活性等理化特性，从而生产生物质燃料。
2.根据权利要求1所述的利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)配料：根据不同生物质特性确定复合微生物制剂、水分和生物质原料，所述生物质原料包括碳源和氮源；所述碳源由10％-40％的木屑及60％-90％的农作物秸秆稻壳或100％的纯木屑组成，所述碳源的含水量低于30％，所述氮源主要为动物粪便、餐厨废弃物及食品加工过程中的废渣、废液的任一种或多种组合物，所述碳源和氮源的比例为30-50:1；所述利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的组成成分的质量百分比为：水分：40.45％-59％；生物质原料：40.97％-59.5％；复合微生物制剂：0.03％-0.05％；
(2)预处理：利用有机肥生物发酵处理技术对所述步骤(1)的生物质原料进行粉碎，按一定比例加入复合微生物制剂和水分，混料预处理；
(3)生物发酵：利用生物处理有机肥发酵生产技术进行发酵，发酵过程中ph值为6.4-8.1,发酵温度为40℃-80℃，发酵周期为15-21天；
(4)压块成型：将生物发酵处理好的生物质原料进一步筛选去除杂物后进行压块成型。
3.根据权利要求1所述的利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中复合微生物制剂是芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌、光合细菌、放线菌、固氮菌、解磷细菌、解钾细菌中的任一种或多种组合的有益微生物。
4.根据权利要求1所述的利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的木屑为3mm以下。
5.根据权利要求1所述的利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的碳源是林木业加工废弃物、农业秸秆、草类、壳类、农产品加工过程中的废渣中的任一种或多种组合物。
6.根据权利要求1所述的利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的氮源主要为动物粪便、餐厨废弃物及食品加工过程中的废渣、废液、沼液、沼渣中的任一种或多种组合物。
7.根据权利要求1所述的利用生物处理发酵生产轻度碳化生物质燃料的方法，其特征在于：所述步骤(3)中生物处理有机肥发酵是采用垛式、槽式、塔式或发酵床发酵形式。
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