CN115141854B - 一种废弃生物质综合利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种废弃生物质综合利用方法，属于生物质综合利用技术领域。技术方案是：将废弃生物质按含水率的不同分别进行处理；含水量大于等于20%的废弃生物质用厌氧发酵的方法产生沼气，含水量小于20%的废弃生物质用高温裂解的方法产生裂解气；沼气和裂解气一起进入发酵罐，利用厌氧发酵罐中的产甲烷菌对裂解气进行消化，用裂解气中H2和CO2的合成CH4，提高沼气中CH4的含量，生产高热值的生物天然气，同时生产生物炭和生物有机肥。本发明有益效果：能处理各类废弃的生物质、生成的生物天然气热值稳定、含硫化氢少，符合环保标准。同时，生产有机肥和生物炭，系统内部能源得到充分利用，结构简单，投资少效益高。
Description
技术领域
本发明涉及一种废弃生物质综合利用方法，属于生物质综合利用技术领域。
背景技术
在各种可再生能源中，由于核能、大型水电具有潜在的生态环境风险，风能和地热等区域性资源制约，大力发展遭到限制，而生物质能却以遍在性、丰富性、可再生性等特点得到人们认可。生物质的独特性，不仅在于能贮存太阳能，还是一种可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料，煤、石油、天然气等能源实质上也是由生物质能转变而来的。生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。有代表性的生物质如农作物、农作物废弃物、木材、木材废弃物和动物粪便。开发生物质能源是保证社会可持续发展的必然选择。生物质来源于太阳能，取之不尽，用之不竭。光合作用吸收二氧化碳，产生碳水化合物和氧气，为自然界各种生命体提供能量，最终分解为二氧化碳和热能，释放到大气中，构成了自然界的碳循环和能量的转化。每年生长的生物能量巨大，而作为能源利用的生物能只占总量的1%左右，开发潜力巨大。
发明内容
本发明的目的是提供一种废弃生物质综合利用方法，利用生活中废弃的生物质进行无害化处理，生产生物天然气、生物有机肥、生物炭，一举多得，利国利民，解决已有技术存在的上述技术问题。
本发明的技术方案是：
一种废弃生物质综合利用方法，将废弃生物质按含水率的不同分别进行处理；含水量大于等于20%的废弃生物质用厌氧发酵的方法产生沼气，含水量小于20%的废弃生物质用高温裂解的方法产生裂解气；沼气和裂解气一起进入发酵罐，利用厌氧发酵罐中的产甲烷菌对裂解气进行消化，用裂解气中H2和CO2的合成CH4，提高沼气中CH4的含量，生产高热值的生物天然气，同时生产生物炭和生物有机肥。
所述含水量高的废弃生物质，包括人畜禽粪污、厨余垃圾等；所述含水量低的废弃生物质，包括秸秆、木屑、工业有机残渣等。
具体的工艺步骤：
①含水量大于等于20%的废弃生物质作为原料进入除砂池，兑入沼液，使含固率为20%，按顺时针搅拌，使原料中泥沙沉淀，用除砂机除去底部泥沙；除去泥沙的原料用传输泵导入均浆池，再次兑入沼液，使含固率达到10%，加热达到45℃后，将原料输入到发酵罐内进行厌氧发酵；
②含水量小于20%的废弃生物质进行破碎，粒度小于15mm，进入烘干脱水釜加热，烘干脱水温度控制在120℃，并保持5分钟；烘干脱水结束后进入碳化釜，碳化釜为双腔结构，内腔装烘干脱水后的原料，外腔是生物燃气燃烧腔，周边排布多个烧嘴；碳化釜加热原料到650℃，并保持10分钟；生物质原料炭化过程中产生的挥发分，进入二次裂解釜，二次裂解釜用电极加热产生裂解气进入发酵罐，厌氧发酵原料和裂解气同时在发酵罐内进行发酵；
③发酵罐的温度保持在38℃，发酵罐顶部的气体包含厌氧发酵的沼气和裂解气，气体中的氢气和二氧化碳不断的被合成甲烷，产品为高热值生物燃气。气体中甲烷含量达88%（mol/mol）以上；氢气含量小于3%（mol/mol），mol/mol为摩尔比例；发酵罐顶部气体经脱硫塔后，硫化氢的含量低于4mg/m3,产品为高热值生物燃气。
所述发酵罐内的原料，发酵之后的原料从发酵罐底部排出到固液分离机，分离之后沼液大部分作为出砂池和均浆池的稀释液，剩余的沼液作为液体有机肥产品；沼渣作为固体有机肥产品。
所述裂解气储存到气体缓冲罐中，气体缓冲罐中出口连接发酵罐进料泵出口管道上的文丘里管一，用于吸入气体缓冲罐中的裂解气，实现厌氧发酵原料和裂解气同时进入发酵罐。
所述发酵罐内保持定量的原料，出料后再进入同样体积新料。
所述发酵罐设有搅拌泵，不停搅拌，在搅拌泵出口管道上加文丘里管二，从发酵罐底部抽取原料的同时，从发酵罐顶部吸入沼气，混合后送入发酵罐中部。
所述碳化釜内的生物质原料，炭化完成之后，进入炭冷却器，冷却之后进入炭收集器，产出的产品为活性炭或炭基有机肥原料；炭冷却器的余热作为均浆池和发酵罐控制温度的热源。
所述二次裂解釜产生的裂解气，经过气冷却器冷却到70℃之下，经过除尘器，除去裂解气中灰尘，灰尘中主要成份是生物质原料中的微量元素，可作为生物有机肥的添加剂销售；经过气液分离器，除去二次裂解没有完全裂解的冷凝液体，其主要成份是木醋液，收集到木醋液收集器，产出的产品为木醋液原料；经过冷却和气液分离后的裂解气进入气体缓冲罐。
本发明原理：
含水量高的生物质厌氧发酵厌的过程分为如下两步，
第一步，生物质酸化，主要生成乙酸、氢气和二氧化碳。
第二步，乙酸营养型甲烷菌分解C2H4O2为CH4和H2O，氢营养型甲烷菌把H2和CO2转化为CH4和H2O，当H2和CO2丰富时氢产甲烷细活跃。
生物质厌氧发酵产生的沼气一般含CH4的体积分数为50%-60%，CO2的体积分数再30%-40%，此外，还含有少量HS2、CO、等气体。属于低热值燃气。
厌氧发酵剩余物经固液分离后的沼液就是生物质液体有机肥；沼渣就是生物质固体有机肥。
秸秆、木屑、工业有机残渣这类生物质在650℃以下裂解，炭的得率占重量分数的30%，其余70%挥发分包括焦油、木醋液等大分子碳氢化合物和C1~4小分子炭氢化合物气体和水。将裂解产生的气体快速加热到1050℃以上，大分子物质再次裂解，产生的裂解气主要成份是CH4、H2、CO和CO2。
裂解主要过程如下：
裂解气并入厌氧发酵罐与原始的沼气混合，发酵罐中的大量氢营养型甲烷菌开始活跃，转化混合气体中的H2和CO2产生沼气和水，使混合气体CH4含量提升，高热值升高，转变成生物天然气。主要过程如下：
裂解产气的同时副产品就是生物质炭和生物质灰。
本发明创新点：以废弃生物质为原料，采用厌氧发酵和高温裂解两种不同的方式对不同状态的生物质进行处理；再利用厌氧发酵产生的氢营养型甲烷菌将裂解产生的氢气和二氧化碳转化为甲烷。提高沼气中的甲烷浓度，达到生物天燃气的标准；厌氧发酵产生的沼液、沼渣是很好的生物有机肥、裂解剩余的炭和灰分也是炭基有机肥原料。本方法利用废弃生物质实现了气、肥、炭联产、实现了减碳固碳的环保目的。
本发明有益效果：能处理各类废弃的生物质、生成的生物天然气热值稳定、含硫化氢少，符合环保标准。同时，生产有机肥和生物炭，系统内部能源得到充分利用，结构简单，投资少效益高。
附图说明
图1为本发明实施例系统示意图；
图中：原料仓1、提升机2、烘干脱水釜3、炭化釜4、炭冷却器5、炭收集器6、二次裂解釜7、气冷却器8、除尘器9、灰收集器10，气液分离器11、木醋液收集器12、气体缓冲罐13、除砂池20、除砂机21、传输泵22、均浆池23、进料泵24、文丘里管一25、发酵罐26、脱硫塔27、固液分离机28、文丘里管二29、搅拌泵30、进料阀门一31、排烟阀门一32、进烟阀门33、出料阀门一34、中间阀门35、排烟阀门二36、出料阀门二37、烧嘴41。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
一种废弃生物质综合利用方法，步骤如下：
含水量大于等于20%的废弃生物质作为原料进入除砂池20，兑入固液分离器分离出来的沼液，使含固率为20%；按顺时针搅拌，使原料中泥沙沉淀，用除砂机21除去底部泥沙。
除去泥沙的原料用传输泵22导入均浆池23，再次兑入固液分离器分离出来的沼液，使含固率达到10%；用炭冷却器5的余热加热，使温度达到45℃。
均浆池23原料温度到达45摄氏度后，用传输泵22将原料输入到发酵罐26内进行厌氧发酵；
含水量小于20%的废弃生物质进行破碎，粒度小于15mm，进入原料仓1，从原料仓1经料斗提升机2装入烘干脱水釜3，烘干脱水釜3用炭化釜4烟气加热，烘干脱水温度控制在120℃，并保持5分钟；烘干脱水结束后进入炭化釜4，炭化釜4为双腔结构，内腔装烘干脱水后的原料，外腔是生物燃气燃烧腔，周边排布多个烧嘴41。炭化釜4加热原料到650℃，并保持10分钟，尽可能多的获得生物质挥发份，降低炭得率。
生物质原料炭化完成之后，进入炭冷却器5，冷却之后进入炭收集器6，产出的产品为活性炭或炭基有机肥原料；炭冷却器5的余热作为均浆池23和发酵罐26控制温度的热源。
生物质原料炭化过程中产生的挥发份，进入二次裂解釜7，二次裂解釜7用电极加热，在0.5秒内将挥发份中的焦油成份、木醋液成份裂解为小分子的CH4、H2、CO和CO2的裂解气。
裂解气经过气冷却器8冷却到70℃之下，经过除尘器9，除去裂解气中灰尘，灰尘中主要成份是生物质原料中的微量元素，可作为生物有机肥的添加剂销售；经过气液分离器11，除去二次裂解没有完全裂解的冷凝液体，其主要成份是木醋液，收集到木醋液收集器12，产出的产品为木醋液原料。
裂解气储存到气体缓冲罐13中，气体缓冲罐13中出口连接发酵罐26进料泵24出口管道上的文丘里管一25，用于吸入气体缓冲罐13中的裂解气，实现厌氧发酵原料和裂解气同时进入发酵罐26。
发酵罐26的温度保持在38℃，热源来自炭冷却器5余热。
系统正常运转时，发酵罐26内保持一定容量的原料，每隔一定时间，先出料再进同样体积新料。
系统正常运转时，搅拌泵30不停搅拌：在搅拌泵30出口管道上加文丘里管二29，从发酵罐26底部抽取原料的同时，从发酵罐26顶部吸入沼气，混合后送入发酵罐26中部。
发酵罐26顶部的气体实际包含厌氧发酵的沼气和来自气体缓冲罐13的裂解气；顶部气体在搅拌泵30的作用下，不断和发酵罐26内的甲烷菌接触，气体中的氢气和二氧化碳不断的被合成甲烷，气体中甲烷含量达88%（mol/mol）以上；氢气含量小于3%（mol/mol），mol/mol为摩尔比例；发酵罐26顶部气体经脱硫塔27后，硫化氢的含量低于4mg/m3,达到生物燃气的国家标准。
发酵之后的原料从发酵罐26底部排出到固液分离机28，分离之后沼液大部分作为出砂池和均浆池23的稀释液，剩余的沼液作为液体有机肥销售；沼渣作为固体有机肥销售。
在实施例中，除砂池20、均浆池23是水泥结构，大小相同并行排列，长10米、宽5米、深3米，底部各装3台7.5kW的搅拌器。其他设备现场制作或采购市售产品。
1、裂解方法
1.1. 将水分低于20%、长度小于15mm的原料（本实施例为绿化剩余枝叶）投放到原料仓1中。
1.2. 关闭烘干脱水釜3的进烟阀门33和出料阀门一34，打开进料阀门一 31和排烟阀门一32；通过料斗提升机2将原料装入烘干脱水釜3；烘干脱水釜3进料时，来自炭化釜4的烟气直接排放。
1.3. 关闭烘干脱水釜3的进料阀门一31和排烟阀门一32，打开进烟阀门33。用炭化釜4的高温烟气加热烘干脱水釜3中的原料；通过控制排烟阀门一32和出料阀门一34的开关时间，控制烘干脱水釜3内部温度，从环境温度升高到120℃，并保持5分钟。
1.4. 关闭进烟阀门33、炭化釜4的出料阀门二37，打开排烟阀门一32，打开烘干脱水釜3的出料阀门一34，脱水的原料进入炭化釜4，烘干脱水釜3出料时，来自炭化釜4的烟气直接排放。
1.5. 脱水的原料进入炭化釜4后，关闭出料阀门一34和排烟阀门二36，打开中间阀门35，点燃烧嘴41，开始加热，保持240℃并持续5分钟，目的是继续脱水，同时带走炭化釜4内的氧气，之后，关闭中间阀门35。
1.6. 继续加热炭化釜4到650℃并保持。由于加热炭化釜4内原料气化，内部压力增加，压力大于1.2kPa时，排烟阀门二36的压力阀自动打开，裂解气排出到二次裂解釜7。
1.7. 当炭化釜4温度保持在650℃，内部压力小于1.2kPa, 排烟阀门二 36关闭状态保持5分钟时, 表示原料已经完全炭化，不再有挥发分溢出，关闭烧嘴41。
1.8. 待内部压力小于0.5kPa时，打开中间阀门35，1分钟后打开出料阀门二37，将剩余物--炭，放入炭冷却器5。
1.9. 冷却后的炭进入碳冷却器5，作为商品生物质炭进行销售。
1.10. 从排烟阀门二36输出的裂解气经过二次裂解釜7再次进行0.5秒、1050℃以上的快速高温裂解，将其中的大分子物质，裂解成小分子的CH4、H2、CO、CO2气体。
1.11. 气体依次经过气冷却器8冷却到70℃，再经过除尘器9，气液分离器11进入气体缓冲器13。
1.12. 除尘器9设有灰收集器10，灰收集器10收集到的灰尘主要成份是农作物生长需要的微量元素，作为生物有机肥添加剂使用；在气液分离器11收集的液体主要成份是没有充分二次裂解的木醋液，可以作为生物农药原料销售。
2.厌氧发酵方法
2.1. 人畜禽粪污（本实施例是猪粪）由罐车运到除砂池20,和来自固液分离机28的沼液混合，达到含固率30%，顺时针搅拌，使泥沙下沉，通过除砂机21，除去泥沙。
2.2. 混合的原料通过传输泵22，输送到均浆池23，混入来自固液分离机28的沼液，搅拌均匀，使含固率到达10%左右；利用炭冷却器5的余热，把原料的温度提升至45℃，通过进料泵24和文丘里管一25，将混合原料料和裂解气同时送入发酵罐26。
2.3. 搅拌泵30从发酵罐26底部抽取原料，通过文丘里管二29抽取发酵罐26顶部的气体混合后送入发酵罐26中部，使产甲烷细菌充分消化生物气中的氢气和二氧化碳，合成甲烷。充分搅拌后，气体中甲烷含量达88%（mol/mol）以上。氢气含量小于3%（mol/mol）
2.4. 发酵罐26顶部的气体气经脱硫后，硫化氢的含量低于4mg/m3,达到生物燃气的国家标准，供用本系统裂解加热或作为生物天然气销售。
2.5.厌氧发酵剩余物，经固液分离机28分离出的沼渣作为有机肥料销售；沼液部分返回除砂池20和均浆池23，部分作为原料的稀释剂，部分作为有机液体肥销售。
Claims (2)
1.一种废弃生物质综合利用方法，其特征在于：将废弃生物质按含水率的不同分别进行处理；含水量大于等于20%的废弃生物质用厌氧发酵的方法产生沼气，含水量小于20%的废弃生物质用高温裂解的方法产生裂解气；沼气和裂解气一起进入发酵罐（26），利用厌氧发酵罐（26）中的产甲烷菌对裂解气进行消化，用裂解气中H2和CO2的合成CH4，提高沼气中CH4的含量，生产高热值的生物天然气，同时生产生物炭和生物有机肥；
具体的工艺步骤如下：
①含水量大于等于20%的废弃生物质作为原料进入除砂池（20），兑入沼液，使含固率为20%，按顺时针搅拌，使原料中泥沙沉淀，用除砂机（21）除去底部泥沙；除去泥沙的原料用传输泵（22）导入均浆池（23），再次兑入沼液，使含固率达到10%，加热达到45℃后，将原料输入到发酵罐（26）内进行厌氧发酵；
②含水量小于20%的废弃生物质进行破碎，粒度小于15mm，进入原料仓（1），从原料仓（1）经料斗提升机（2）装入烘干脱水釜（3），烘干脱水釜（3）用炭化釜（4）烟气加热，烘干脱水温度控制在120℃，并保持5分钟；烘干脱水结束后进入碳化釜（4），碳化釜（4）为双腔结构，内腔装烘干脱水后的原料，外腔是生物燃气燃烧腔，周边排布多个烧嘴（41）；碳化釜（4）加热原料到650℃，并保持10分钟；生物质原料炭化过程中产生的挥发份，进入二次裂解釜（7），二次裂解釜（7）用电极加热产生裂解气，裂解气经过气冷却器（8）冷却到70℃之下，经过除尘器（9），除去裂解气中灰尘，灰尘中主要成份是生物质原料中的微量元素，可作为生物有机肥的添加剂销售；经过气液分离器（11），除去二次裂解没有完全裂解的冷凝液体，其主要成份是木醋液，收集到木醋液收集器（12），产出的产品为木醋液原料；所述裂解气储存到气体缓冲罐（13）中，气体缓冲罐（13）出口连接发酵罐（26）进料泵（24）出口管道上的文丘里管一（25），用于吸入气体缓冲罐（13）中的裂解气，实现厌氧发酵原料和裂解气同时进入发酵罐（26），进而厌氧发酵原料和裂解气同时在发酵罐（26）内进行发酵；
③发酵罐（26）的温度保持在38℃，发酵罐（26）顶部的气体包含厌氧发酵的沼气和裂解气，气体中的氢气和二氧化碳不断的被合成甲烷，产品为高热值生物燃气；
所述发酵罐（26）内的原料，发酵之后的原料从发酵罐（26）底部排出到固液分离机（28），分离之后沼液大部分作为出砂池（20）和均浆池（23）的稀释液，剩余的沼液作为液体有机肥产品；沼渣作为固体有机肥产品；
所述碳化釜（4）内的生物质原料，炭化完成之后，进入炭冷却器（5），冷却之后进入炭收集器（6），产出的产品为活性炭或炭基有机肥原料；炭冷却器（5）的余热作为均浆池（23）和发酵罐（26）控制温度的热源。
2.根据权利要求1所述的一种废弃生物质综合利用方法，其特征在于：所述发酵罐（26）设有搅拌泵（30），不停搅拌，在搅拌泵（30）出口管道上加文丘里管二（29），从发酵罐（26）底部抽取原料的同时，从发酵罐（26）顶部吸入沼气，混合后送入发酵罐（26）中部。
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