半连续沼气干发酵工艺

1 半连续沼气干发酵工艺 1、沼气干发酵工艺简介 沼气干发酵是指以秸秆、畜禽粪便等有机废弃物为原料(干物质 浓度在 20以上)，利用厌氧菌将其分解为 CH4，CO 2，H 2S 等气体 的发酵工艺。沼气干发酵由于其发酵原料的干物质浓度高，使池容 产气率较传统的湿式户用沼气池提高十倍以上，可以大大缩小发酵 罐体积，提高发酵装置使用效率，另外，干发酵工艺生产的沼气 H2S 含量低（ 300ppm 左右） ，可不经脱硫直接应用于民用及发电， 沼渣和沼液固体含量高，不经脱水就是优质的有机肥料，以上诸多 优点使沼气干发酵工艺在沼气生产，尤其是大中型沼气集中供气工 程上得到越来越广泛的应用。 但是，由于沼气干发酵原料的干物质浓度高而导致的进出料难、 传热传质不均匀、易产生酸中毒等问题，也是沼气干发酵的技术难 点，对此国内外都进行了深入的研究。 2、设计方案 21 工艺方案 半连续沼气干发酵工艺是以农作物和禽畜粪便为主要原料，经 混合堆沤处理，采用一定时间间隔对发酵罐进行部分换料，达到沼 气高产、稳产的目的。 22 工艺流程 2 23 工艺过程的控制 231 原料的预处理 沼气干发酵所用的原料为农作物秸秆（玉米秸、稻草，麦秸等） 和禽畜粪便（鸡粪、牛粪、猪粪等） ，原料在入罐前必须进行处理。 原料预处理包括物理预处理、化学预处理和生物预处理。物理 预处理一般采用研磨和切碎两种物理预处理方法，在去除其中的石 块等杂质后，铡成 5cm 左右的小段；化学预处理主要是用 NaOH 等 碱性物质对秸秆进行浸泡，使纤维素分解；生物预处理也是目前较 为普遍使用的一种方法，主要是指发酵原料的好氧堆沤，一般对发 酵原料进行 35 天的堆沤，直至原料颜色变为深褐色。这种做法有 利于控制发酵原料的酸碱度，使原料获得抗酸化的能力，可有效解 决干发酵中易出现酸化的问题。 232 原料的 C/N 比 发酵原料的 C/N 比，是指原料中有机碳素和氮素含量的比例关 系。在沼气发酵过程中，由于有 CH4 不断生成，原料的 C/N 比是不 断下降的，研究表明厌氧菌消耗 C 元素的速度是消耗 N 元素速度的 20 倍，因此进料的 C/N 比可适当高些。当原料中 N 的含量过高时， 高浓度的氨态氮(NH3-N)将抑制厌氧发酵，在消化过程中当氨浓度 增加到 2000 mgL 以上时，甲烷产量降低。目前，一般认为沼气 干发酵适宜的 C/N 比为 2530。为了保证合适的 C/N 比，需要对发 酵过程的营养物质进行调整，根据各种原料的 C/N 比的不同进行科 3 学搭配，以满足厌氧菌繁殖的需要。 不同的农作物秸秆和禽畜粪便有不同的碳氮比，以下是主要原 料的碳氮比列表： 原料名称 C N C/N 木屑 49.18 0.10 491.8 稻草 42.3 0.72 58.7 麦秸 46.5 0.48 96.9 玉米芯 42.3 0.48 88.1 豆秸 49.8 2.44 20.4 野草 46.7 1.55 30.1 甘蔗渣 53.1 0.63 84.2 棉籽壳 56 2.03 27.6 麦麸 44.7 2.2 20.3 米糠 41.2 2.08 19.8 马粪 12.2 0.58 21.1 黄牛粪 38.6 1.78 21.7 奶牛粪 31.8 1.33 24 猪粪 25 2 12.6 鸡粪 30 3 10 人粪 2.9 根据各种原料不同的碳氮比，可以计算出加入每种原料的量。 233 干物质浓度 水分是微生物活动不可缺少的重要因素，在干发酵过程中如果 干物质浓度过高而水分含量过低，会导致挥发性酸的积累，引发酸 中毒，从而导致干发酵过程的终止。研究表明干发酵工艺干物质浓 度在 20%30%为宜，当干物质含量超过 35时，pH 降低到 5.55.6，发生酸积累，沼气发酵受抑制。 234 接种剂用量 优质足量的接种物是沼气干发酵顺利启动的重要保证。一般接 4 种物采用粪坑污泥或坑塘污水，或者采用正常运转的沼气池沼液、 沼渣均可，干发酵工艺干物质浓度高，需要更大的接种剂用量，加 大接种量，是防止干发酵前期偏酸、缩短干发酵启动时间的关键措 施，但是干发酵接种量达到一定时，分解率就达到了一定极限，接 种剂量在 20 30范围内为宜。 235 发酵温度 根据发酵温度不同，厌氧干发酵分为常温发酵、中温发酵(30 38 )和高温发酵(50 55)。常温发酵，产气率低，产气周期长， 受环境温度影响大。中温发酵与常温发酵相比，分解快、产气率高、 气质好，有利于规模化生产。高温发酵分解快、产气率高 、环保效 果好，但气质稍差、耗能较多。 本工艺过程采用中温发酵，发酵温度控制在 2530，有利 于冬季北方寒冷地区在使用过程中降低能耗。 236 pH 值的控制 厌氧发酵的适合 pH 值为 6.87.4，6.4 以下或 7.6 以上都对产气 有抑止作用，pH 值在 5.5 以下，产甲烷菌的活动则完全受到抑制。 在沼气干发酵过程中，如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速度超 过产甲烷阶段，则 pH 值会降低，影响甲烷菌的生活环境。在沼气 干发酵启动过程中，时常有这种现象发生，即酸中毒。对发酵原料 进行 35 天的好氧堆沤，可减少挥发性脂肪酸，从而有利于沼气干 发酵启动时的 pH 值处于正常范围内。在发酵过程中，对发酵原料 的 pH 值进行监控，当 pH 值低于 6.4 时，可加入石灰水或者氨水调 5 节，可保证沼气干发酵过程的顺利进行。 237 搅拌对沼气发酵的影响 对发酵物进行适当的搅拌，可使微生物与发酵原料充分接触， 增加原料的分解速度，扩大活性层，使得所产生的沼气容易分离而 逸出，提高产气率。常用的搅拌方法有液流搅拌和机械搅拌。 液流搅拌是通过循环泵从外部将发酵液从反应器底部抽出，再 从反应器顶部以一定角度喷回。 机械搅拌是指在反应器内安装叶轮或螺旋搅拌器等进行的搅拌， 此种搅拌方式操作简单，但存在搅拌轴的防腐蚀和密封问题。 3、发酵装置的研究 31 发酵罐 1发酵罐容积为 100 立方米钢质，罐体采用 A3 热轧板 8mm 厚卷制，两端封头为 10mm 厚热轧板旋压成型。发酵罐直径 3.5 米， 长 14 米，上部为进料口、安全阀和出气口，下部为出料口，出料口 直径 400mm，进料口为 150mm，进料时用打料泵向罐里进料。 2罐体涂黑色防腐漆，罐体外发酵罐下部排列 PP-R 地热管， 整个罐体外敷 100mm 厚的苯板或岩棉作为保温材料，以利于北方冬 季寒冷地区维持发酵温度。 3发酵罐内底部安装螺旋搅拌装置，对底部原料进行间歇式搅 拌，防止底部结块。 4最大工作压力 2.0kgcm 2。 32 循环加热装置 6 由于维持中温发酵需要不断为发酵罐提供热量，采用上吸式秸 秆气化炉和秸秆气直燃锅炉为发酵罐供热的方案，降低供热成本。 33 脱硫装置 沼气中的有害物质主要是硫化氢，它危害人体健康，对管道阀 门及应用设备有较强的腐蚀作用。 脱硫原理：在常温下含有 H2S 的沼气通过脱硫剂床层，沼气中 H2S 与活性物质 (如氧化铁 )接触，生成硫化铁和亚硫化铁，然后含有 硫化物的脱硫剂与空气中的氧接触，当有水存在时，铁的硫化物又 转化为氧化铁和单体硫。这种脱硫和再生过程可循环进行多次，直 至氧化铁脱硫剂表面大部分被硫或其他杂质覆盖而失去活性为止。 脱硫方法：脱硫的方法有湿法脱硫和干法脱硫两种。干法脱硫 具有工艺简单，成熟可靠、造价低等优点，并能达到较好的交货程 度。目前家用沼气脱硫基本上采用这种方法。干法脱硫剂有活性炭、 氧化锌、氧化锰及氧化铁等，从运转时间、使用温度、公害、价格 等综合考虑，目前采用最多的脱硫剂是氧化铁 33 储气罐 采用 50 立方米干式储气罐。 34 燃气输配 对于沼气集中供气的农村，可以采用中压输配以保证距离较远 用户的使用效果，如果用来发电等则可以采用低压输配。 35 沼气应用 目前，沼气的计量表、灶具等终端设备国内已经有大量厂家生 7 产，生产沼气发电机组国内也有不少厂家，可根据不同使用情况加 以选择。 4、半连续干发酵工艺应用实例 41 工艺要求 411 发酵原料：以农村牲畜粪便、作物秸秆为主要发酵原 料。各种原科混合使用效果好于单一使用。混合使用时，各种原料 （干物质）的配比要根据实际情况计算，可选择两种以上的原料按 比例混拌均匀作发酵原料。 412 发酵原料干物质浓度 ：最好选择在 20%，干物质浓度 适中，日产气率高，排料又方便 ，为该工艺的理想浓度。 413 原料昀预处理 ：发酵原料含作物秸秆时，要铡成 5cm 小段，进行堆沤处理，堆沤时要保持一定的湿度。一般堆沤 24 天， 秸秆达到黄褐色、质地软化即可。 414 按种量 ：起动时接种量一般占发酵原料量的 l3。 415 发酵温度： 因发酵装置卧置于地面，增加了加热装置， 发酵温度可在 2530 左右，处于中温发酵。 42、半连续干发酵工艺顺序 421 投料：装填系数为 80%，每罐可装发酵原料 84 吨，将 原料和接种剂充分混合后加入发酵罐，经 3540 天产气使用后，日 产气量开始下降，池容产气率低于 0.7m 3m 3d，此时，进行第一 次部分更换发酵原料。从排料口排出 1/3 的旧料，再加入 1/3 的新料， 保持发酵装置内原料总体积不变。换料后 68 小时就可点燃使用。 8 投入的新料补充旧料的产气不足部分，使总产气量满足正常使用， 池容产气率在 0.7m3m 3d 以上。 以后每隔 3035 天按上述办法 部分更换一次发酵原料，使产气量保持在池容产气率 0.70.9m3 m 3d 这个相对稳定且较高的水平。满足用户正常使用。每次更 新原料基本上按先后次序水平排出、投入。新投入的发酵原料在装 置内的停留时间为 90 天。 422 排料：经过发酵的原料已较完全分解。装置内的一部 分沼渣在重力和气体压力的作用下，下沉到底层。底层的发酵原料 呈粘稠状，干物质浓度在 25左右。应当迅速打开排料口时，在短 时间内，发酵原料从排料口流出。一次流出料量占发酵装置内总量 的 1/3。排料停止，关闭出料口，再加入等量新料。 423 该工艺的主要特点 半连续干发酵工艺同批量投料干发酵工艺相比，在时间一定， 发酵原料等量的情况下，半连续干发酵工艺日产气量较均匀。批量 投料干发酵工艺日产气量变化大、不均匀。 半连续干发酵工艺提高了发酵装置的利用率，达到了缩小发酵 装置体积，满足用户要求的目的。 5、市场前景 随农牧业产业结构调整，解决“三农”问题必将大规模发展大 中型养殖企业，将产生大量畜禽粪便，若不加处理简单排放，必将 严重污染环境，进而导致经济发展受到制约，另一方面吉林省是农 业大省，全省有农户 408 万户，每年产作物秸秆 3000 万 t 左右，这 9 为大中型沼气综合开发提供了充足的原料。大中型沼气综合开发是 实现农村能源产业化，解决农村清洁能源短缺的有效途径。拓展沼 气开发领域 ，实现秸秆一饲料一牲畜一粪便一沼气一沼肥的综合利 用，可以加速新农村建设，早日实现生态省。其前景广阔。 6、效益分析 61 工程造价及产气量 大中型半连续进料沼气干发酵工程包括： 秸秆气化供热设备；沼气发酵装置及贮气设备；沼气管网和输 配工程；发酵原料预处理工程；沼渣、沼液分离加工固体、液体生 物有机肥工程。另外如果是沼气发电项目，还要包括沼气发电设备。 经测算 ，以上工程综合造价为每立方米罐容为 300000 元左 右。 42 生态效益 若大中型半连续进料沼气干发酵装置得以广泛推广应用，农村 能源就将进入以沼气为主的产业化时代，现今农村大量秸秆被烧， 垃圾到处抛，人畜禽粪便臭气熏天的恶劣生态环