几种生物质原料厌氧发酵制取沼气能量转换效率的比较

1、几种生物质原料厌氧发酵制取沼气能量转换效率的比拟几种生物质原料厌氧发酵制取沼气能量转换效率的比拟张庭婷李嘉薇王双飞(1.广西大学轻工与食品工程学院,广西南宁530004;2.广西大学化学化工学院,广西南宁530004)摘要:本文以木薯秆为原料,采用批量单相厌氧发酵的工艺,初步探讨了影响木薯秆厌氧发酵的因素,同时在研究了几种不同生物质原料厌氧发酵制取沼气的根底上,分析了原料的热值,理论沼气转化率及实际沼气转换率,并比拟了直接燃烧与制取沼气的有效热值,及木薯秆固液别离发酵与混合发酵的有效热值.结果说明,木薯秆原料尺寸为60100目,pH值保持中性,温度为37比直接燃烧的有效热值均高出1倍以上,且木

2、薯秆经固液别离后发酵产沼气的有效热值比混合发酵高出三分之一以上.关键词:生物质;厌氧发酵;沼气;固液别离;有效热值中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:16714571(2021)03-0036-061引言2试验及方法目前,现代社会赖以生存与开展的化石能源正日渐枯竭,已成为制约未来社会开展的潜在危机,开发清洁可再生生物质能是解决能源危机,减少环境物质资源生产的生物质能目前居世界能源消费总量第四位,仅次于煤炭,石油,天然气.至今,世界上仍有15亿以上的人口以生物质作为生活能源.有人预测,可再生性能源到2021年将占到我国能源利用总量的5%到8%,到2021年将会到达10%到15%.我国是一个

3、能源短缺的国家,也是生物质资源大国.其中,作物秸秆年产量约为7亿t左右,列世界之首.但大多数农作物秸秆都被用以燃烧,还田或乱堆放】,只有少局部用作饲料,工业使用,不但造成利用率的低下,还增加了环境污染.因此,用秸秆进行厌氧发酵制取沼气是一个生产高品位清氧发酵制取沼气的根底上,研究该过程的能量转换率,为沼气发酵提供依据.木薯秆:取自广西扶绥,玉米秸秆,香蕉树及芭蕉树:均取自南宁郊区,各种原料均风干粉碎后备用.接种物:本实验采用的厌氧颗粒污泥取自南宁处理UMAR反响器中底部的污泥,其中含有大量的产甲烷细菌.沼液:本实验采用的沼液为厌氧污泥的上层清液.几种不同生物质原料的元素分析结果见表1.表1几种

4、不同生物质原料的元素分析结果(以枯燥基计)作者简介:张庭婷,女,硕士研究生,主要从事可再生资源的利用方面的研究.36?造纸科学与技术?2021年第28卷第3期实验装置为自制的发酵装置,由250ml血清瓶(发酵瓶),1000ml锥形瓶(排水瓶)及量筒(读取产气量)组成.恒温水浴锅发酵瓶排水瓶量简图1实验简易装置图称取一定量的原料与厌氧污泥混合,调节pH值至7左右,连接实验装置,控制发酵温度为37o【=,每天早上9:00记录产气量,每2天测定一次甲烷含量.总固体含量(TS)和挥发性固体含量(VS)的测定方法:常规烘干法.原料元素成分分析:德国ElementavarioEL元素分析仪.弹筒热值:恒温

5、氧弹式热量计GR3500型.PH值:采用精密pH试纸(范围为5.78.5)测定.气体的计量:采用排饱和食盐水法收集气体,每日定时用量筒测量水的体积记为产气量.甲烷成分测定的,启动后每隔3天测定甲烷的含量,经过实验过程中的测定发现,木薯秆产沼气的平均甲烷含量为(66±6)%.3结果与讨论将粉碎后的木薯秆过筛,得到4种不同规格(>40目;4060目;60100目;<100目)的木薯秆,分别取一定量的木薯秆与厌氧污泥一起发酵,调节pH值保持在中性,可控恒温水浴锅控制发酵温度为37.l40O1200叠100080o6oo4002o0002468l0J2l4时间/f

6、I图2木薯秆破碎程度对发酵的影响表2发酵前后料液TS,VS,pH值的变化发酵液发酵前TS/%VS/%pH发酵后TS/%VS/%pH从图2中可以看出,当木薯秆尺寸为60100尺寸<100目时次之,为220.9mL/g干物质,4060目时累计产气量为185.5mL/g干物质,产气量质.当木薯秆粉碎的尺寸越小,其外表的腊质层就被破坏得越多,因此,更利于微生物利用.而尺寸<100目时,由于此时的原料更加细小,其中木薯秆的髓和皮的含量相对增多,故,纤维素等c源相对变也可以看出,4种规格的木薯秆发酵后TS,VS都有降低,60100目的木薯秆其Ts利用率到达54.3%,VS利用率

7、为11.9%,为利用率最高的,故从这也可看出,60100目是比拟利于产沼气的原料尺寸.该组实验中向反响器中参加一定量60100目的木薯秆原料及一定体积的污泥,补加沼液至250mL,调节不同的pH值,连接好实验装置,启动实验.结果如下:l400.120o10130800.L600藻4瑚00002468l012l4时间/d图3pH值对厌氧发酵的影响表3发酵前后料液TS,VS,pH值的变化37沼气微生物的生长,繁殖,要求发酵原料的酸碱度保持中性,或者偏碱性,过酸,过碱都会影响产气.从图3中可以看出,当pH值为中性的时候,累计产气量最大,到达272.1mL/g于物质,平均每天产气量为22.7mL/g干

8、物质,此时TS,VS利用率分别为32.6%,34.0%.当pH值增大到8时,此时累计产mL/g干物质,其TS,VS利用率分别为27.2%,31.3%.当pH值增大到9时,此时产累计气量下降到干物质,其TS,VS利用率分别为7.4%,10.4%.当情况说明,沼气发酵初期由于产酸菌的活动,反响器持续进行,氨化作用产生的氨中和一局部有机酸,同时甲烷菌的活动,使大量的挥发性酸转化为甲烷(CH)和二氧化碳(CO),使pH值回到正常值.温度是影响沼气发酵产气率上下的最重要的外因条件,发酵温度适宜那么沼气微生物繁殖旺盛,活力果如下:2000毒1500面唧1000酶50oOO】02O3O4050607080时

9、间/d图4温度对厌氧发酵的影响通常把不同的发酵温度区分为三个范围,即把4660称为高温发酵,3238称为中温发酵,1026称为常温发酵.但在不同的地方,划分的区别有所不同.广西地处亚热带,夏季的室温一般在29度.从图4中可以看出,37时,累计产气量明显比其他三个温度高,到达389.1mL/g干物质,而48时,累计产气量到达158.2mL/g干物质,常温下为147.5mL/g干物质,33物质.一般来说,温度越高,微生物活动越旺盛,产气量越高.且微生物对温度变化十分敏感,温度突然升高或突降,都会影响微生物的生命活动,使产气38状况恶化.故,本实验在考虑可操作性的根底上,选定发酵温度为37cI=.相

10、同规格的木薯秆,与不同量的污泥(1群6#污泥参加量依次为0mL,50mL,100mL,15OraL,200mL,250mL)混合发酵,在37C下进行发酵,考察污泥量的多少对发酵的影响,其结果如下:删.L:撩+1#-2#+3#I卜-4#I_-5#+6#时间,d图5污泥参加量对厌氧发酵的影响从图5中我们可计算出,污泥的参加量对厌氧发酵有比拟明显的影响.当不加污泥时,产气量最少,累计产气量为41.2mL/g干物质,这说明,没有污泥的存在,就没法提供足够多的产甲烷微生物.mL/g干物质和184.2mL/g干物质.原那么上,污泥越多,产甲烷细菌越多,但是,对于该实验来说,污泥过多会大量膨胀,膨胀后的体积

11、远超出了反响器本身的有效池容,故导致实验的可操作性不强.2,4但由于污泥参加过多,伴随着污泥膨胀的可能性也人(50100)mL污泥为宜,也即此时接种物的量为约占有效池容的20%一40%为宜.比拟各类燃料最重要的特性是热值(或发热量),它决定燃料的价值,是进行燃烧等转化的热平衡,热效示方法有如下三种:弹筒热值,高位热值和低位热计测得,它较实际燃烧过程放出的热量高,在实际应料在空气中完全燃烧时放出的热量,能够表征燃料的质量,评价燃料的质量时可用高位热值作为标准伽姗咖伽姗0?造纸科学与技术?2021年第28卷第3期值.在测定生物质燃烧热值的情况下,弹筒热值比高位热值高约l225kJ/kg,通常可忽略

12、不计,即用际工程应用中,燃料热值都是采用低位热值,因为低位热值符合实际情况,比拟合理.空气枯燥基的高,低位热值的换算关系为:HHVdLHVd+226Hd(1)式中:HHV以枯燥基计的高位热值;LHV以枯燥基计的低位热值;H原料中以枯燥基计的H含量.由表1中的数据,通过公式(1),可计算出几种不同原料的热值见表4.表4几种不同生物质的热值(kJ/kg绝干原料)评价生物质直接燃烧时的能量转换效率采用低燃烧的中间转换过程,故在评价它的能量转换效率时,采用高位热值.的理论效率理论沼气转换率计算公式如下¨引:T=WT.+WpTp+wlTl(2)式中:"Br一1kg绝于原料中碳水化合物

13、的含量,kg;w一1kg绝干原料中蛋白质的含量,kg;W.一lkg绝干原料中类脂化合物的含量,kg;一】kg绝干原料中碳水化合物的理论沼气转换率(1kg碳水化合物能产生沼气的最大值),m/kg;T一1kg绝干原料中蛋白质的理论沼气转换率,m/kg;换率,m/kg.而1kg碳水化合物,蛋白质,类脂化合物的理论m/kgn¨.因此,由式(2)可计算出几种生物质的理论沼气转换率,见表5.表5几种不同生物质的理论沼气转化率又知,每立方米沼气的热值约为21520kJ,根据沼气理论热值和能量转换的理率效率的计算公式,可计算得到表6中的数据.沼气理论热值=21520×T,kJ/kg绝干原料

14、(3)能量转换的理论效率=塑素×1.%(4)表6几种不同生物质的理论沼气转换率的实际效率该组实验分别用六种不同的生物质原料同一定量的污泥混合,置于恒温水浴锅中,调节pH值至中性,在37"C下静态发酵,发酵采取单相发酵工艺,实验共进行35天.实验结果如下:据L:!+玉米秸秆:+芭蕉树秆+香蕉树秆i+点蕉叶梗一木薯秆O6l218243O36时间,d图6几种不I司生物质原料厌氧发酵的累计产气量由图6可以看出,几种物质都能发酵产生沼气,其累计产气量从高到低依次为:玉米秸秆>木薯秆累计产气量计算出实际沼气转换率后,便可根据公式(3)和(4)计算出沼气的实际热值和能量转换

15、的39枷釉瑚姗0,2;实际效率,见表7.表7几种不同生物质原料发酵的实际效率发酵实际沼气转换率沼气实际热值能量转换的原料/m?kg绝干原料/kJ?kg实际效率/%接燃烧的比拟生物质发酵产沼气的总效率是指沼气发酵和沼发酵的能量转换效率前已讨论,沼气燃烧的效率取决于沼气灶的使用性能.在正常情况下,沼气灶燃烧的热效率一般可到达60¨量转换过程的总效率可按如下公式计算:能量转换的总效率=沼气发酵能量转换的实际效率×沼气燃烧的热效率(5)而旧式柴灶直接燃烧时热效率通常仅有10%14,其能量转换效率仅取决于柴灶的热效率.生物质直接燃烧与制成沼气的计算结果见表8.表8几种不同生物质直接燃

16、烧与制成沼气的有效热值的比拟际效率该组实验是将一定量粉碎后的木薯秆,按照一定的固液比,经纤维素酶水解48h后,将酶解液参加累计产气量如图7.皿璺芷:亡量Il;02468l0l2l4l6l82022242628时间,d图7木薯秆固液别离后厌氧发酵的累积产气量变化由图7的累计产气量计算可得出固液别离后厌氧发酵产沼气的实际转换效率,然后根据公式(3)和(4)计算出沼气的实际热值和能量转换的实际效率,见表9.表9木薯秆固液别离后厌氯发酵产沼气的实际效率发酵实际沼气转换率沼气实际热值能量转换的原料/m?kg绝干原料/kJ?kg实际效率/%比拟由于木薯秆固液别离后发酵是将酶解液过滤后用于发酵,而酶解后的残

17、渣风干后可用于直接燃烧作为锅炉等的动力,故固液别离发酵过程的能量转换的总效率是指残渣燃烧,酶解液制取沼气和沼气热值为14682.62kJ/kg,残渣燃烧供热过程按照省柴灶的效率20%计算,因此,残渣直接燃烧过程中有效热值为2936.52kJ/kg.由公式(5)可计算出制取沼气和沼气燃烧过程中的最终效率,比照结果见表10.表10固液别离发酵和混合发酵产沼气的有效热值的比拟姗呈鲫枷姗瑚0?造纸科学与技术?2021年第28卷第3期4结论的探讨,得出了厌氧发酵的最正确工艺:木薯秆粉碎至60100目,pH值保持中性,温度37c【=,接种物参加量占有效池容的20%40%为宜.气后,其实际转换效率在为20%

18、一35%左右,经发酵制成沼气燃烧后其有效热值均比直接燃烧增加1倍多以上,玉米秸秆甚至几乎到达了3倍.因此,这类生物质原料可通过这种厌氧发酵产沼气的途径来提高利用率,同时还能减少还田,燃烧等带来的环境问题.4.3比照木薯秆混合发酵和固液别离发酵可看出,固液别离发酵不但能将别离后的液体送至专门的水处理设备(如Ic厌氧反响器)中使用,还能将别离后的残渣用以燃烧作动力使用,故能进一步提高木薯秆的利用率,从而为合理利用木薯秆资源和实现工业化生产提供依据.参考文献1肖波,周英彪,李建芬.生物质能循环经济技术M.北京:化学工业出版社,2006,207218杜祥琬.生物质能源是最具前景的可再生性能源J.应用能

19、源技术,2006,(3):22阮文权,郁丹,邹华,等.小城镇废弃物沼气生产技术进展J.中国沼气,2006,24(4):283lwasteJ.RenewableEnergyJ.2007,32:750757中国主要农作物秸秆产量J.江苏锅炉,2007,(4):15贺延龄.废水的厌氧生物处理M.北京:中国轻工业出版社,1998,536537蒋月秀,龚福忠,李俊杰.物理化学实验M.上海:华东理工大学出版社,2005.8:1722.ofolivemillwastesinbatchreactorsJ.ProcessBiochemistry,2000,36:243248刘荣厚,牛卫生,张大雷.生物质热化学转

20、换技术M.北京:化学工业出版杜,2005.5:3032王志红,刘守华.沼气发酵能量转换效率的研究J.辽宁师专,2002,4(3):8487彭武厚,陆鑫.浅谈沼气发酵J.太阳能,2007,(7):6364姚向君,田宜水.生物质能资源清洁转化利用技术M.北京:化学工业出版社,2005,1:34.邱凌.庭园沼气高效生产与利用M.北京:科学技术文献出版社.2007,8:9.刘荣厚,牛卫生,张大雷.生物质热化学转换技术M.北京:化学工业出版社,2005,5:53StudyontheEnergyConversionEfficiencyofBiogasfromAnaerobicFermentationwit

21、hSeveralBiomassMaterialsZhangTingtingLiJiaweiWangShuangfei(1.CollegeofLightIndustryandFoodEngineering,GuangxiUniversityNanning,530004,Guangxi,China;2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,Guangxi,China)Abstract:Theinfluencingfactorsofanaerobicfermentationwithcassavastemwereapproachedelementarilywiththetechnologyofbatchsinglephaseanaerobicfermentationinthispaper.Att