秸稈沼氣發(fā)酵工藝流程

1、沼氣發(fā)酵工藝流程從全社會能源消費與供給的發(fā)展趨勢，隨著工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程使得礦物質(zhì)能源日趨枯竭，盡管這是未來將會發(fā)生的事，當(dāng)然也是歷史發(fā)展的必然結(jié)果，將會引起全社會的關(guān)注。世界各國都在尋求可再生的替代能源，雖然探礦開采不會立即結(jié)束，但是可再生能源的試生產(chǎn)也要立即開始，甚至早已經(jīng)開始了。沼氣工程作為即可處理廢棄的有機(jī)物又可從中回收能源，這是采用現(xiàn)代化技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能源利用的重要組成部分，也是沼氣工程產(chǎn)業(yè)將會乘勝發(fā)展的必然。我國的沼氣產(chǎn)業(yè)已從單純的能源利用發(fā)展成為廢棄物處理和生物質(zhì)多層次綜合利用，并與養(yǎng)殖、種植業(yè)廣泛結(jié)合，在農(nóng)村生產(chǎn)和生活中發(fā)揮了重要作用沼氣發(fā)酵技術(shù)確切的應(yīng)該稱為厭氧發(fā)酵技術(shù)，是指從發(fā)

2、酵原料到產(chǎn)出沼氣的整個過程，所采用的技術(shù)和方法。沼氣發(fā)酵技術(shù)主要 包括原料的預(yù)處理，接種物的選取和富集，發(fā)酵器（在厭氧發(fā)酵過程中的發(fā)酵器也稱反應(yīng)器，是沼氣發(fā)酵罐、沼氣池、厭氧發(fā)酵裝置的統(tǒng)稱 ）結(jié)構(gòu)的設(shè)計，工程起動和日常運行管理等一系列技術(shù)措施。其流程圖如下所示：進(jìn)料池青貯秸稈粉碎預(yù)處理厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣凈化（脫水，脫硫）氣柜沼液沼渣（再利用）1.秸稈預(yù)處理：1.1.預(yù)處理：農(nóng)作物秸稈通常是由木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、果膠和蠟質(zhì)等化合物組成，其產(chǎn)氣特點是分解速度較慢，產(chǎn)氣周期較長。使用這種原料在入池前需進(jìn)行預(yù)處理，以提高產(chǎn)氣效果。常用的預(yù)處理方法有物理、化學(xué)與生物方法等。物理方法主要有切碎、粉碎、汽爆

3、等。生物法的研究主要集中在菌種的篩選和發(fā)酵條件優(yōu)化方面。目前研究最多的微生物是白腐真菌。生物方法具有環(huán)境友好、處理效率高等優(yōu)點，但需要無菌操作條件和專門的培養(yǎng)設(shè)施，目前有關(guān)研究較多，實際應(yīng)用很少。化學(xué)法主要利用酸和堿等化學(xué)物質(zhì)對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，通過化學(xué)作用破壞秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高秸稈的厭氧消化性能。化學(xué)法具有處理方法簡單、時間短、效果好等優(yōu)點，但化學(xué)處理劑有可能產(chǎn)生二次污染。1.2.青貯：青貯池設(shè)計以為矩形，若有多個青貯池可并聯(lián)或串聯(lián)使用。粉碎的秸稈貯入青貯池后應(yīng)軋實，減少內(nèi)部氧氣存有量，避免原料浪費。秸稈含水量控制在65%左右，密度以大于500/m³為宜。2進(jìn)料：2.1.將碳銨

4、溶于水，與接種物和青貯好的秸稈一起在進(jìn)料池中混合均勻，入罐的發(fā)酵原料不要 壓實，以松散為好，池內(nèi)進(jìn)料口下口，直徑一米的地方不要存在發(fā)酵原料，以便以后暢通進(jìn)料。2.2進(jìn)料池容積一般按一次進(jìn)料量設(shè)計：計算公式為：V=qt/24V進(jìn)料池的有效容積，單位為立方米Q進(jìn)料量，單位為立方米每天T原料滯留時間，單位為小時3.厭氧發(fā)酵3.1厭氧發(fā)酵設(shè)備厭氧發(fā)酵器須設(shè)置增溫保溫措施，應(yīng)采用中溫發(fā)酵。厭氧發(fā)酵器應(yīng)密閉，耐腐蝕，設(shè)正負(fù)保護(hù)器。厭氧發(fā)酵器宜采用焊接，拼裝和利物浦等成型罐體或鋼砼結(jié)構(gòu)。厭氧發(fā)酵器應(yīng)設(shè)置底部排泥裝置。厭氧發(fā)酵器應(yīng)設(shè)有一定數(shù)量的取樣口和測溫點。厭氧發(fā)酵器的容器體積計算公式：V=W./

5、厭氧發(fā)酵裝置有效容積，單位為³物料消耗量，單位為公斤每天進(jìn)料物質(zhì)濃度，單位為總固體消化率，單位為產(chǎn)氣潛力，單位為立方米千克每天容器產(chǎn)氣率，單位為立方米立方米3.2沼氣發(fā)酵工藝類型對沼氣發(fā)酵的工藝分類，從不同角度，有不同的分類方法。大中型沼氣工程，強(qiáng)調(diào)從工程的運行溫度、工程運行的最終目標(biāo)以及所選用的處理原料進(jìn)行分類，如下圖所示：3.3.沼氣發(fā)酵工藝條件沼氣發(fā)酵微生物要求適宜的生活條件，對溫度、酸堿度、氧化還原勢及其它各種環(huán)境因素都有一定的要求。在工藝上滿足微生物的這些生活條件，才能達(dá)到發(fā)酵快、產(chǎn)氣量高的目的。.厭氧環(huán)境沼氣發(fā)酵微生物包括產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌兩大類，它們都是厭氧性細(xì)菌，尤其是

6、產(chǎn)生甲烷的甲烷菌是嚴(yán)格厭氧菌，對氧特別敏感。它們不能在有氧的環(huán)境中生存，哪怕微量的氧存在，生命活動也會受到抑制，甚至死亡。因此，建造一個不漏水、不漏氣的密閉沼氣池 （罐），是人工制取沼氣的關(guān)鍵。沼氣發(fā)酵的起動或新鮮原料入池時會帶進(jìn)一部分氧，但由于在密閉的沼氣池內(nèi)，好氧菌和兼性厭氧菌的作用，迅速消耗了溶解氧，創(chuàng)造了良好的厭氧條件。3.3.2.溫度沼氣發(fā)酵微生物是在一定的溫度范圍進(jìn)行代謝活動，可以在8-65，溫度高低不同產(chǎn)氣速度不同。在 8-65，溫度越高，產(chǎn)氣速率越大，但不是線性關(guān)系。40-50是沼氣微生物高溫菌和中溫菌活動的過度區(qū)間，它們在這個溫度范圍內(nèi)都不太適應(yīng)，因而此時產(chǎn)氣速率會下降。當(dāng)溫

7、度增高到53-55生物中的高溫菌活躍，產(chǎn)沼氣的速率最快。沼氣發(fā)酵溫度突然變化，對沼氣產(chǎn)量有明顯影響，溫度突變超過一定范圍時，則會停止產(chǎn)氣。一般常溫發(fā)酵溫度不會突變；對中溫和高溫發(fā)酵，則要求嚴(yán)格控制料液的溫度。概括地講，產(chǎn)氣的一個高峰在35左右，一個更高的高峰在54左右，因為在這兩個最適宜的發(fā)酵溫度中，由兩個不同的微生物群參與作用的結(jié)果。前者叫中溫發(fā)酵，后者叫高溫發(fā)酵。3.3.3.發(fā)酵原料原料（有機(jī)物）是供給沼氣發(fā)酵微生物進(jìn)行正常生命活動所需的營養(yǎng)和能量是不斷生產(chǎn)沼氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)剩余物秸稈、雜草、樹葉等，豬、牛、馬、羊、雞等家畜家禽的糞便，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有機(jī)廢水廢物（如豆制品的廢水、酒糟和糖渣

8、等），還有水生植物都可以作為沼氣發(fā)酵的原料。常用發(fā)酵原料的含水量.1適宜的料液濃度料液中干物質(zhì)含量的百分比為料液濃度。對沼氣池內(nèi)發(fā)酵料液濃度要求，隨季節(jié)變化而不同。在夏季，發(fā)酵料液濃度可以低些，要求濃度在 6% 左右；冬季濃度應(yīng)高一些，為 8%左右。發(fā)酵料液的濃度太低或太高，對產(chǎn)生沼氣都不利。因為濃度太低時，即含水量太多有機(jī)物相對減少，會降低沼氣池單位容積中的沼氣產(chǎn)量，不利于沼氣池的充分利用；濃度太高時，即含水量太少，不利于沼氣細(xì)菌的活動，發(fā)酵料液不易分解，使沼氣發(fā)酵受到阻礙，產(chǎn)氣慢而少。因此，一定要根據(jù)發(fā)酵料液含水量的不同，在進(jìn)料時加入相應(yīng)數(shù)量的水，使發(fā)酵料液的濃度適宜，以充分合理地利用發(fā)酵

9、料液和獲得比較穩(wěn)定的產(chǎn)氣率。配制發(fā)酵料液的濃度，要根據(jù)發(fā)酵原料的含水量和不同季節(jié)所要求的濃度，再加入一定量的水。當(dāng)沼氣池容積一定時，如果發(fā)酵原料加水量過多，發(fā)酵料液過稀，滯留期短，原料未經(jīng)充分發(fā)酵就被排出，這不但影響產(chǎn)氣，還浪費了發(fā)酵原料；如果加水量太少，發(fā)酵料液過濃，使有機(jī)酸聚積過多，發(fā)酵受阻，產(chǎn)氣率降低。3.3.3.2.產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速度與產(chǎn)氣率一般認(rèn)為，自然界的有機(jī)物質(zhì)除礦物油和木質(zhì)素外，都能被微生物發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，但不同有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)氣量是不同的，如下表所示。因為各種有機(jī)物質(zhì)分解的難易程度不同，所以產(chǎn)氣速度相差很大，如下表所示。3.3.4.適宜的酸堿度PH值是指發(fā)酵器內(nèi)料液的PH值，而不發(fā)酵

10、原料的PH值。沼氣微生物最適宜的PH值范圍是6.8-7.5。一般來說，當(dāng)PH值<6或>8時，沼氣發(fā)酵就要受到抑制，甚至停止產(chǎn)氣。建議采用測定揮發(fā)酸來控制投料量，這樣可以做到精確管理。在大中型沼氣工程中給發(fā)酵器投料時，要根據(jù)PH值來控制投料量，若投料量過多，形沖擊負(fù)荷，會造成產(chǎn)酸過多。在間斷投料時，料液的PH值應(yīng)在7上下為宜，當(dāng)PH低于6.8時，產(chǎn)甲烷菌的生命活動將受到抑制，正常發(fā)酵將遭到破壞。當(dāng)發(fā)酵器出現(xiàn)超負(fù)荷情況時，一方面停止進(jìn)料，一方面在必要時可以投加堿性物質(zhì) （如石灰水），提高發(fā)酵器內(nèi)的PH值，使發(fā)酵過程得到比較快的恢復(fù)。在投料以后PH值不應(yīng)低于6.5。當(dāng) PH值在<6

11、時，則應(yīng)大量投入接種物或重新進(jìn)行起動。3.3.5.添加劑和抑制劑許多物質(zhì)可以加速發(fā)酵過程，而有些物質(zhì)卻抑制發(fā)酵的進(jìn)行；還有些物質(zhì)在低濃度時有刺激發(fā)酵作用，而在高濃度時產(chǎn)生抑制作用。沼氣池內(nèi)揮發(fā)酸濃度過高 （中溫發(fā)酵0.2% 以上；高溫發(fā)酵0.36%以上）時，對發(fā)酵有阻抑作用；氨態(tài)氮濃度過高時，對沼氣發(fā)酵菌有抑制和殺傷作用；各種農(nóng)藥，特別是劇毒農(nóng)藥，都有極強(qiáng)的殺菌作用，即使微量也可使正常的沼氣發(fā)酵完全破壞。很多鹽類，特別是金屬離子，在適當(dāng)濃度時能刺激發(fā)酵過程，當(dāng)超過一定濃度時對發(fā)酵過程會產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。3.3.6.碳、氮、磷的比例發(fā)酵料液中的碳、氮、磷元素含量的比例，對沼氣生產(chǎn)有重要的影響。

12、研究工作表明，碳氮比以2030:1為佳；碳、氮、磷比例以10:4:0.8為宜。對于以生產(chǎn)農(nóng)副產(chǎn)品的污水為原料的，一般氮、磷含量均能超過規(guī)定比例下限，不需要另外投加。但對一些工業(yè)污水，如果氮、磷含量不足，應(yīng)補(bǔ)充到適宜值。3.3.7.接種物在發(fā)酵運行之初，要加入?yún)捬蹙鳛榻臃N物（亦稱為菌種）。在條件具備時，宜采用生態(tài)環(huán)境一致的厭氧污泥作為接種物。當(dāng)沒有適宜的接種物時，需要進(jìn)行菌種富集和培養(yǎng)，即選擇活性較強(qiáng)的污泥或是人畜糞便等，添加適量（菌種量的5%-10%）有機(jī)廢水或作物秸稈等，裝入可密封的容器內(nèi)，在適宜的條件下，重復(fù)操作，擴(kuò)大接種數(shù)量。沼氣發(fā)酵是沼氣微生物群分解代謝有機(jī)物產(chǎn)生沼氣的過程，沼氣微生

13、物像其它生物一樣，對環(huán)境有個適應(yīng)范圍。上述各項是沼氣微生物群維持正?；顒铀仨毜臈l件，只有滿足這些條件要求，沼氣發(fā)酵方能正常運行下去。3.4各種厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)參數(shù)一體兩項厭氧消化工藝適合處理固態(tài)秸稈類物料，也可處理混合原料。產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分別在不同反應(yīng)區(qū)中進(jìn)行頂部設(shè)置噴淋設(shè)備，底部設(shè)置滲濾液收集設(shè)施發(fā)酵器設(shè)置活性淤泥循環(huán)接種裝置，循環(huán)量控制在秸稈量的1-3倍秸稈粉碎在10mm左右，泵進(jìn)料濃度3-5%，發(fā)酵溫度在40±2，發(fā)酵周期在90天，產(chǎn)氣率0.8.全混合連續(xù)厭氧發(fā)酵工藝采用立式圓柱形發(fā)酵器或臥式厭氧發(fā)酵器，并帶有循環(huán)回流接種裝置歷史發(fā)酵器采用上部進(jìn)料，下不出料攪拌設(shè)備的能力在

14、5-10h內(nèi)將發(fā)酵器內(nèi)料液循環(huán)一次干秸稈粉碎直徑在0-10mm左右，泵進(jìn)料濃度4-6%，發(fā)酵溫度在38±2，發(fā)酵周期在40-50天，產(chǎn)氣率0.8.全混合自載體生物膜法厭氧發(fā)酵工藝采用立式或臥式厭氧發(fā)酵器，序批式進(jìn)料，內(nèi)設(shè)強(qiáng)化傳熱，傳熱攪拌裝置，保證自載體生物膜的形成和厭氧發(fā)酵秸稈粉碎直徑在10-30mm左右，泵進(jìn)料濃度8%，發(fā)酵溫度在35-38，發(fā)酵周期在40-45天4.氣體凈化工藝4.1.水洗工藝因為二氧化碳和硫化氫在水中的溶解度比甲烷大，所以水洗不但可以去除二氧化碳，還可以去除硫化氫，此吸收過程是純粹的物理反應(yīng)。通常沼氣通過壓縮后從吸收柱底部進(jìn)入，水從頂部進(jìn)入進(jìn)行反相流動吸收。因

15、為硫化氫在水中的溶解度比二氧化碳大，所以水洗也可以去除硫化氫。吸收了二氧化碳和硫化氫的水可以再生循環(huán)使用，可以在吸收柱中通過減壓或者用空氣吸脫再生，當(dāng)水中的硫化氫濃度比較高的時候，一般不推薦使用空氣吹脫，因為水很快又被硫污染。如果有廢水可以利用，不推薦對水進(jìn)行再生。4.2.聚乙二醇洗滌工藝聚乙二醇洗滌和水洗一樣，也是一個物理吸收過程。Selexol是一種溶劑的商品名，主要成分為二甲基聚乙烯乙二醇（DMPEG）。和在水中一樣，二氧化碳和硫化氫在Selexol中的溶解度比甲烷大，不同之處是二氧化碳和硫化氫在Selexol中溶解度比水中大，這樣需要Selexol的量也會減少，更加經(jīng)濟(jì)和節(jié)能。另外，水

16、和鹵化烴（填埋場沼氣中的成分）也可以elexol洗滌去除。Selexol可以再生重復(fù)使用，可以使用水蒸汽或者惰性氣體（凈化后的沼氣和天然氣）吹脫Selexol中的元素硫，但是不推薦使用空氣。4.3.碳分子篩工藝分子篩在分離沼氣中特定的氣體組成上是一種非常好的產(chǎn)品。通常，分子被松散地吸附在炭孔隙中，并且可以析出。通過不同的網(wǎng)孔大小或者壓力可進(jìn)行選擇性的吸收。當(dāng)壓力減小時，分子篩中吸收的化合物組分會釋放出來。所以這個過程常常被乘坐“變壓吸附（PSA）”?？梢杂媒固恐谱鞲挥形⒚准壙紫督Y(jié)構(gòu)的分子篩凈化沼氣.為了節(jié)省壓縮氣體的所需的能量，需要把一系列分子篩串聯(lián)在一起。氣體壓力從一組分子篩中釋放后加入接下

17、來的一組。通常是將四組排為一列，可以同時用來去除二氧化碳和水蒸汽。利用活性炭去除了硫化氫后，冷凝器在四攝氏度下冷凝去除之后，沼氣在6*10的5次方帕的壓力下通入吸收單元，通過第一個吸收柱后可以使沼氣中的水蒸汽分壓小于10ppm，甲烷含量超過96%以上。因為第二個柱子和第四個柱子壓力相通，而第二四個柱子是先被用來抽真空脫附的，所以二個柱子壓力從6*10的5次方pa釋放到接近3*10的五次方pa，在接著減至常壓，釋放出的氣體再返回消化罐中以回首甲烷。第三個柱子壓力從1*10的五次方減少到0.1*10的五次方pa，放出的氣體主要含有二氧化碳，并有少量甲烷，通常都直接排放，也可以設(shè)置一個回收裝置來回收

18、甲烷。可以用紅外檢測儀對第一個柱子分離的甲烷進(jìn)行在線連續(xù)檢測，如果不能滿足所需的沃泊指數(shù)（指在同一基準(zhǔn)條件下，單位容積燃?xì)獾母呶话l(fā)熱量與其相對密度的平方根的乘積，一般是各種燃?xì)饣旌蠚鈿赓|(zhì)的一個重要的度量指標(biāo)），氣體需要再進(jìn)行變壓吸附，如果甲烷含量足夠高的話，可以輸送進(jìn)天然氣網(wǎng)或者通過壓縮機(jī)壓縮至250*10的五次方pa進(jìn)行儲存。4.4.膜分離工藝膜法分離主要有兩種方法，一種是膜的兩邊都是氣相的高壓氣體分離；另一種是通過液體吸收擴(kuò)散穿過膜的分子的低壓氣相-液相吸收分離。（1）高壓氣相分離。壓縮到36*10的五次方pa的沼氣首先通過活性炭床以去除鹵化烴和硫化氫，接著便通入濾床和加熱器。膜是由醋酸纖維素制成，可以用來分離像二氧化碳、水蒸汽和殘留的硫化氫等極性分子，它有一定的選擇性，即在不同的區(qū)域吸收硫化氫和二氧化碳，但不能分離甲烷中的氮。經(jīng)驗表明，膜可以持續(xù)使用三年，在使用一年半后，因為萎縮的緣故，膜的滲透性會減少30%。（2）氣相-液相吸收膜分離。氣相-液吸收膜工藝最近才被用在沼氣凈化上，其實質(zhì)是沼氣中的硫化氫和二氧化碳分子穿過一個多孔的熟睡膜在液相中被吸收去除。從下方進(jìn)入的氣