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生物质沼气工程

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生物质沼气工程

  • 所属分类:生物质沼气

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  • 发布日期:2015/08/20
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详细介绍

项目背景

 我国是一个农业大国,耕地面积超过了18亿亩,每年有大量的秸秆产生。据调查,2009年,全国农作物秸秆理论资源量为8.20亿吨(风干,含水量为15%)。从品种上看,稻草约为2.05 亿吨,占理论资源量的25%;麦秸为1.50 亿吨,占18.3%;玉米秸为2.65 亿吨,占32.3%;棉秆为2584 万吨,占3.2%;油料作物秸秆(主要为油菜和花生)为3737 万吨,占4.6%;豆类秸秆为2726 万吨,占3.3%;薯类秸秆为2243 万吨,占2.7%。如此巨量的生物质秸秆,由于没有很好的技术来利用,大部分仍被废弃与焚烧处理,不仅造成了令人痛心的资源浪费,也给环境(大气、水质和土壤)的恶化带来了不可低估的影响严重污染了当地的水、土、气,造成生态环境恶化、农产品品质下降并危及人体健康,也严重影响着规模化农牧业的可持续发展;另一方面,我国正面临着巨大的能源与环境压力,矿物能源的资源却在日益耗尽。可再生能源的开发、环境资源的保护就显得十分重要。

我国每年农业秸秆产量巨大,大量的秸秆一方面给回收、处置带来负担,常常还会导致系列环境问题,而另一方面又可以作为宝贵的可再生资源,在能源、现代农业、化工、材料领域发挥重要作用。

秸秆焚烧在目前许多地方普遍存在,是一种浪费资源、导致环境问题的现象。秸秆焚烧能排放出大量二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等有毒有害气体,也可排放大量颗粒物,加剧空气污染,形成雾霾,危害人民健康;同时,在农田就地焚烧秸秆,破坏土壤结构,造成农田质量下降;秸秆焚烧会将地表土壤中的微生物烧死,腐殖质、有机质被矿化,田间焚烧秸秆破坏了这套生物系统的平衡,改变了土壤的物理性状,加重了土壤板结,破坏了地力,加剧了干旱,农作物的生长因而受到影响;秸秆焚烧排放的烟雾可致能见度降低,影响正常的交通秩序、严重的话还可以造成飞机航班延误。

秸秆焚烧造成环境污染的新闻屡见报道,实际上秸秆除了焚烧处理外,现有利用方式主要有压块燃料、秸秆还田、秸秆饲料、全混发酵等。

秸秆压块用于锅炉、火力发电等原料,曾经一度被认为是解决秸秆问题较好的出路,也有地区提倡秸秆压块以后作为替代燃煤做为燃料。然而,现有的生物质压块燃料大多没有经过脱硫脱硝处理,一旦燃烧秸秆中的硫、氮元素变成二氧化硫、氮氧化物释放到大气中,造成空气污染。近年来有专家提出,秸秆压块燃料燃烧释放的二氧化硫、氮氧化物是造成PM2.5物质增加的因素之一。2014年8月4日北京市政府下发了《北京市高污染燃料禁燃区划定方案(试行)》,规定在市政府划定的禁止销售、使用高污染燃料的区域内的单位和个人要在市政府规定的期限内停用高污染燃料,改用电、天然气、液化石油气或其他清洁能源。文件中规定的高污染燃料包括了各种可燃废物和直接燃用的生物质燃料(树木、秸秆、锯末、稻壳、蔗渣等),以及除生物气化利用外其他加工成型的生物质燃料。可见秸秆压块燃料与秸秆焚烧一样,会造成环境污染。所以,秸秆压块燃料要想获得发展,须经脱硫脱硝处理。

秸秆还田是非常古老的一种秸秆处置的方法,被普遍认为是处理农业秸秆比较环保又能被作为肥料利用的手段。然而,近年来这种方法所存在的问题逐步被人们所认识。例如,秸秆粉碎还田一般在秋末开始,由于整个冬天气温低,秸秆腐烂降解速度缓慢,来年春耕播种时秸秆尚未完全降解转化成为腐殖酸等,肥力没有形成,还造成土壤有空隙,种子不能很好落地,导致农作物出苗下降;另外,没有腐蚀和熟化的秸秆,会使秸秆中的病虫害被埋入土壤,加重来年土地病虫害,造成作物减产等后果。同时,许多地方为了弥补秸秆还田带来的病虫害和减产问题,农民普遍多施化肥、多用农药,导致环保问题和食品中农药残余量增加,给食品安全带来隐患。事实上,秸秆还田是一个秸秆在陆地土壤下的自然厌氧发酵过程,秸秆腐烂过程会释放大量二氧化碳、甲烷等温室气体,加重温室效应,因此,秸秆还田所造成的温室效应也不能小觑。

秸秆饲料化是一种低碳、环保的处理方法,也是解决冬天牲畜饲料的一种方法,然而,秸秆用于饲料生产的比例还较低,不能解决秸秆回收处置的最终问题。

秸秆全混发酵方法是将8%-15%粉碎的秸秆与水混合后加入发酵罐体中,经微生物厌氧作用产生沼气。然而,此法存在诸多弊端:①为使罐体中的秸秆分散均匀,需加搅拌装置,一旦搅拌装置失灵,秸秆沉积在底部,影响厌氧发酵效果;②罐体内沼液表面易形成钙化物质,在罐体中形成结块,长期积累造成气体难以通过,甚至影响罐体使用寿命;③罐体内秸秆残渣清除费时费力,若长期不清理造成罐体报废;④目前这种工艺大多存在冬天难以持续产气的问题。

有以上背景资料可见,秸秆传统的利用方法存在许多弊端,只有通过技术创新、改进才能真正实现秸秆资源化利用,才能将秸秆转化成能源、化工、农业系列产品,这也是秸秆高值利用的发展趋势。

为加快推进秸秆综合利用,实现秸秆的资源化、商品化,促进资源节约、环境保护和农民增收,提出了秸秆综合利用的目标任务、重点和政策措施,2008年国务院办公厅印发了《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》(国办发[2008]105号)。近年来政府又相继出台了《农业部办公厅关于开展政府向经营性服务组织购买农业公益性服务机制创新试点工作的通知》、《2015年农村沼气工程转型升级工作方案》等政策措施,鼓励、支持农业秸秆等废弃物的转化利用技术的发展。

在政府政策推动下,未来一段时间内,秸秆资源化利用产业将得到高速发展。

本项目解决的问题

1.工业糖浆的提取与利用

青鲜的玉米秸秆中还有大量蔗糖,本项目利用植物源头分解富集装置,将青鲜玉米秸秆中的蔗糖有效提出处理,可作为生产酒精的原料。

2.高浓度碳水化合物的提取与利用

秸秆经生物厌氧发酵制取沼气的过程中,微生物利用的是秸秆中的碳水化合物物质。本项目所用植物源头分解富集装置可将农林废弃物中的有效成分分解、富集、分离,形成高浓度碳水化合物溶液。此溶液通入厌氧发酵罐体,可提高产气效率。

3.连续产气

本项目发酵原料用高浓度碳水化合物溶液替代粉碎秸秆,直接将高浓度碳水化合物溶液通入罐体发酵。此方法优点:(1)罐体内为溶液,有利于搅拌和均匀分散,有利于沼液沼渣的排出;(2)罐体内溶液表面不会形成钙化物,有利于沼气的排出,不会因钙化物脱落致使罐体报废,所以延长罐体使用寿命;(3)罐体内高浓度碳水化合物溶液的通入和沼液沼渣的排出可连续进行,实现连续产气,提高了产气效率。

本项目的社会环境效益

1、社会效益

本项目建成后,提供一种能够实现农林废弃物综合利用、环保的处理方法,既解决了农村农林废弃物综合处理问题,又为农村提供了一种新的能源,避免了传统处理方法所带来的环境污染、空气污染以及对健康的危害,变废为宝,可达到资源化、减量化与循环化的目的。

当地农民可通过与本项目合作增加收入,按照秸秆收购价100/吨、每年处理3600万吨秸秆计算,本项目可为当地农民增加36万元收入。

另外,沼液沼渣的还田使用可提高农田土壤肥力,提高作物产量,促进农民增产增收。

2)节能效益

本项目新建沼气工程,每年利用可再生能源发电36.28万度,相当于替代燃煤发电所用标煤120吨,减少燃煤发电排放的二氧化碳314.4吨、二氧化硫1020kg、氮氧化物888kg

(3)生态环境效益

本项目沼气发电可替代一小部分燃煤发电,减少二氧化碳等温室气体的排放,减少环境污染。

本项目的实施一方面减少了焚烧农林废弃物处理所带来的环境危害,提供一种能够实现农林废弃物综合利用、节能、环保的有机废弃物处理方法,提供了一种农村农林废弃物资源化处理的方法;一方面沼液、沼渣可还田,促进农民增产增收。沼液、沼渣中含有大量腐殖质,调节土壤的水分、温度、空气和肥效,适时满足作物生长发育的需要,并可改良土壤,提高作物产量;沼液还可调节土壤的酸碱度,形成土壤的团粒结构,延长和增进肥效,提高土壤的通透性,促进水分迅速进入植物体,并有催芽、促进根系发育等作用。它们在保持和提高土壤肥力的效果上远远超过化肥。同时,沼液还是高效的叶面肥,具有较强的抗病虫害的作用。沼渣还可作为鱼塘饵料,提高鱼塘产量。沼液、沼渣的利用可减少化肥农药的使用,减少农业面源污染。

综上,本项目社会效益、环境效益显著。

本项目工艺流程图

生物质沼气

生物质沼气

秸秆预处理常用方法介绍

目前国内外秸秆预处理技术常用的方法主要包括:物理法、化学法、生物法等。

物理法主要包括机械加工、辐射处理以及蒸汽爆破等。

常用的机械加工有震动磨、辊筒、高温球磨、切碎、打浆等。目的在于增加厌氧微生物与基质的接触面积,或通过破坏细胞壁结构使之易于消化。对农作物秸秆进行机械加工,木质素和半纤维素与纤维素的结合层被破坏,半纤维素、纤维素和木质素的聚合度降低,纤维素的结晶构造改变。机械加工可以提高反应性能和提高水解糖化率,有利于酶解过程中纤维素酶或木质素酶的进攻。粉碎后的物料成分的量并不发生变化,但被粉碎的物料没有膨胀性,体积小,可以提高基质浓度,水解可以得到较高浓度的糖液。机械加工处理提高糖化率的程度有限,缺点是能耗大,其能耗占工艺过程总能耗的50%~60%。

高能辐射处理是提高对酶的接受能力、提高酸水解速度最为有效的物理预处理方法之一。电离辐射的作用,一方面是使纤维素降聚,结晶度下降,分子量的分布特性改变,使其分子量分布比普通纤维素更集中;另一方面是使纤维素的结构松散,并影响到纤维素的晶体结构,从而使纤维素的活性增加,可及度提高。在粘胶纤维、醋酸纤维等生产过程中,广泛采用高能射线如电子射线、γ-射线来对纤维素原料进行预处理,以获得所期望的纤维素聚合度和增加纤维素的活性,以减少溶解用或反应用化学药品造成的废水、环境等的污染。与其它预处理方法相比,高能辐射处理具有减少生产费用、缩短工艺流程、不污染环境等优点,在粘胶纤维和醋酸纤维生产中显示出越来越重要的作用。随着人们环保意识的增强,辐射处理技术必将在纤维素研究领域里得到更广泛的应用。

蒸汽爆破最初是用于植物纤维的高效分离,即用于纸浆过程,由Mason于1927年首先提出并取得专利。使用水蒸汽处理纤维物料的优点是无须添加酸或者碱等化学药品。这种方法处理的效果与原料的孔隙度有关,纤维素形态结构和超分子结构的变化程度取决于原料的孔隙度。天然纤维素的孔隙度按针叶木、阔叶木、棉短绒的顺序依次递减,因此,木浆比棉短绒类纤维更易被蒸汽爆破改变形态及性能。蒸汽处理过的样品,其反应性能大大增加,约为碱处理样品的4~6倍,为水洗样品的10~12倍,提高了化学试剂和酶试剂的可及度。另外,利用蒸汽爆破技术可以获得完全溶解于NaOH的碱溶性纤维素,改变了传统的粘胶生产工艺,可以大幅度简化工艺,减轻了传统工艺对环境的污染。蒸汽爆破除了应用于碱溶性纤维素的制备外,在纤维素的衍生化和功能化的研究领域作为预处理活化手段的研究并不多见。随着研究的深入,相信这一技术将会得到更广泛的应用。

微波是一种新型节能、无温度梯度的加热技术,已成功应用于有机化学、无机化学及高分子化学等领域。在密闭容器中用频率为2450MHz的微波处理红松、山毛榉、甘蔗渣、稻草和花生壳,发现糖化率随温度的上升而增大。而随着超声设备的普及与发展,超声波在化学化工应用研究中也得到迅速发展。研究表明,微波和超声波能加速纤维素的碱化反应,可以大大改善高碘酸高选择性氧化纤维素的反应条件。

化学预处理法主要有无机酸、碱和有机溶剂等方法。其机理主要是使纤维素、半纤维素和木质素吸胀并破坏其结晶性,使其溶解并降解,从而增加其可消化性,具有以下特点:a)无机酸碱法使纤维素和半纤维素损失较大,收率只有50%,而且强酸、强碱预处理后,存在着试剂的回收、中和、洗涤等问题;b)有机溶剂可以完全地溶解木质素,对纤维素生物量预处理效果好,处理后的禾本植物转化率可达99%,并且易回收,但同时又存在腐蚀和毒性等问题的限制,由于会造成环境污染,成为难于大规模应用于预处理的主要原因;c)形成的产物多种多样,如纤维糊精、纤维二糖、葡萄糖、葡聚糖等,产品得率低。

秸秆生物质的酸水解处理可以在较温和的条件下,使其中的半纤维素分解为戊糖类化合物,这样可以降低植物纤维素原料中的半纤维素的含量,一般不能使其中的木质素发生降解,同时酸处理后需要中和后再进行酶水解,处理费用要高于蒸汽爆破。在100 L的不锈钢釜中对纤维素物料进行预处理的研究实验结果表明,半纤维素能被有效的水解,纤维素的可消化度达80%,高装料量(10%~15%)和大至1 mm的物料粒度不影响处理效果,但高温所致的某些分解物对后续发酵不利,而采用离子交换法除去分解物又将增大生产成本。

碱预处理就是利用木质素能够溶解于碱性溶液的特点,将NaOH、Ca(OH)2或KOH等溶液浸泡秸秆或喷洒于生物质表面。碱处理机理在于OH-能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢键及皂化半纤维素和木质素分子之间的酯键。稀NaOH处理引起木质纤维原料润胀,结果导致内部表面积增加,聚合度降低,结晶度下降,木质素和碳水化合物之间化学键断裂,木质素结构受到破坏。碱处理木质纤维原料的效果主要取决于原料中的木质素含量。

氨解是另一种通过除去木质素提高纤维素原料水解效率的预处理方法,同时通过氨解可以使纤维素的晶型与结晶度发生变化,聚合度降低,可及度增加。在纤维素衍生化过程中,用液氨处理可以提高可及度及反应性;在纺织工业中,液氨处理可在不损伤织物的情况下改善织物的性质;在制浆过程中,木片用液氨润胀处理,可以产生机械磨浆和匀浆的作用,纤维损伤少,又可以降低能耗;在造纸生产中,用液氨对纸进行后处理,可以改善纸的干、湿强度。Lyer等报道,通过氨的回收过滤循环工艺可以脱去植物纤维素原料中60~80%的木质素,使植物纤维原料的水解率增加。氨解预处理的效果虽然显著,但成本相对较高。

采用其它化学试剂进行适当的预处理,也能够对纤维素可及度及反应性能的提高有一定作用。例如用ZnCl2处理,可以提高纤维素酶水解速率和产率、提高纤维素的接枝率。胺类试剂如甲胺、乙胺等对棉纤维素也有消晶作用,可以提高纤维素酯化反应的反应活性。苏茂尧等发现,水-丙酮-氢氧化钠、乙二胺-丙酮、助剂LV-385-氢氧化钠等体系,可以使纤维素顺序下降,结晶结构破坏,可及度提高。Isogai等在研究纤维素的非水溶剂过程中发现,二氧化硫-二乙胺-二甲亚砜体系可以作为纤维素的溶剂来制备无定形纤维素,与用机械粉碎制得的无定形纤维素不稳定、很快发生重结晶过程不同,这种方法制备的无定形纤维素对水绝对稳定。Awadel等人研究了用有机溶剂如丙酮纯化处理纤维素过程中氢键的变化。结果发现,由于丙酮能够渗透到纤维素材料内部,又具有氢键受体的潜能,通过其吸引纤维素分子内和分子间的氢键,可导致纤维素立体化学结构的巨大变化,其结果是使纤维素分子氢键的持久性减弱或破坏,从而使纤维素的可及度增大。因此,认为丙酮也是纤维素的润胀剂。

生物法就是利用具有强木质纤维素降解能力的微生物对秸秆先进行固态发酵,把秸秆中的木质纤维素预先降解成易于厌氧菌消化的简单物质,以缩短随后的厌氧发酵时间、提高干物质消化率和产气率。生物法的技术关键就是寻找强木质素降解能力的菌种,并确定其适宜的发酵条件。生物方法预处理能耗低,操作简单,不污染环境,适合用于农业纤维素原料的饲料化处理,但其缺点是处理周期长,处理效率不高。

由此可见,农业秸秆的单一预处理方法存在效率低、能耗大等缺点。农业秸秆预处理技术正向多级化、几种技术耦合一体化方向发展。

农业废弃物秸秆等生物质主要成分为纤维素、半纤维素以及木质素,具有木质纤维结构致密、稳定的特点,因此生物质的预处理是其高效利用的关键和重要的第一步,关系到秸秆转化利用后续步骤的成败。我们曾应用酸碱、蒸汽爆破等技术对小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆等进行过预处理,并且得到了一定效果。然而,单一的预处理方法总是存在着这样或者那样的缺点和不足。

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