CN105039421B - 一种玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，该方法包括如下步骤：步骤(1)玉米秸秆粉碎；步骤(2)调质增温；步骤(3)中温发酵；步骤(4)固液分离；步骤(5)水热处理；步骤(6)高温发酵；步骤(7)发酵剩余物换热及固液分离；步骤(8)沼渣烘干；步骤(9)沼气发电与余热利用。本发明相对于现有技术，采用中温发酵、水热处理、高温发酵相结合的沼气制备工艺，提高了原料的沼气产率，缩短了发酵周期；将中温发酵、水热处理、高温发酵的沼气制备工艺与沼气发电余热综合利用相结合，提高了玉米秸秆沼气制备效率，降低了***的综合能耗，根据沼气发电余热源的品位，进行梯级综合利用，***的热利用效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源开发领域，尤其涉及一种玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法。
背景技术
中国是一个农业大国，每年产生约8亿吨农作物秸秆，其中玉米秸秆产量最大，占总秸秆产量的40.6％。利用沼气发酵技术处理利用玉米秸秆，不仅可以产生高效、清洁的高品位能源，同时产生的沼渣和沼液还可以直接用作有机肥料，不失为一种行之有效的出路。沼气发酵技术本身是一种非常成熟的技术，利用该技术转化秸秆为新型能源，可以缓解我国常规能源紧张状况、提高农村人民的生活质量；另一方面，又可解决作物秸秆的出路问题，减少因其露天焚烧、乱堆乱置等带来的对环境不利影响。实际上，我国已经明确将秸秆沼气作为一项主要的可再生能源进行重点支持发展。
众所周知，由于秸秆等木质纤维原料自身的特点，例如，复杂难降解的木质纤维结构、较高的碳氮比、湿发酵容易上浮结壳，导致秸秆沼气发酵的稳定性及产气效率较低。针对上浮结壳，主要通过改进反应器结构来解决，例如公开专利CN 103103117 B、CN103374521 B等即通过改进反应器的原料进出口、搅拌方式来解决上浮结壳。针对较高的碳氮比，主要通过混合发酵的方式来解决，例如公开专利CN 101235388 B、CN 102732565 B等即通过添加含氮较多的粪便、酒蒸馏废液等与秸秆进行混合发酵来调整碳氮比。
针对复杂难降解的木质纤维结构，主要通过预处理来解决。一般来讲，用于减小原料尺寸的切碎、粉碎等机械预处理是必须的，这里讲的预处理方法主要指化学法、生物法、物理法等改变内部木质纤维结构的方法：
化学法主要采用酸、碱预处理，例如，公开专利CN 102154374 B、CN 102399825 B、CN 101691586 B、CN 101475964 B、CN 103740767 A等即采用硫酸、盐酸、尿素、氢氧化钠、有机酸、固体碱等进行化学预处理。化学预处理方法普遍存在设备腐蚀问题，且需要大量的水对预处理后的原料进行清洗或需要大量的酸碱进行中和。当用水进行清洗时，会损失溶解性有机质，当用酸碱中和时，又会产生大量的钠离子和氯离子，不仅可能抑制厌氧发酵，还可能造成环境污染，而且会影响沼渣的后续利用。以上问题严重影响了酸碱预处理在规模化秸秆沼气工程上的应用；
生物法主要采用酶或微生物进行预处理，由于酶的价格较高，而沼气的附加值还不是很高，因此，一般不考虑用酶来进行预处理，更多的是采用微生物来进行处理。例如，公开专利CN 1888073 B、CN 100487104 C、CN 102533609 B、CN 101486988 B等即通过木质纤维素降解菌来破化木质纤维结构。另外，公开专利CN 102586335 B、CN 102031276 B、CN102261004 B等进行生物-化学联合预处理。生物预处理虽然条件温和，没有腐蚀和二次污染，但是需要的处理时间较长，更为重要的是，由于微生物的自身代谢，需要消耗原料本身作为碳源，而且消耗掉的原料部分是很容易被降解利用的部分。因此，原料碳损失较为严重，大大降低了原料产气率；
物理法主要有水热处理和蒸汽***。水热处理即通过高温蒸汽破化木质纤维结构。蒸汽***是一种改进型的水热处理，利用高压蒸汽迅速升温，将原料和水或水蒸气等在高温、高压下(150～240℃)处理一定时间后，立即降至常温、常压，蒸汽***过程中,高压蒸汽渗入至纤维内部，以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来，使纤维发生一定的机械断裂，同时高温、高压加剧纤维素内部氢键的破坏，游离出新的羟基，纤维素内的有序结构发生变化，增加了纤维素的吸附能力。蒸汽***法对木质素去除率很低，并且经蒸汽***后的木质素对纤维素酶有着较高的非特定吸附，同时一些低聚糖类和断裂木质素会在冷却后沉淀黏附于纤维素表面，阻碍纤维素酶解。然而，由于水热处理和蒸汽***的能耗较高，而沼气的附加值不是很高，因此很少采用这种物理方法进行预处理。而且水热处理和蒸汽***处理过程，不仅能够破化真正的木质纤维结构，还会将原料中易降解的溶解性糖以及半纤维素降解后的单糖转化为糠醛、羟甲基糠醛等发酵抑制物，从而影响后续厌氧发酵。对于玉米秸秆，尤其是青绿玉米秸秆，原料中含有部分可溶性的糖类，如果直接进行水热处理，就会将这些可溶性糖类转化为糠醛、羟甲基糠醛等发酵抑制物。另外，原料中可溶性糖类以及容易生物降解的半纤维素的存在，会降低蒸汽直接与难降解纤维素和木质素结构的接触面积，从而降低水热处理的处理效率。
综上所述，有必要针对玉米秸秆的原料特点，开发一种综合能耗低、处理效率高、且对后续发酵无抑制的玉米秸秆预处理及沼气制备的新工艺。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种提高玉米秸秆沼气制备效率、降低***综合能耗的玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法。
本发明涉及一种玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，该方法包括如下步骤：玉米秸秆粉碎、调质增温、中温发酵、固液分离、水热处理、高温发酵、发酵剩余物换热及固液分离、沼渣烘干、沼气发电与余热利用，具体为：
步骤(1)玉米秸秆粉碎：将玉米秸秆粉碎；
步骤(2)调质增温：将高温发酵后发酵剩余物经固液分离得到的沼液回流，并将回流的沼液与所述粉碎后的玉米秸秆混合为混合物料，对所述混合物料进行加热增温；
步骤(3)中温发酵：将所述调质增温后的混合物料进行中温发酵；
步骤(4)固液分离：将中温发酵后的发酵剩余物进行固液分离，分离为液体和固渣；
步骤(5)水热处理：将固液分离后的固渣进行水热处理；
步骤(6)高温发酵：将水热处理后的固渣与固液分离后的液体混合后进行高温发酵；
步骤(7)发酵剩余物换热及固液分离：对所述高温发酵后发酵剩余物进行换热，通过换热回收发酵剩余物的热量，并将所述热量用于加热增温所述步骤(2)的混合物料，将换热后的高温发酵剩余物进行固液分离，分离为沼液和沼渣；
步骤(8)沼渣烘干：对所述高温发酵后发酵剩余物中的沼渣烘干，产生高温蒸汽，将所述高温蒸汽的热量用于所述步骤(5)水热处理；
步骤(9)沼气发电与余热利用：收集所述步骤(3)中温发酵和步骤(6)高温发酵后产生的沼气，净化后进行热电联产，利用沼气发电机组排出的高温烟气对所述步骤(8)的沼渣进行烘干，利用沼气发电机组中冷却水和缸套水中的热量对所述步骤(3)中温发酵的物料进行增温保温。
进一步地，该步骤(1)将玉米秸秆粉碎至粒径≤10mm。
更进一步地，该步骤(2)的混合物料中总固体质量百分含量≤15％。
更进一步地，步骤(3)中温发酵的发酵温度为35-40℃，混合物料停留时间为3-4天，其中青绿玉米秸秆优选为3天，干玉米秸秆优选为4天。
更进一步地，步骤(5)控制水热处理的温度为120-160℃，水热处理的时间为30分钟，水热处理的温度优选为140℃。
更进一步地，该步骤(6)高温发酵中的液体主要用来对水热处理后的固渣进行冷却，水热处理后固渣携带的热量用于维持高温发酵所需的温度。步骤(6)控制高温发酵的温度为50-55℃，物料停留时间12-25天，其中青绿玉米秸秆优选为12天，干玉米秸秆优选为25天。
相对于现有技术，本发明(1)采用中温发酵、水热处理、高温发酵相结合的沼气制备工艺，提高了原料的沼气产率，缩短了发酵周期；(2)先进行中温发酵再进行水热处理工艺避免了因直接对原料进行水热处理所产生的抑制物出现，且提高了水热处理的效率。原理为中温发酵将容易降解利用的可溶性糖类和半纤维素转化为甲烷，中温发酵后剩下的固形物主要是真正难降解的纤维素和木质素，此时再进行水热处理，水蒸汽可以直接作用于真正难降解的纤维素和木质素从而提高木质纤维结构的破坏程度。另外，中温发酵后容易降解利用的可溶性糖类和半纤维素已经被利用完，此时在进行水热处理就不会产生糠醛、呋喃等对后续发酵具有抑制作用的物质；(3)将中温发酵、水热处理、高温发酵的沼气制备工艺与沼气发电余热综合利用相结合，提高了玉米秸秆沼气制备效率，降低了***的综合能耗。根据沼气发电余热源的品位，进行梯级综合利用，***的热利用效率较高。
附图说明
图1是本发明玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用方法实施例的工艺流程图
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用方法实施例的工艺流程图，包括如下步骤：玉米秸秆粉碎、调质增温、中温发酵、固液分离、水热处理、高温发酵、发酵剩余物换热及固液分离、沼渣烘干、沼气发电与余热利用，具体为：
步骤(1)玉米秸秆粉碎：将收集的玉米秸秆粉碎至粒径≤10mm；
步骤(2)调质增温：将高温发酵剩余物固液分离后的沼液与粉碎后的玉米秸秆混合为混合物料，调节混合物料的总固体质量百分含量≤15％，同时，通过泥-水换热回收高温发酵剩余物的热量，将该热量用于上述混合物料增温；
步骤(3)中温发酵：将调质增温后的混合物料进行中温发酵，通过水-水换热回收沼气发电机组中的冷却水(50-60℃)和缸套水(85-95℃)的热量，将该热量用于中温发酵增温保温，控制中温发酵温度为35-40℃，物料停留时间为3-4天。其中，青绿玉米秸秆优选为3天，干玉米秸秆优选为4天；
步骤(4)固液分离：对完成中温发酵后的发酵剩余物进行固液分离，分离为液体和固渣两部分；
步骤(5)水热处理：将将固液分离后的固渣进行水热处理，水热处理的热量(蒸汽)采用来自于沼渣烘干所产生的高温蒸汽，控制水热处理的温度为120-160℃，优选为140℃，水热处理时间为30分钟；
步骤(6)高温发酵：将水热处理后的固渣与固液分离后的液体混合后进行高温发酵，液体主要用来对水热处理后的固渣进行热交换降温，同时，高温固渣携带的热量用于维持高温发酵所需的温度，控制高温发酵温度为50-55℃，物料停留时间为12-25天。其中，青绿玉米秸秆优选为12天，干玉米秸秆优选为25天；
步骤(7)发酵剩余物换热及固液分离：对高温发酵后的发酵剩余物进行换热，通过泥-水换热回收完成高温发酵后剩余物蕴藏的热量，并将该热量用于加热增温步骤(2)中粉碎后的玉米秸秆与沼液的混合物料；经换热后的高温发酵剩余物进行固液分离，分离为沼液和沼渣，其中沼液主要通过回流用于调节粉碎后玉米秸秆的总固体质量百分含量，多余的沼液排放，优先用于农业应用；
步骤(8)沼渣烘干：对高温发酵后发酵剩余物中的沼渣烘干，沼渣进行烘干用于生产固体有机肥，用于烘干沼渣的热量来自于沼气发电机组产生高温烟气(500-600℃)，高温烟气带走沼渣中的水份形成高温蒸汽，高温蒸汽的热量用于步骤(5)水热处理；
步骤(9)沼气发电与余热利用：收集步骤(3)中温发酵和步骤(6)高温发酵后产生的沼气，净化后进行热电联产。发电的同时会产生大量的余热，余热以三种形式存在：一是500-600℃的高温烟气，二是85-95℃的高温缸套水、三是50-60℃的中冷器和润滑油冷却水。对这三种不同热量品位的余热进行综合利用：沼气发电机组排出的高温烟气直接用于步骤(8)的沼渣进行烘干，并形成高温蒸汽，进而用作步骤(5)水热处理的蒸汽源；通过水-水换热依次回收沼气发电机组中中冷器和润滑油冷却水、高温缸套水的热量，并将该热量用于步骤(3)中温发酵物料的增温保温。
实施例一
7月份，收集刚刚收获青玉米(乳熟期的玉米)的青绿玉米秸秆50吨，玉米秸秆的固体含量(TS)为20％，挥发性固体含量(VS)为18％，将其粉碎至粒径≤10mm；添加来自于后端高温发酵剩余物固液分离后的沼液50吨，与玉米秸秆混合，调节混合物料的总固体质量百分含量为10％，此时混合物料温度约25℃，通过泥-水换热回收后端高温发酵剩余物的热量，并将该热量以热水的形式用于上述混合物料增温，增温至30℃；将增温后的上述混合物料进行中温发酵，通过水-水换热回收沼气发电机组中的冷却水(50℃)和缸套水(85℃)的热量，并将该热量以热水的形式用于中温发酵物料的增温保温，控制中温发酵的温度为40℃，物料停留时间3天；对完成中温发酵后的物料进行固液分离，分离为液体和固渣两部分；将固渣进行水热处理，水热处理的热量(蒸汽)采用来自于沼渣烘干所产生的高温蒸汽，控制水热处理的温度为120℃，水热处理时间为30分钟；将水热处理后的固渣与固液分离后的液体混合后进行高温发酵，液体主要用来对水热处理后的固渣进行热交换降温，同时，高温固渣携带的热量用于维持高温发酵所需的温度，控制高温发酵温度55℃，物料停留时间为12天；通过泥-水换热回收完成高温发酵后剩余物蕴藏的热量，并将该热量用于加热增温上述粉碎后玉米秸秆与沼液的混合物料；经换热后的高温发酵剩余物进行固液分离，分离为沼液和沼渣，将沼液中的50吨回流用于调节粉碎后玉米秸秆的总固体质量百分含量为10％，其余的沼液用作液体肥排放到农田；沼渣进行烘干用于生产固体有机肥，用于烘干沼渣的热量来自于沼气发电机组产生高温烟气(500℃)，高温烟气带走沼渣中的水份形成高温蒸汽，高温蒸汽用于上述水热处理；收集中温发酵和高温发酵产生的沼气1860m3和4434m3，共计5770m3，原料产气率为617m3/tVS；净化后进行热电联产，采用进口发电机组，发电效率为2.2kW·h/m3沼气，发电量为12694kW·h，发电的同时会产生大量的余热，余热以三种形式存在：一是500℃左右的高温烟气，二是85℃左右的高温缸套水，三是50℃的中冷器和润滑油冷却水；对这三种不同热量品位的余热进行综合利用，高温烟气直接用于烘干沼渣并形成高温蒸汽，进而用作水热处理的蒸汽源；通过水-水换热依次回收中冷器和润滑油冷却水、高温缸套水的热量，并将该热量用于中温发酵物料的增温保温。
实施例二
9月份，收集刚刚收获干玉米(完全成熟的玉米)的玉米秸秆30吨，玉米秸秆的固体含量(TS)为35％，挥发性固体含量(VS)为30％，将其粉碎至粒径≤10mm；添加来自于后端高温发酵剩余物固液分离后的沼液57.5吨，与玉米秸秆混合，调节混合物料的总固体质量百分含量12％，此时混合物料温度约20℃，通过泥-水换热回收后端高温发酵剩余物的热量，并将该热量以热水的形式用于上述混合物料增温，增温至28℃；将增温后的上述混合物进行中温发酵，通过水-水换热回收沼气发电机组中的冷却水(55℃)和缸套水(90℃)的热量，并将该热量以热水的形式用于中温发酵物料的增温保温，控制中温发酵温度为37℃，物料停留时间为3.5天；对完成中温发酵后的物料进行固液分离，分离为液体和固渣两部分；将固渣进行水热处理，水热处理的热量(蒸汽)采用来自于沼渣烘干所产生的高温蒸汽，控制水热处理的温度为140℃，水热处理时间为30分钟；将水热处理后的固渣与固液分离后的液体混合后进行高温发酵，液体主要用来对水热处理后的固渣进行热交换降温，高温固渣携带的热量用于维持高温发酵所需的温度，控制高温发酵温度为53℃，物料停留时间19天；通过泥-水换热回收完成高温发酵后剩余物蕴藏的热量，并将该热量用于加热增温上述粉碎后玉米秸秆与沼液的混合物料；经换热后的高温发酵剩余物进行固液分离，分离为沼液和沼渣，将沼液中的57.5吨回流用于调节粉碎后玉米秸秆的总固体质量百分含量为12％，其余的沼液用作液体肥排放到农田；沼渣进行烘干用于生产固体有机肥，用于烘干沼渣的热量来自于沼气发电机组产生高温烟气(550℃)，高温烟气带走沼渣中的水份形成高温蒸汽，高温蒸汽用于上述水热处理；收集中温发酵和高温发酵产生的沼气1200m3和3300m3，共计4500m3，原料产气率为500m3/tVS；净化后进行热电联产，采用国外发电机组，发电效率为2.0kW·h/m3沼气，发电量为9000kW·h，发电的同时会产生大量的余热，余热以三种形式存在：一是550℃的高温烟气，二是90℃的高温缸套水、三是55℃的中冷器和润滑油冷却水；对这三种不同热量品位的余热进行综合利用，高温烟气直接用于烘干沼渣并形成高温蒸汽，进而用于水热处理的蒸汽源；通过水-水换热依次回收中冷器和润滑油冷却水、高温缸套水的热量，并将该热量用于中温发酵物料的增温保温。
实施例三
12月份，收集风干晾晒后储存的干玉米秸秆11吨，玉米秸秆的固体含量(TS)为90％，挥发性固体含量(VS)为82％，将其粉碎至粒径≤10mm；添加来自于后端高温发酵剩余物固液分离后的沼液55吨，与玉米秸秆混合，调节混合物料的总固体质量百分含量15％，此时混合物料温度约15℃，通过泥-水换热回收后端高温发酵剩余物的热量，并将该热量以热水的形式用于上述混合物料增温，增温至25℃；将增温后的上述混合物料进行中温发酵，通过水-水换热回收沼气发电机组中的冷却水(60℃)和缸套水(95℃)的热量，并将该热量以热水的形式用于中温发酵物料的增温保温，控制中温发酵温度35℃，物料停留时间4天；对完成中温发酵后的物料进行固液分离，分离为液体和固渣两部分；将固渣进行水热处理，水热处理的热量(蒸汽)采用来自于沼渣烘干所产生的高温蒸汽，控制水热处理的温度为160℃，水热处理时间为30分钟；将水热处理后的固渣与固液分离后的液体混合后进行高温发酵，液体主要用来对水热处理后的固渣进行热交换降温，高温固渣携带的热量用于维持高温发酵所需的温度，控制高温发酵温度为50℃，物料停留时间25天；通过泥-水换热回收完成高温发酵后剩余物蕴藏的热量，并将该热量用于加热增温上述粉碎后玉米秸秆与沼液的混合物料；经换热后的高温发酵剩余物进行固液分离，分离为沼液和沼渣，将全部沼液55吨回流用于调节粉碎后玉米秸秆的总固体质量百分含量为15％；沼渣进行烘干用于生产固体有机肥，用于烘干沼渣的热量来自于沼气发电机组产生高温烟气(600℃)，高温烟气带走沼渣中的水份形成高温蒸汽，高温蒸汽用于上述水热处理；收集中温发酵和高温发酵产生的沼气900m3和3150m3，共计4050m3，原料产气率为450m3/tVS；净化后进行热电联产，采用国产发电机组，发电效率为1.8kW·h/m3沼气，发电量为7290kW·h，发电的同时会产生大量的余热，余热以三种形式存在：一是600℃的高温烟气，二是95℃的高温缸套水、三是60℃的中冷器和润滑油冷却水；对这三种不同热量品位的余热进行综合利用，高温烟气直接用于烘干沼渣并形成高温蒸汽，进而用于水热处理的蒸汽源；通过水-水换热依次回收中冷器和润滑油冷却水、高温缸套水的热量，并将该热量用于中温发酵物料的增温保温。
以上介绍了一种玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法。本发明并不限定于以上实施例。任何未脱离本发明技术方案，即仅仅对其进行本领域普通技术人员所知悉的改进或变更，均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：玉米秸秆粉碎、调质增温、中温发酵、固液分离、水热处理、高温发酵、发酵剩余物换热及固液分离、沼渣烘干、沼气发电与余热利用，具体为：
步骤(1)玉米秸秆粉碎：将玉米秸秆粉碎；
步骤(2)调质增温：将高温发酵后发酵剩余物经固液分离得到的沼液回流，并将回流的沼液与所述粉碎后的玉米秸秆混合为混合物料，对所述混合物料进行加热增温；
步骤(3)中温发酵：将所述调质增温后的混合物料进行中温发酵；
步骤(4)固液分离：将中温发酵后的发酵剩余物进行固液分离，分离为液体和固渣；
步骤(5)水热处理：将固液分离后的固渣进行水热处理；
步骤(6)高温发酵：将水热处理后的固渣与固液分离后的液体混合后进行高温发酵；
步骤(7)发酵剩余物换热及固液分离：对所述高温发酵后发酵剩余物进行换热，通过换热回收发酵剩余物的热量，并将所述热量用于加热增温所述步骤(2)的混合物料，将换热后的高温发酵剩余物进行固液分离，分离为沼液和沼渣；
步骤(8)沼渣烘干：对所述高温发酵后发酵剩余物中的沼渣烘干，产生高温蒸汽，将所述高温蒸汽的热量用于所述步骤(5)水热处理；步骤(9)沼气发电与余热利用：收集所述步骤(3)中温发酵和步骤(6)高温发酵后产生的沼气，净化后进行热电联产，利用沼气发电机组排出的高温烟气对所述步骤(8)的沼渣进行烘干，利用沼气发电机组中冷却水和缸套水中的热量对所述步骤(3)中温发酵的物料进行增温保温。
2.如权利要求1所述的玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，其特征在于，所述步骤(1)将玉米秸秆粉碎至粒径≤10mm。
3.如权利要求2所述的玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，其特征在于，所述步骤(2)的混合物料中总固体质量百分含量≤15％。
4.如权利要求3所述的玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，其特征在于，所述步骤(3)中温发酵的发酵温度为35-40℃，混合物料停留时间为3-4天。
5.如权利要求4所述的玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，其特征在于，所述步骤(5)控制水热处理的温度为120-160℃，水热处理的时间为30分钟。
6.如权利要求5所述的玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，其特征在于，所述水热处理的温度为140℃。
7.如权利要求6所述的玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，其特征在于，所述步骤(6)控制高温发酵的温度为50-55℃，物料停留时间12-25天。
8.如权利要求7所述的玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，其特征在于，所述步骤(3)中温发酵混合物料停留时间青绿玉米秸秆为3天，干玉米秸秆为4天。
9.如权利要求8所述的玉米秸秆沼气制备耦合发电余热利用的方法，其特征在于，所述步骤(6)高温发酵物料停留时间青绿玉米秸秆为12天，干玉米秸秆为25天。
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