CN110184307A - 一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，包括对生物质秸秆进行汽爆预处理工序，汽爆预处理后的生物质与水混合配浆形成酸化反应液，酸化反应液导入酸化反应器，酸化反应器内产生有机酸，然后将有机酸提取至消化反应器进行厌氧消化，产生沼气。设计新颖，采用蒸汽***预处理技术，对生物质秸秆进行预处理,且选用纯秸秆适用的厌氧菌，最终获得甲烷含量高、成分单一的清洁沼气，是一种很好的创新方案，很有市场推广前景。
Description
技术领域
本发明涉及沼气能源制备方法，特别是涉及操作方便的一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法。
背景技术
我国作为世界上最大的农业国之一，据国家***数据显示，2010年全国产生了约8.27亿吨的农作物秸秆和36亿吨的畜禽粪便，如果将这些农业废弃物通过厌氧发酵的方式转化，可以产生3408亿立方米的生物沼气，足弥补全国农村户用沼气短缺的现状。目前国内外的现有技术主要为粉碎后的秸秆作为部分的原料，与畜禽粪便混合发酵，并通过相对较长的发酵时间(通常为30-90天完全发酵完成)产出沼气。中国专利CN 104878045B公开了一种汽爆秸秆与牛粪两相混合厌氧发酵产沼气的方法，专利CN 1403396A公开了周期刺激秸秆和城市垃圾进行固态发酵沼气的方法，专利CN 101392270A公开了利用稻壳生产天然气的生产工艺。但是通过研究分析发现，均存在以下不足：
1).预处理消耗能量大；2).***启动周期长；
3).***运行稳定性差；4).发酵时间长；
5).单相发酵工艺简单，效率较低；两相发酵效率高，但生产工艺复杂；
6).沼气成分复杂，燃烧利用前需进行提纯，增加了使用成本，影响装置的经济性。
综上所述，针对现有技术的缺陷，特别需要一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，以解决现有技术的不足。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，影响实际中的使用，本发明提出一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，设计新颖，采用蒸汽***预处理技术，对生物质秸秆进行预处理,且选用纯秸秆适用的厌氧菌，最终获得甲烷含量高、成分单一的清洁沼气，已解决现有技术的缺陷。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，包括对生物质秸秆进行汽爆预处理工序，汽爆预处理后的生物质与水混合配浆形成酸化反应液，酸化反应液导入酸化反应器，酸化反应器内产生有机酸，然后将有机酸提取至消化反应器进行厌氧消化，产生沼气。
进一步：汽爆预处理的生物质的方法为：将生物质粉碎至1-10cm长，干秸秆的汽爆预处理压力为1.5-2.3MPa，保压时间2-4分钟；青贮或新鲜的秸秆汽爆预处理压力为1.8-2.5MPa，保压时间1-3分钟。
进一步，所述酸化反应液内固体含量为6-12％。
进一步，所述酸化反应器中的水力停留时间为2-6天，酸化反应器产生有机酸的pH≤5，将有机酸提取后，通过连续泵输送至消化反应器，产生甲烷含量为60％-75％的清洁沼气。
进一步，所述有机酸输送至消化反应器进行厌氧消化，厌氧消化反应启动时，在消化反应器中加入反应液质量10-25％的厌氧菌污泥作为接种物，发酵温度控制在33-37℃；消化反应器中的初始反应液C:N比控制在25-30：1。
进一步，消化反应器的清液收集后用水稀释至pH≤7.2，清液收集用于汽爆预处理的生物质配浆。
进一步，整体工艺稳定后，每个酸化周期为2-6天，蒸汽***预处理补充到酸化反应器的生物质为20-50gTS/L/d，同时每个周期从酸化反应器底部排出酸化后的所有固体生物质残渣。
进一步，酸化反应器与消化反应器的体积比为0.3-2.5：1。
进一步，生物质秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、玉米芯。
本发明的有益效果是：设计新颖，实现了纯生物质秸秆的厌氧发酵利用，发酵周期短，效率高，***启动快，运行稳定性高；产气组分单一清洁，为后续沼气或生物天然气加工利用打下很好的基础，变相提升了整个工艺装置的经济性，是一种很好的创新方案，很有市场推广前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：
图1为本发明的工艺流程图；
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1，采用蒸汽***预处理技术，对生物质秸秆进行预处理，选用优选的纯秸秆适用性厌氧菌，然后经过双相发酵，即酸化反应结合消化反应，在数天内发酵完全，高效快速的将纤维素、半纤维素转化成甲烷含量高、成分单一的清洁沼气。
将汽爆预处理后的生物质(玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、玉米芯等)与水混合配浆，在酸化反应器中产生有机酸。然后将有机酸提取至消化反应器进行厌氧消化，产生沼气，汽爆预处理的生物质通过下法获得：将生物质粉碎至1-10cm长，干秸秆的汽爆预处理压力为1.5-2.3MPa，保压时间2-4分钟；青贮或新鲜的秸秆汽爆预处理压力为1.8-2.5MPa，保压时间1-3分钟；汽爆后的生物质加水配浆，形成固含量为6-12％的酸化反应液，在酸化反应器内产生pH≤5的有机酸液；在酸化反应器中的水力停留时间为2-6天。将有机酸提取后，连续输送至消化反应器进行厌氧消化，产生甲烷含量为60％-75％的清洁沼气。
厌氧消化反应启动时，在消化反应器中加入反应液质量10-25％的厌氧菌污泥作为接种物，发酵温度控制在33-37℃；消化反应器中的初始反应液C:N比控制在25-30：1。
消化反应器的清液收集后用水稀释至pH≤7.2后用于汽爆预处理的生物质配浆；
在整体工艺稳定后，每个酸化周期(2-6天/周期)通过蒸汽***预处理补充到酸化反应器20-50gTS/L/d的生物质，同时每个周期从酸化反应器底部排出酸化后的所有固体生物质残渣，酸化反应器与消化反应器的体积比为0.3-2.5：1，所述的生物质秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、玉米芯等。
本发明所述的纯生物质两相厌氧发酵产生清洁沼气方法，沼气中甲烷含量较高，体积百分数达至65％以上，且气体成分单一，除CH4、CO2、H2O外，其他气体组分含量极低，不含H2S，可直接供民用或工业使用。沼气产气量(基于消化反应器)可达到3.5-6.5m3/m3/d。
本发明纯生物质两相厌氧发酵产生清洁沼气方法，酸化、消化***启动快、发酵周期短、产气率高。
实施例：
采用干玉米芯为原料，汽爆条件为1.8MPa，保压时间120s。汽爆后的玉米芯与水(消化清液+自来水，pH≤7.2)混合配浆，浆料TS的含量为8％，送入酸化反应器。酸化反应液体积为0.5m3，经过72小时的酸化反应后，将酸化反应液压滤，滤渣再经过水洗，将所得酸液收集后，连续泵入消化反应器中进行厌氧消化反应。消化反应液为酸化反应液体积的2倍。约0.5m3的酸液分3天平均泵入消化反应器，与此同时，随着沼气的夹带和消化反应器的溢流，平均排出相同量的消化清液。将此清液收集并调节其pH值备下次生物质配浆时使用。
整个工艺***运行平稳时，每3天加投干玉米芯30kg,并时同时排出相应的沼渣(酸化残渣)。按此方法连续平稳运行3个月，共处理干玉米芯0.9吨，得到的产气量为330ml/gTS,沼气中的甲烷含量(平均)达到63％，除二氧化碳、水以外，只含微量的其他有机气体，不含硫化氢气体。沼气成分稳定且清洁，可直接燃烧利用。若进一步提纯获取生物天然气，工艺设备及运行成本也可大大降低。
沼渣含水保湿能力强，且无其他化学品或有害病菌的侵入，经检测为优良的有机肥基料。
本发明优点在于：
采用先进的两相发酵技术：通过工艺控制，将酸化反应与酸化反应相对独立分开，两相之间仅有液相(有机酸液)的相互交流，使用酸化和消化两个***各自独立的高效运行，且***稳定性大大提高。
仅使用纯秸秆为原料，沼气组分稳定且清洁：在没有其他原料，如畜禽粪便、生活污水、其他有机废水、酸碱化学品等，的加入下保证发酵的效率。在整个***中，没有带入其他的杂质和病菌，使沼气和沼渣的成份稳定单一且清洁。同时沼液(消化清液)在内部循环也不会产生杂质的累积浓缩问题。
通过蒸汽***预处理技术，生物质的主成分(纤维素、半纤维素、木质素)被深度处理。使用其可以快速(2-6天的发酵周期)高效的进行自酸化反应，产生大量的有机酸液。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，包括对生物质秸秆进行汽爆预处理工序，其特征在于：汽爆预处理后的生物质与水混合配浆形成酸化反应液，酸化反应液导入酸化反应器，酸化反应器内产生有机酸，然后将有机酸提取至消化反应器进行厌氧消化，产生沼气。
2.根据权利要求1所述一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，其特征在于：汽爆预处理的生物质的方法为：将生物质粉碎至1-10cm长，干秸秆的汽爆预处理压力为1.5-2.3MPa，保压时间2-4分钟；青贮或新鲜的秸秆汽爆预处理压力为1.8-2.5MPa，保压时间1-3分钟。
3.根据权利要求1所述一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，其特征在于：所述酸化反应液内固体含量为6-12％。
4.根据权利要求1所述一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，其特征在于：所述酸化反应器中的水力停留时间为2-6天，酸化反应器产生有机酸的pH≤5，将有机酸提取后，通过连续泵输送至消化反应器，产生甲烷含量为60％-75％的清洁沼气。
5.根据权利要求1所述一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，其特征在于：所述有机酸输送至消化反应器进行厌氧消化，厌氧消化反应启动时，在消化反应器中加入反应液质量10-25％的厌氧菌污泥作为接种物，发酵温度控制在33-37℃；消化反应器中的初始反应液C:N比控制在25-30：1。
6.根据权利要求1所述一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，其特征在于：消化反应器的清液收集后用水稀释至pH≤7.2，清液收集用于汽爆预处理的生物质配浆。
7.根据权利要求1所述一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，其特征在于：整体工艺稳定后，每个酸化周期为2-6天，蒸汽***预处理补充到酸化反应器的生物质为20-50gTS/L/d，同时每个周期从酸化反应器底部排出酸化后的所有固体生物质残渣。
8.根据权利要求1所述一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，其特征在于：酸化反应器与消化反应器的体积比为0.3-2.5：1。
9.根据权利要求1所述一种纯秸秆两相厌氧发酵产清洁沼气的方法，其特征在于：生物质秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、玉米芯。
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| 朱瑾等: "不同因素对秸秆两相厌氧消化的影响", 《农业工程学报》 * |
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