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  秸杆沼气  
  新技术助推秸秆沼气产业化  
发布时间:2010-1-25 9:38:13   
  

  

 

                                                    

                                                                                  被丢弃在田间的秸秆

以秸秆为原料生产沼气,原料来源充足、分布广泛,不受时间和空间限制,不产生沼液、焦油、废水和废气等污染物,可实现秸秆的完全生态循环和高效利用。它不仅可以解决我国大量秸秆的环境污染问题,还可为我国的沼气生产开辟新的大宗原料来源,为在更大规模和更大范围推广沼气提供原料保障,为正在深入发展的社会主义新农村建设服务,具有十分广阔的推广应用前景。

    发展秸秆沼气:必要性与优势

    大量废弃秸秆导致日益严重的环境污染问题,迫切需要寻求新的出路。我国是世界上最大的农业生产国,种植业在农业生产中占据着十分重要的位置。种植业每年产生各类作物秸秆约7亿吨,其中有约50%未得到有效的处理和利用。这不但浪费了资源,而且由于大量秸秆的露天焚烧,导致严重的大气污染,并引发火灾和影响高速公路与民航的运行安全。秸秆的处理与利用是我国农村面临的主要的资源环境问题之一,因此迫切需要寻找新的利用途径。为此2007年,农业部把秸秆沼气生产技术列为我国农业和农村“十大节能减排技术”之首。

    农村沼气生产遇到原料供给瓶颈,需要开辟利用秸秆资源。在农村沼气方面,目前全国已建成户用沼气池2200多万口,建成畜禽养殖场大中型沼气工程2000多处,年产沼气70多亿立方米。计划到2010年,全国建设户用沼气4000万户,到2015年达6000万户。目前我国沼气生产主要利用的是畜禽粪便,但畜禽粪便无法、也不足以保证原料的供给和上述目标的实现。首先,养殖场呈“点”分布,而用户呈“面”分布,在没有养殖场的地方,就没有了原料来源,也就无法生产沼气。其次,可收集的畜禽粪便的产量不足以生产如此巨大数量的沼气。而秸秆分布在我国广大的种植区域,呈“面”分布,来源广泛,数量巨大,不存在原料来源问题,可就地获得、就地建厂和就地服务于民。因此,在我国广大的农村大规模推广沼气,实现沼气生产目标,就必须开辟和利用秸秆资源。

    现有技术存在不足,需要研发新的秸秆能源转化技术。目前,秸秆在农村能源方面的应用主要有直接燃烧、致密成型燃料、热解气化、燃烧发电、生产燃料乙醇等。其中,秸秆致密成型燃料和热解气化技术(也就是通常所说的“气化”)在我国推广较普遍,是目前秸秆能源化利用的主要途径,其他技术尚未在农村推广应用。秸秆致密成型燃料易于储存和运输,可以取代煤、燃气等作为民用燃料进行炊事、取暖等,也可用于供热、发电等,是解决秸秆资源浪费和污染的一项重要技术手段。对秸秆热解气化技术,我国从1990年初就已开始大力推广,并已有大规模的应用。但在推广过程中发现许多问题,如需在高温下进行,投入能量大,能效比低;产生焦油,二次污染严重;产生的可燃气热值低,可利用效率低;投资较大、管理和运行费用高等。因此近年来,各地已陆续限制该技术的推广。可见,现有技术不是本身存在问题,就是处理能力有限,不足以用于消化如此数量的秸秆。因此研究和开发新的、更好的秸秆能源转化技术,就成为迫切需求。

    与其他原料相比,秸秆沼气技术具有许多优点。与常用的生产原料——畜禽粪便相比。①秸秆分布广泛,原料充足,可彻底解决沼气生产原料问题。②秸秆含水率低,产生的沼渣呈固态,可直接作为有机肥料使用。沼液可用于下个批次发酵料的水分调节,完全没有沼液的排放,是符合循环经济要求的清洁生产过程。而畜禽粪便含水率高,产生的沼渣、沼液难以处理和利用,常未经处理就排放了,对环境造成二次污染,因而不能从根本上解决环境污染问题。③秸秆可长期贮存,运输方便,价格较便宜。而畜禽粪便不便于、也不能长期存放,运输不方便。

    与热解气化技术相比。①秸秆沼气技术是生物学过程,反应条件温和,可在常温下发酵,最高发酵温度也不会超过55℃。能源投入产出效益高,便于生产管理,更适于实际生产应用。而热解气化是一个热化学反应过程,至少需要在400℃以上温度进行,高温投入能量大,能效比低,也不容易控制和进行管理,在农村应用难度较大。②秸秆沼气是环境友好的清洁生产过程。秸秆沼气的产物是清洁能源——沼气和有机肥料,不产生任何有害副产品(如热解气化产生的焦油等),可实现废弃物的零排放。③秸秆沼气技术是资源高效利用技术。通过秸秆沼气可获得可再生能源——沼气,产生的沼渣可用来生产有机肥料,从而实现秸秆的完全资源化转化和资源的高效利用。④秸秆沼气产生的沼气热值高、品位好。热解气化产生的可燃气热值只有沼气热值的50%~60%,且品位低,贮存、输送效率低,不便于使用。

    因此,利用秸秆为原料生产沼气是实现秸秆高效、清洁利用的有效途径。

    秸秆沼气生产关键技术

    秸秆沼气技术就是我们通常所说的厌氧发酵技术。厌氧发酵生产沼气技术已被广泛地用于人畜粪便、食品废物和有机生活垃圾等的处理和能源化转化。但是,由于秸秆的木质纤维素含量高、消化率低、产气量少,因此秸秆常作为人畜粪便厌氧发酵的配料使用,在以秸秆为主原料生产沼气方面的研究一直很少。由于秸秆的物料特性与常规物料(如畜禽粪便)有明显的不同,因此要投入实际生产,还有一些关键技术问题需要解决。这些关键技术包括:

    简单、快速、高效的秸秆化学预处理技术。秸秆的木质纤维素含量较高,不易被厌氧菌消化,厌氧发酵产气量低、经济效益差,这是导致秸秆不能够被大规模用于沼气生产的主要原因。解决的方法就是在厌氧发酵前,对秸秆进行物理、化学或生物预处理,预先把秸秆转化成易于消化的“食料”,来提高秸秆的生物消化性能、产气率和经济性。常温、固态氢氧化钠化学预处理技术,可使秸秆的产气量提高50%~120%以上,使秸秆的产气率超过牛粪的产气率。固态化学预处理不产生任何废液,没有任何环境问题,在常温下进行,处理方法简单,处理成本低。为以秸秆为原料规模化生产沼气提供了前提。

    适合秸秆物料特性的高效厌氧发酵反应器。秸秆的密度小、体积大、且不具有流动性,无法连续进料、出料和进行连续的厌氧发酵。因此,现有用于畜禽粪便生产沼气的反应器都无法直接用于秸秆的沼气生产。针对秸秆的物料特性,创新性地设计出了秸秆厌氧发酵专用卧式反应器。该反应器采用卧式布置,带有强化搅拌装置,可大大提高发酵料与微生物之间的传热、传质效果,显著提高发酵效率;采用批式厌氧消化,进料、出料完全机械化,自动化程度高。

    秸秆发酵工艺及参数优化。由于秸秆的物理化学性质及其生物降解特性的不同,秸秆厌氧消化和一般物料(如畜禽粪便等)的厌氧消化工艺和参数有很大的不同。通过多年的试验研究,确定了秸秆厌氧消化工艺和主要参数,包括为改善秸秆的可生物消化性能增加的化学预处理过程;由于进料、出料困难,采用批式或半连续进料、出料,发酵工艺相应地采用批式或半连续方式; 确定了秸秆的消化时间和有机负荷率低等。

    工程应用

    在农业部可再生能源处的支持下,利用北京化工大学研究出的秸秆化学预处理技术、专用高效反应器技术和消化工艺, 2001年在山东省泰安市建成了我国第一个完全以秸秆为原料的厌氧消化生产沼气的集中供气示范项目。该项目发酵罐总容积500m3 , 年可消化玉米秸秆190吨,生产沼气4.8万m3,生产有机肥料190吨,可为全村160户农户提供生活用能。经过3年多的实际运行,证明完全满足实际生产的需要,并通过了农业部组织的验收。2006年,农业部又支持在黑龙江农垦海林农场建设了一个3000m3的以稻草和麦秸为原料的秸秆沼气工程。2007年,北京市又利用该技术在顺义区建成了一个1000m3的以玉米秸秆为原料的集中供气工程,可为300户的村庄提供生活用能。

  以秸秆为原料生产沼气,原料来源充足、分布广泛,不受时间和空间限制,不产生沼液、焦油、废水和废气等污染物,可实现秸秆的完全生态循环和高效利用。它不仅可以解决我国大量秸秆的环境污染问题,还可为我国的沼气生产开辟新的大宗原料来源,为在更大规模和更大范围推广沼气提供原料保障,为正在深入发展的社会主义新农村建设服务,具有十分广阔的推广应用前景。

    发展秸秆沼气:必要性与优势

    大量废弃秸秆导致日益严重的环境污染问题,迫切需要寻求新的出路。我国是世界上最大的农业生产国,种植业在农业生产中占据着十分重要的位置。种植业每年产生各类作物秸秆约7亿吨,其中有约50%未得到有效的处理和利用。这不但浪费了资源,而且由于大量秸秆的露天焚烧,导致严重的大气污染,并引发火灾和影响高速公路与民航的运行安全。秸秆的处理与利用是我国农村面临的主要的资源环境问题之一,因此迫切需要寻找新的利用途径。为此2007年,农业部把秸秆沼气生产技术列为我国农业和农村“十大节能减排技术”之首。

    农村沼气生产遇到原料供给瓶颈,需要开辟利用秸秆资源。在农村沼气方面,目前全国已建成户用沼气池2200多万口,建成畜禽养殖场大中型沼气工程2000多处,年产沼气70多亿立方米。计划到2010年,全国建设户用沼气4000万户,到2015年达6000万户。目前我国沼气生产主要利用的是畜禽粪便,但畜禽粪便无法、也不足以保证原料的供给和上述目标的实现。首先,养殖场呈“点”分布,而用户呈“面”分布,在没有养殖场的地方,就没有了原料来源,也就无法生产沼气。其次,可收集的畜禽粪便的产量不足以生产如此巨大数量的沼气。而秸秆分布在我国广大的种植区域,呈“面”分布,来源广泛,数量巨大,不存在原料来源问题,可就地获得、就地建厂和就地服务于民。因此,在我国广大的农村大规模推广沼气,实现沼气生产目标,就必须开辟和利用秸秆资源。

    现有技术存在不足,需要研发新的秸秆能源转化技术。目前,秸秆在农村能源方面的应用主要有直接燃烧、致密成型燃料、热解气化、燃烧发电、生产燃料乙醇等。其中,秸秆致密成型燃料和热解气化技术(也就是通常所说的“气化”)在我国推广较普遍,是目前秸秆能源化利用的主要途径,其他技术尚未在农村推广应用。秸秆致密成型燃料易于储存和运输,可以取代煤、燃气等作为民用燃料进行炊事、取暖等,也可用于供热、发电等,是解决秸秆资源浪费和污染的一项重要技术手段。对秸秆热解气化技术,我国从1990年初就已开始大力推广,并已有大规模的应用。但在推广过程中发现许多问题,如需在高温下进行,投入能量大,能效比低;产生焦油,二次污染严重;产生的可燃气热值低,可利用效率低;投资较大、管理和运行费用高等。因此近年来,各地已陆续限制该技术的推广。可见,现有技术不是本身存在问题,就是处理能力有限,不足以用于消化如此数量的秸秆。因此研究和开发新的、更好的秸秆能源转化技术,就成为迫切需求。

    与其他原料相比,秸秆沼气技术具有许多优点。与常用的生产原料——畜禽粪便相比。①秸秆分布广泛,原料充足,可彻底解决沼气生产原料问题。②秸秆含水率低,产生的沼渣呈固态,可直接作为有机肥料使用。沼液可用于下个批次发酵料的水分调节,完全没有沼液的排放,是符合循环经济要求的清洁生产过程。而畜禽粪便含水率高,产生的沼渣、沼液难以处理和利用,常未经处理就排放了,对环境造成二次污染,因而不能从根本上解决环境污染问题。③秸秆可长期贮存,运输方便,价格较便宜。而畜禽粪便不便于、也不能长期存放,运输不方便。

    与热解气化技术相比。①秸秆沼气技术是生物学过程,反应条件温和,可在常温下发酵,最高发酵温度也不会超过55℃。能源投入产出效益高,便于生产管理,更适于实际生产应用。而热解气化是一个热化学反应过程,至少需要在400℃以上温度进行,高温投入能量大,能效比低,也不容易控制和进行管理,在农村应用难度较大。②秸秆沼气是环境友好的清洁生产过程。秸秆沼气的产物是清洁能源——沼气和有机肥料,不产生任何有害副产品(如热解气化产生的焦油等),可实现废弃物的零排放。③秸秆沼气技术是资源高效利用技术。通过秸秆沼气可获得可再生能源——沼气,产生的沼渣可用来生产有机肥料,从而实现秸秆的完全资源化转化和资源的高效利用。④秸秆沼气产生的沼气热值高、品位好。热解气化产生的可燃气热值只有沼气热值的50%~60%,且品位低,贮存、输送效率低,不便于使用。

    因此,利用秸秆为原料生产沼气是实现秸秆高效、清洁利用的有效途径。

    秸秆沼气生产关键技术

    秸秆沼气技术就是我们通常所说的厌氧发酵技术。厌氧发酵生产沼气技术已被广泛地用于人畜粪便、食品废物和有机生活垃圾等的处理和能源化转化。但是,由于秸秆的木质纤维素含量高、消化率低、产气量少,因此秸秆常作为人畜粪便厌氧发酵的配料使用,在以秸秆为主原料生产沼气方面的研究一直很少。由于秸秆的物料特性与常规物料(如畜禽粪便)有明显的不同,因此要投入实际生产,还有一些关键技术问题需要解决。这些关键技术包括:

    简单、快速、高效的秸秆化学预处理技术。秸秆的木质纤维素含量较高,不易被厌氧菌消化,厌氧发酵产气量低、经济效益差,这是导致秸秆不能够被大规模用于沼气生产的主要原因。解决的方法就是在厌氧发酵前,对秸秆进行物理、化学或生物预处理,预先把秸秆转化成易于消化的“食料”,来提高秸秆的生物消化性能、产气率和经济性。常温、固态氢氧化钠化学预处理技术,可使秸秆的产气量提高50%~120%以上,使秸秆的产气率超过牛粪的产气率。固态化学预处理不产生任何废液,没有任何环境问题,在常温下进行,处理方法简单,处理成本低。为以秸秆为原料规模化生产沼气提供了前提。

    适合秸秆物料特性的高效厌氧发酵反应器。秸秆的密度小、体积大、且不具有流动性,无法连续进料、出料和进行连续的厌氧发酵。因此,现有用于畜禽粪便生产沼气的反应器都无法直接用于秸秆的沼气生产。针对秸秆的物料特性,创新性地设计出了秸秆厌氧发酵专用卧式反应器。该反应器采用卧式布置,带有强化搅拌装置,可大大提高发酵料与微生物之间的传热、传质效果,显著提高发酵效率;采用批式厌氧消化,进料、出料完全机械化,自动化程度高。

    秸秆发酵工艺及参数优化。由于秸秆的物理化学性质及其生物降解特性的不同,秸秆厌氧消化和一般物料(如畜禽粪便等)的厌氧消化工艺和参数有很大的不同。通过多年的试验研究,确定了秸秆厌氧消化工艺和主要参数,包括为改善秸秆的可生物消化性能增加的化学预处理过程;由于进料、出料困难,采用批式或半连续进料、出料,发酵工艺相应地采用批式或半连续方式; 确定了秸秆的消化时间和有机负荷率低等。

    工程应用

    在农业部可再生能源处的支持下,利用北京化工大学研究出的秸秆化学预处理技术、专用高效反应器技术和消化工艺, 2001年在山东省泰安市建成了我国第一个完全以秸秆为原料的厌氧消化生产沼气的集中供气示范项目。该项目发酵罐总容积500m3 , 年可消化玉米秸秆190吨,生产沼气4.8万m3,生产有机肥料190吨,可为全村160户农户提供生活用能。经过3年多的实际运行,证明完全满足实际生产的需要,并通过了农业部组织的验收。2006年,农业部又支持在黑龙江农垦海林农场建设了一个3000m3的以稻草和麦秸为原料的秸秆沼气工程。2007年,北京市又利用该技术在顺义区建成了一个1000m3的以玉米秸秆为原料的集中供气工程,可为300户的村庄提供生活用能。

以秸秆为原料生产沼气,原料来源充足、分布广泛,不受时间和空间限制,不产生沼液、焦油、废水和废气等污染物,可实现秸秆的完全生态循环和高效利用。它不仅可以解决我国大量秸秆的环境污染问题,还可为我国的沼气生产开辟新的大宗原料来源,为在更大规模和更大范围推广沼气提供原料保障,为正在深入发展的社会主义新农村建设服务,具有十分广阔的推广应用前景。

    发展秸秆沼气:必要性与优势

    大量废弃秸秆导致日益严重的环境污染问题,迫切需要寻求新的出路。我国是世界上最大的农业生产国,种植业在农业生产中占据着十分重要的位置。种植业每年产生各类作物秸秆约7亿吨,其中有约50%未得到有效的处理和利用。这不但浪费了资源,而且由于大量秸秆的露天焚烧,导致严重的大气污染,并引发火灾和影响高速公路与民航的运行安全。秸秆的处理与利用是我国农村面临的主要的资源环境问题之一,因此迫切需要寻找新的利用途径。为此2007年,农业部把秸秆沼气生产技术列为我国农业和农村“十大节能减排技术”之首。

    农村沼气生产遇到原料供给瓶颈,需要开辟利用秸秆资源。在农村沼气方面,目前全国已建成户用沼气池2200多万口,建成畜禽养殖场大中型沼气工程2000多处,年产沼气70多亿立方米。计划到2010年,全国建设户用沼气4000万户,到2015年达6000万户。目前我国沼气生产主要利用的是畜禽粪便,但畜禽粪便无法、也不足以保证原料的供给和上述目标的实现。首先,养殖场呈“点”分布,而用户呈“面”分布,在没有养殖场的地方,就没有了原料来源,也就无法生产沼气。其次,可收集的畜禽粪便的产量不足以生产如此巨大数量的沼气。而秸秆分布在我国广大的种植区域,呈“面”分布,来源广泛,数量巨大,不存在原料来源问题,可就地获得、就地建厂和就地服务于民。因此,在我国广大的农村大规模推广沼气,实现沼气生产目标,就必须开辟和利用秸秆资源。

    现有技术存在不足,需要研发新的秸秆能源转化技术。目前,秸秆在农村能源方面的应用主要有直接燃烧、致密成型燃料、热解气化、燃烧发电、生产燃料乙醇等。其中,秸秆致密成型燃料和热解气化技术(也就是通常所说的“气化”)在我国推广较普遍,是目前秸秆能源化利用的主要途径,其他技术尚未在农村推广应用。秸秆致密成型燃料易于储存和运输,可以取代煤、燃气等作为民用燃料进行炊事、取暖等,也可用于供热、发电等,是解决秸秆资源浪费和污染的一项重要技术手段。对秸秆热解气化技术,我国从1990年初就已开始大力推广,并已有大规模的应用。但在推广过程中发现许多问题,如需在高温下进行,投入能量大,能效比低;产生焦油,二次污染严重;产生的可燃气热值低,可利用效率低;投资较大、管理和运行费用高等。因此近年来,各地已陆续限制该技术的推广。可见,现有技术不是本身存在问题,就是处理能力有限,不足以用于消化如此数量的秸秆。因此研究和开发新的、更好的秸秆能源转化技术,就成为迫切需求。

    与其他原料相比,秸秆沼气技术具有许多优点。与常用的生产原料——畜禽粪便相比。①秸秆分布广泛,原料充足,可彻底解决沼气生产原料问题。②秸秆含水率低,产生的沼渣呈固态,可直接作为有机肥料使用。沼液可用于下个批次发酵料的水分调节,完全没有沼液的排放,是符合循环经济要求的清洁生产过程。而畜禽粪便含水率高,产生的沼渣、沼液难以处理和利用,常未经处理就排放了,对环境造成二次污染,因而不能从根本上解决环境污染问题。③秸秆可长期贮存,运输方便,价格较便宜。而畜禽粪便不便于、也不能长期存放,运输不方便。

    与热解气化技术相比。①秸秆沼气技术是生物学过程,反应条件温和,可在常温下发酵,最高发酵温度也不会超过55℃。能源投入产出效益高,便于生产管理,更适于实际生产应用。而热解气化是一个热化学反应过程,至少需要在400℃以上温度进行,高温投入能量大,能效比低,也不容易控制和进行管理,在农村应用难度较大。②秸秆沼气是环境友好的清洁生产过程。秸秆沼气的产物是清洁能源——沼气和有机肥料,不产生任何有害副产品(如热解气化产生的焦油等),可实现废弃物的零排放。③秸秆沼气技术是资源高效利用技术。通过秸秆沼气可获得可再生能源——沼气,产生的沼渣可用来生产有机肥料,从而实现秸秆的完全资源化转化和资源的高效利用。④秸秆沼气产生的沼气热值高、品位好。热解气化产生的可燃气热值只有沼气热值的50%~60%,且品位低,贮存、输送效率低,不便于使用。

    因此,利用秸秆为原料生产沼气是实现秸秆高效、清洁利用的有效途径。

    秸秆沼气生产关键技术

    秸秆沼气技术就是我们通常所说的厌氧发酵技术。厌氧发酵生产沼气技术已被广泛地用于人畜粪便、食品废物和有机生活垃圾等的处理和能源化转化。但是,由于秸秆的木质纤维素含量高、消化率低、产气量少,因此秸秆常作为人畜粪便厌氧发酵的配料使用,在以秸秆为主原料生产沼气方面的研究一直很少。由于秸秆的物料特性与常规物料(如畜禽粪便)有明显的不同,因此要投入实际生产,还有一些关键技术问题需要解决。这些关键技术包括:

    简单、快速、高效的秸秆化学预处理技术。秸秆的木质纤维素含量较高,不易被厌氧菌消化,厌氧发酵产气量低、经济效益差,这是导致秸秆不能够被大规模用于沼气生产的主要原因。解决的方法就是在厌氧发酵前,对秸秆进行物理、化学或生物预处理,预先把秸秆转化成易于消化的“食料”,来提高秸秆的生物消化性能、产气率和经济性。常温、固态氢氧化钠化学预处理技术,可使秸秆的产气量提高50%~120%以上,使秸秆的产气率超过牛粪的产气率。固态化学预处理不产生任何废液,没有任何环境问题,在常温下进行,处理方法简单,处理成本低。为以秸秆为原料规模化生产沼气提供了前提。

    适合秸秆物料特性的高效厌氧发酵反应器。秸秆的密度小、体积大、且不具有流动性,无法连续进料、出料和进行连续的厌氧发酵。因此,现有用于畜禽粪便生产沼气的反应器都无法直接用于秸秆的沼气生产。针对秸秆的物料特性,创新性地设计出了秸秆厌氧发酵专用卧式反应器。该反应器采用卧式布置,带有强化搅拌装置,可大大提高发酵料与微生物之间的传热、传质效果,显著提高发酵效率;采用批式厌氧消化,进料、出料完全机械化,自动化程度高。

    秸秆发酵工艺及参数优化。由于秸秆的物理化学性质及其生物降解特性的不同,秸秆厌氧消化和一般物料(如畜禽粪便等)的厌氧消化工艺和参数有很大的不同。通过多年的试验研究,确定了秸秆厌氧消化工艺和主要参数,包括为改善秸秆的可生物消化性能增加的化学预处理过程;由于进料、出料困难,采用批式或半连续进料、出料,发酵工艺相应地采用批式或半连续方式; 确定了秸秆的消化时间和有机负荷率低等。

    工程应用

    在农业部可再生能源处的支持下,利用北京化工大学研究出的秸秆化学预处理技术、专用高效反应器技术和消化工艺, 2001年在山东省泰安市建成了我国第一个完全以秸秆为原料的厌氧消化生产沼气的集中供气示范项目。该项目发酵罐总容积500m3 , 年可消化玉米秸秆190吨,生产沼气4.8万m3,生产有机肥料190吨,可为全村160户农户提供生活用能。经过3年多的实际运行,证明完全满足实际生产的需要,并通过了农业部组织的验收。2006年,农业部又支持在黑龙江农垦海林农场建设了一个3000m3的以稻草和麦秸为原料的秸秆沼气工程。2007年,北京市又利用该技术在顺义区建成了一个1000m3的以玉米秸秆为原料的集中供气工程,可为300户的村庄提供生活用能。

 

以秸秆为原料生产沼气,原料来源充足、分布广泛,不受时间和空间限制,不产生沼液、焦油、废水和废气等污染物,可实现秸秆的完全生态循环和高效利用。它不仅可以解决我国大量秸秆的环境污染问题,还可为我国的沼气生产开辟新的大宗原料来源,为在更大规模和更大范围推广沼气提供原料保障,为正在深入发展的社会主义新农村建设服务,具有十分广阔的推广应用前景。

    发展秸秆沼气:必要性与优势

    大量废弃秸秆导致日益严重的环境污染问题,迫切需要寻求新的出路。我国是世界上最大的农业生产国,种植业在农业生产中占据着十分重要的位置。种植业每年产生各类作物秸秆约7亿吨,其中有约50%未得到有效的处理和利用。这不但浪费了资源,而且由于大量秸秆的露天焚烧,导致严重的大气污染,并引发火灾和影响高速公路与民航的运行安全。秸秆的处理与利用是我国农村面临的主要的资源环境问题之一,因此迫切需要寻找新的利用途径。为此2007年,农业部把秸秆沼气生产技术列为我国农业和农村“十大节能减排技术”之首。

    农村沼气生产遇到原料供给瓶颈,需要开辟利用秸秆资源。在农村沼气方面,目前全国已建成户用沼气池2200多万口,建成畜禽养殖场大中型沼气工程2000多处,年产沼气70多亿立方米。计划到2010年,全国建设户用沼气4000万户,到2015年达6000万户。目前我国沼气生产主要利用的是畜禽粪便,但畜禽粪便无法、也不足以保证原料的供给和上述目标的实现。首先,养殖场呈“点”分布,而用户呈“面”分布,在没有养殖场的地方,就没有了原料来源,也就无法生产沼气。其次,可收集的畜禽粪便的产量不足以生产如此巨大数量的沼气。而秸秆分布在我国广大的种植区域,呈“面”分布,来源广泛,数量巨大,不存在原料来源问题,可就地获得、就地建厂和就地服务于民。因此,在我国广大的农村大规模推广沼气,实现沼气生产目标,就必须开辟和利用秸秆资源。

    现有技术存在不足,需要研发新的秸秆能源转化技术。目前,秸秆在农村能源方面的应用主要有直接燃烧、致密成型燃料、热解气化、燃烧发电、生产燃料乙醇等。其中,秸秆致密成型燃料和热解气化技术(也就是通常所说的“气化”)在我国推广较普遍,是目前秸秆能源化利用的主要途径,其他技术尚未在农村推广应用。秸秆致密成型燃料易于储存和运输,可以取代煤、燃气等作为民用燃料进行炊事、取暖等,也可用于供热、发电等,是解决秸秆资源浪费和污染的一项重要技术手段。对秸秆热解气化技术,我国从1990年初就已开始大力推广,并已有大规模的应用。但在推广过程中发现许多问题,如需在高温下进行,投入能量大,能效比低;产生焦油,二次污染严重;产生的可燃气热值低,可利用效率低;投资较大、管理和运行费用高等。因此近年来,各地已陆续限制该技术的推广。可见,现有技术不是本身存在问题,就是处理能力有限,不足以用于消化如此数量的秸秆。因此研究和开发新的、更好的秸秆能源转化技术,就成为迫切需求。

    与其他原料相比,秸秆沼气技术具有许多优点。与常用的生产原料——畜禽粪便相比。①秸秆分布广泛,原料充足,可彻底解决沼气生产原料问题。②秸秆含水率低,产生的沼渣呈固态,可直接作为有机肥料使用。沼液可用于下个批次发酵料的水分调节,完全没有沼液的排放,是符合循环经济要求的清洁生产过程。而畜禽粪便含水率高,产生的沼渣、沼液难以处理和利用,常未经处理就排放了,对环境造成二次污染,因而不能从根本上解决环境污染问题。③秸秆可长期贮存,运输方便,价格较便宜。而畜禽粪便不便于、也不能长期存放,运输不方便。

    与热解气化技术相比。①秸秆沼气技术是生物学过程,反应条件温和,可在常温下发酵,最高发酵温度也不会超过55℃。能源投入产出效益高,便于生产管理,更适于实际生产应用。而热解气化是一个热化学反应过程,至少需要在400℃以上温度进行,高温投入能量大,能效比低,也不容易控制和进行管理,在农村应用难度较大。②秸秆沼气是环境友好的清洁生产过程。秸秆沼气的产物是清洁能源——沼气和有机肥料,不产生任何有害副产品(如热解气化产生的焦油等),可实现废弃物的零排放。③秸秆沼气技术是资源高效利用技术。通过秸秆沼气可获得可再生能源——沼气,产生的沼渣可用来生产有机肥料,从而实现秸秆的完全资源化转化和资源的高效利用。④秸秆沼气产生的沼气热值高、品位好。热解气化产生的可燃气热值只有沼气热值的50%~60%,且品位低,贮存、输送效率低,不便于使用。

    因此,利用秸秆为原料生产沼气是实现秸秆高效、清洁利用的有效途径。

    秸秆沼气生产关键技术

    秸秆沼气技术就是我们通常所说的厌氧发酵技术。厌氧发酵生产沼气技术已被广泛地用于人畜粪便、食品废物和有机生活垃圾等的处理和能源化转化。但是,由于秸秆的木质纤维素含量高、消化率低、产气量少,因此秸秆常作为人畜粪便厌氧发酵的配料使用,在以秸秆为主原料生产沼气方面的研究一直很少。由于秸秆的物料特性与常规物料(如畜禽粪便)有明显的不同,因此要投入实际生产,还有一些关键技术问题需要解决。这些关键技术包括:

    简单、快速、高效的秸秆化学预处理技术。秸秆的木质纤维素含量较高,不易被厌氧菌消化,厌氧发酵产气量低、经济效益差,这是导致秸秆不能够被大规模用于沼气生产的主要原因。解决的方法就是在厌氧发酵前,对秸秆进行物理、化学或生物预处理,预先把秸秆转化成易于消化的“食料”,来提高秸秆的生物消化性能、产气率和经济性。常温、固态氢氧化钠化学预处理技术,可使秸秆的产气量提高50%~120%以上,使秸秆的产气率超过牛粪的产气率。固态化学预处理不产生任何废液,没有任何环境问题,在常温下进行,处理方法简单,处理成本低。为以秸秆为原料规模化生产沼气提供了前提。

    适合秸秆物料特性的高效厌氧发酵反应器。秸秆的密度小、体积大、且不具有流动性,无法连续进料、出料和进行连续的厌氧发酵。因此,现有用于畜禽粪便生产沼气的反应器都无法直接用于秸秆的沼气生产。针对秸秆的物料特性,创新性地设计出了秸秆厌氧发酵专用卧式反应器。该反应器采用卧式布置,带有强化搅拌装置,可大大提高发酵料与微生物之间的传热、传质效果,显著提高发酵效率;采用批式厌氧消化,进料、出料完全机械化,自动化程度高。

    秸秆发酵工艺及参数优化。由于秸秆的物理化学性质及其生物降解特性的不同,秸秆厌氧消化和一般物料(如畜禽粪便等)的厌氧消化工艺和参数有很大的不同。通过多年的试验研究,确定了秸秆厌氧消化工艺和主要参数,包括为改善秸秆的可生物消化性能增加的化学预处理过程;由于进料、出料困难,采用批式或半连续进料、出料,发酵工艺相应地采用批式或半连续方式; 确定了秸秆的消化时间和有机负荷率低等。

    工程应用

    在农业部可再生能源处的支持下,利用北京化工大学研究出的秸秆化学预处理技术、专用高效反应器技术和消化工艺, 2001年在山东省泰安市建成了我国第一个完全以秸秆为原料的厌氧消化生产沼气的集中供气示范项目。该项目发酵罐总容积500m3 , 年可消化玉米秸秆190吨,生产沼气4.8万m3,生产有机肥料190吨,可为全村160户农户提供生活用能。经过3年多的实际运行,证明完全满足实际生产的需要,并通过了农业部组织的验收。2006年,农业部又支持在黑龙江农垦海林农场建设了一个3000m3的以稻草和麦秸为原料的秸秆沼气工程。2007年,北京市又利用该技术在顺义区建成了一个1000m3的以玉米秸秆为原料的集中供气工程,可为300户的村庄提供生活用能。

                                                                                                                                                              转自:北京化工大学环境科学与工程系

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