生物质燃气的概况分析及前景展望

生物质燃气的概况分析及前景展望

摘要：生物质燃气(biogas)就是利用农作物秸秆、林木废弃物、食用菌渣、禽畜粪便及一切可燃性物质做为原料转换为可燃性能源。本文介绍了生物质燃气的几种开发方法及其存在问题和对生物质燃气的前景展望。

关键词：生物质 燃气 沼气发酵 生物质气化 新能源 燃料 生物气 生物能源 生物燃料 燃气系统 城镇燃气 Biogas Bioresource Technology Marsh gas Swap gas Gas system

1.生物质燃气概况分析 生物质燃气的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注，许多国家都制定了相应的开发研究计划。美国已做出到2010年生物基产品要由2001年占总产品量的5%增加到12%，燃料乙醇由占运输燃料总量的0.5%提高到4%的规划；日本和印度分别制订了“阳光计划”及“绿色能源工程计划”；中国已连续在三个国家五年计划中将生物质能技术的研究与应用列为重点研究项目，如户用沼气池、禽畜粪便沼气技术、生物质气化发电和集中供气、生物压块燃料等。国内外对生物质燃气的开发主要有沼气技术、生物质热裂解气化技术等。

1.1生物质发酵生产沼气

1.1.1沼气发酵的基本原理

沼气（marsh gas ,swamp gas )又称生物气（biogas)，是一种混合可燃气体，主要成分为甲烷，另有少量H 2 、N 2和CO 2。沼气发酵又称甲烷形成。其生物

化学本质是：产甲烷菌在厌氧条件下，利用H 2还原 CO 2等碳源营养物以产生细胞

物质、能量和代谢废物——CH 4的过程。CH 4是其厌氧呼吸链的还原产物。CH 4形成可分3个阶段（图1）： 1、发酵性细菌 2、产甲烷细菌 （厌氧，兼性厌氧） （厌氧）

1 2产氢产乙酸 生物质： 多糖

蛋白质

脂肪 H 2 CO 2 乙酸 CH 4 CO 2 丙酸

丁酸

琥珀酸

乙醇

细菌（厌氧）

1）水解阶段由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵性细菌把纤维素、淀粉等糖类水解成单糖，并进而形成丙酮酸；把蛋白质水解成氨基酸，并进而形成有机酸和氨；把脂类水解成甘油和脂肪酸，并进而形成丙酸、乙酸、丁酸、琥

珀酸、乙醇、H

2和CO

2

。参与本阶段的水解性细菌包括专性厌氧菌如梭菌属、拟

杆菌属、丁酸弧菌属、真杆菌属和双歧杆菌属等；兼性厌氧菌如链球菌属和一些肠道杆菌等。

2）产酸阶段由厌氧的产氢产乙酸细菌群把第一阶段产生的各种有机酸

分解成乙酸、H

2和CO

2

的过程。产氢产乙酸菌，称“S菌”（G-，厌氧，能运动，

杆状，能发酵乙醇产乙酸和H

2，当环境中H

2

浓度高于0.5大气压时，生长受抑

制）；另一称“MOH菌（革兰氏染色可变，厌氧性杆菌，不能利用乙醇，但能利

用H

2

产甲烷）。

3）产气阶段由严格厌氧的产甲烷菌群利用一碳化合物（CO

2

、甲醇、甲

酸、甲基胺或CO）、二碳化合物（乙酸）和H

2

产生甲烷的过程。

1.1.2沼气发酵的基本工艺：

有机废物调节池预处理厌氧消化器后处理排放

沼气净化储存用户

剩余污泥

图2 沼气发酵的基本工艺流程图

1）、原料处理

充足而稳定的原料供应是厌氧消化工艺的基础，原料的收集方式又直接影响原料的质量。收集到的原料一般要进入调节池储存，因为原料收集时间往往比较集中，而消化器的进料常需在一天内均匀分配。所以，调节池的大小一般要能储存24小时废物量。在温暖季节，调节池常可兼有酸化的作用，这对改善原料性能和加速厌氧消化有好处。

2）原料的预处理

原料常混有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。在预处理时，应将牛粪或猪粪中较长的草、鸡粪中的鸡毛去除，否则极易引起管道堵塞。再配用切割泵进一步切短残留的较长的纤维或草，可有效地防止管路堵塞。鸡粪中还含有较多贝壳粉和砂砾等，必须沉淀清除，否则会很快大量沉积于消化器底部并且难以排除。乙醇和丙酮丁醇废醪因加热蒸馏，排出温度高达100摄氏度，因此需要降温后才能进入消化器，有条件时还可采用各种固液分离机械将固体残渣分出用作饲料，有较好的经济效益。有些高强度的无机酸碱废水在进料前还应进行中和，最好采用酸性废水和碱性废水混合处理，如将酸性味精废水和碱性造纸废水加以混合即可收到良好效果。

3）消化器（沼气池）

消化器或称沼气池是沼气发酵的核心设备。微生物的繁殖，有机物的分解转化，沼气的生成都是在消化器时进行的，因此，消化器的结构和运行情况是沼气工程设计的重点。首先要根据发酵原料或处理污水的性质以及发酵条件选择适宜的工艺类型和消化器结构。目前应用较多的工艺类型及消化器结构有三类。

4）出料处理

出料后的处理为大型沼气工程所不可缺少的构成部分，过去有些工程未考虑出料的处理，导致二次污染。出料后处理的方式多种多样，最简便的是直接用作肥料施入土壤或鱼塘，但施用有季节性，不能保证连续的后处理。可靠的方法是

将出料进行沉淀后再将沉渣进行固液分离，固体残渣用作肥料或配合适量化肥做成适用于各种花果的复合肥；清液部分可经曝气池、氧化塘等好氧处理后排放，也可用于灌溉或再回用于生产用水。目前采用的固液分离方式有沙滤式干化槽、卧螺式离心机、水力筛、带式压滤机和螺旋挤压式固液分离机等。

5)沼气的净化、储存和输配

沼气发酵时会有水分蒸发进入沼气，由于微生物对蛋白质的分解或硫酸盐的还原作用也会有一定量硫化氢气体生成并进入沼气。大型沼气工程，特别是用来进行集中供气的工程必须设法脱除沼气中的水和硫化氢。水的冷凝会造成管路堵塞，有时气体流量计中也充满了水，脱水通常采用脱水装置进行。H

2

S是一种腐

蚀性很强的气体，它可引起管道及仪表的快速腐蚀。H

2S本身及燃烧时生成的SO

2

对人也有毒害作用。沼气中的H

2

S含量在1~12%/m3之间，蛋白质或硫酸盐含量高

的原料，发酵时沼气中的H

2S含量就较高。H

2

S的脱除通常采用脱硫塔，内装脱

硫剂进行脱硫。

沼气的储存通常用浮罩式储气柜，以调节产气和用气的时间差别，以便稳定供应用气。沼气的输配是指将沼气输送分配至各用气户（点），输送管道通常采用金属管，近年来采用高压聚乙烯塑料管。

1.1.3沼气发酵存在的问题

用于处理工业有机废水的厌氧发酵技术发展较快，其处理方式基本达到工业化水平，但在以能源生产为目的、处理各种固体有机废弃物方面还没有达到工业化水平。虽然沼气池的发展对解决农村能源问题起到了巨大作用，但仍局限于自产自用的家庭模式，沼气没有成为商品，因此受季节和地域限制，不能普遍推广和应用。与国外相比，我国在处理固体有机物方面的厌氧技术还有较大差距。主要表现在：厌氧发酵产气率低，系统运行和管理自动化水平不高；厌氧发酵和综合利用配套技术和设备还不成熟；厌氧发酵技术产业化发展缓慢，不便于大规模市场推进。特别是在北方寒冷地区，沼气生产和利用受到很大的限制。

1.2生物质气化技术

1.2.1生物质气化的原理

生物质气化技术是一种热化学处理技术，通过气化炉将固态生物质转换为使用方便而且清洁可燃气体，用作燃料或生产动力。其基本原理是将生物质原料加