秸秆干式厌氧发酵制沼气工艺

秸秆干式厌氧发酵制沼气工艺
摘要：秸秆干式厌氧发酵以农作物秸秆为原料，在较少资本投入和较小的规模的条件下，产生可以循环使用的生物质能。

本文设计了以卧式浆叶轴机械搅拌厌氧发酵罐为核心的干式厌氧发酵技术与成套装备。

工程包括预处理及进料系统、厌氧发酵系统、出料系统、沼气净化与贮存、增保温系统等。

工艺方案中克服了干式厌氧发酵进出料困难、传质传热不均的难题，实现了连续高温干式氧发酵产沼气。

关键词：秸秆；干式厌氧发酵；工艺设计；设备
Technology of dry anaerobic digestion for biogas producing from straw
Abstract：Straw dry anaerobic fermentation technology could produce the recycle biomass energy with the small scale and less capital investment. A pilot plant of dry anaerobic digestion was constructed in the dairy farm of Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences．The plant included pretreatment system，solid feed-in system，horizontal anaerobic reactor，biogas storage and purification system，insulation warming system and digestate discharging system．Specially designed low-speed horizontal rod-gear agitators used in the horizontal anaerobic reactor enhanced mass and heat transfer efficiency and overcame high solid feedstock feeding and discharging difficulties．Pilot-scale experiment of continuous dry thermophilic anaerobic digestion of dairy manure was conducted in the pilot plan．
Key words：Straw；Dry anaerobic digestion；Process design；Equipment
1 引言
我国作为一个农业大国，随着粮食产量的增加，农作物秸秆年产量逐年上升，目前我国每年秸秆产量大约有7亿多吨[1]。

大量秸秆露天焚烧不但造成极大的资源浪费，而且带来大气污染、火灾事故、堵塞交通等大量的社会、经济和生态问题[2]。

而作为农用燃料，秸秆的燃烧效率极低，使用的热效率仅为10%～30%，而如果1kg秸秆转化为沼气燃烧可使秸秆的有效热值提高到64%[3,4]。

因此，研究适用的方法处理秸秆，实现其资源化，将成为缓解当今中国面临的资源、能源、环境危机的重要途径之一。

厌氧消化是一种集废物处理和产能处理工艺于一体的技术，Ilyin，Singhal，Neves和Isci等人分别以木屑，风信子，麦秆和棉花秆作为原料进行了深入的厌氧消化实验研究[5-8]；Angeli-daki，Braber对城市固体废弃物[9,10]以及Svensson对农业废弃物[11]的厌氧消化从经济可行性以及发展趋势层面上作了详细的阐述。

自1980年康奈尔(Cornell)大学根据美国能源部的要求首先进行干式发酵研究以来，世界各国开始研究低水分的城市垃圾、农林残余物及相似的有机沉积物的厌氧发酵。

干式发酵法，即高固体厌氧消化，它是指以固体有机废物为原料，在无流动水的条件下进行沼气发酵的工艺，可以将传统的厌氧消化工艺中固态物含量由低于8%，提高到35%以上，一般情况下干物质含量在20%左右较为适宜。

干式发酵法不仅提高了池容产气率和池容效率，而且消化后的产品不需脱水即可作为肥料或土壤调节剂使用，简化了操作处理，降低了成本，这些优点引起了国内外研究者对干发酵在处理城市生活垃圾和农
林残余物方面的广泛重视。

根据此前的预实验研究表明，在总固体浓度为20%时中温条件下的产气效果较好，而沼气技术在农村的应用大都在环境温度下进行，因此在本实验中选择环境温度(罐内温度随外界温度变化而变化)下进行厌氧发酵放大实验[12]，以对该技术在农村的应用提供依据。

2 工艺方案
干式厌氧发酵制沼气中试工程工艺流程如图1所示。

发酵原料输送至快速预热混合器进行预热、接种、搅拌混合等预处理后，由螺杆泵输送至干式厌氧发酵装置进行厌氧发酵并产生沼气。

干式发酵装置为卧式浆叶轴机械搅拌厌氧发酵罐，采用55℃高温发酵工艺。

整个发酵工艺中采用两级厌氧发酵系统：一级为卧式厌氧主发酵罐，二级为液相立式发酵罐。

经一级发酵后的物料由浆料泵输送至固液分离机，经固液分离后的固体堆肥，制成肥料出售。

渗滤液除部分作为接种物回用外，其余进入液体储存罐，液体储存罐中的液体部分回流进入预处理快速预热混合器与新鲜原料接种，其余液体泵入二级立式发酵罐，使未完全发酵的物料在此进行再次发酵。

二次发酵罐出料进入沼液贮池，做液体有机肥。

一级发酵罐和二级发酵罐产生的沼气暂存于二级发酵罐顶部的膜式贮气柜中，经由净化后的沼气供厂区自用。

图1干式厌氧发酵工艺流程图
Fig．1 Process flow diagram of dry anaerobic digestion
1．快速预热混合器2．螺杆泵3．卧式厌氧发酵罐4．立式厌氧发酵罐
5．膜式储气柜6．固液分离机7．渗滤液暂储罐(集液槽)
本工艺可以适用于各种来源的固体有机废弃物原料，运行费用低、容积产气率高、发酵过程无需添加新鲜水，沼液产量小或无沼液产生，运行过程稳定，无湿法工艺中的浮渣、沉淀等问题。

3 主要工艺单元
干式厌氧发酵工程主要包括：预处理及进料系统、厌氧发酵系统、沼气净化储存及增温保温系统、出料系统等。

3.1进料系统及预处理
秸秆及牛粪经铲车收集后送入快速预热混合器，在此进行预热、搅拌和回流接种，接种后的物料经由螺杆泵泵入厌氧发酵反应器。

预处理的主要目的是使原料和接种物在厌氧发酵前充分混合并加热至预设温度。

高温厌氧发酵过程中，温度波动对产气效果和系统稳定性影响非常大，设计应保证发酵罐的温度波动尽可能小[13]。

原料初始温度与发酵罐运行温度相差较大时，会使发酵罐发生比较大的温度波动。

需要对物料进行预热，避免因温差过大对发酵罐运行温度产生冲击。

高固含量物料流动性差、传热慢，需要强制搅
拌以促进传热，预处理系统采用双螺旋带搅拌以强化传热。

畜禽粪便通常呈现假塑性流体性质，预热和搅拌有助于降低物料的粘稠度，利于物料输送。

干式厌氧发酵时，基质和微生物接触困难，需对其进行预接种。

通过发酵物回流接种，能促进物料和微生物充分接触，加速厌氧发酵进程，提高产气效果。

接种物的浓度一般较进料浓度低，因此，接种还可以起到调节水分的作用。

预处理后的物料由带螺旋喂料装置的单螺杆泵泵入卧式厌氧发酵罐。

3.2干式厌氧发酵罐
厌氧发酵是整个工艺的核心，沼气在此阶段产生。

根据厌氧发酵理论，稳定的温度、适宜的碳氮比和pH值、合适的搅拌和良好的厌氧条件是厌氧发酵效果的保证。

因此，设计过程需重点考虑发酵系统的密封性、搅拌效果和温度稳定性。

一级卧式厌氧发酵罐采用卧式横轴机械搅拌厌氧反应器。

罐内设有螺旋桨叶轴机械搅拌装置，桨叶在轴上按螺旋线排列。

特殊设计的螺旋桨叶轴可实现物料的搅拌、推流。

物料受螺旋桨叶的推流作用，在发酵罐内呈随时间推移的塞流式运动，解决了物料逐步向发酵罐出料端推进难题，实现连续进出料，连续发酵产沼气。

同时搅拌强化了反应物料内部的传质传热，解决了因物料粘稠、致密所导致的传质传热困难、沼气难以逸出等问题，加快了厌氧反应速度，提高了发酵罐处理效率。

当处理质量分数为20%左右的物料时，无需添加新鲜水。

二级发酵罐采用立式发酵罐，顶部设置储气膜，合二为一，与传统的贮气柜相比，减少了厌氧发酵罐顶盖以及贮气柜配置。

设计为常温发酵，兼具储存沼液功能。

立式厌氧发酵罐罐体采用拼装结构，便于安装维护和检修。

顶部采用双膜式贮气柜，膜式贮气柜通过调整内外膜之间夹层的空气压力以保护外膜并维持贮气柜的形态和结构，能承受一定的载荷，并将内膜内的沼气输入输气管道供厂区自用。

3.3出料固液分离系统及后处理系统
卧式厌氧发酵罐出料经泵送至螺旋挤压固液分离机进行固液分离。

由于活塞式泥浆泵的入口低于卧式厌氧反应器出料口1.2m，同时活塞泵自身也有一定的自吸能力，出料阀门开启后，出料较易流入活塞式泥浆泵内，经泵送至螺旋挤压固液分离机进行固液分离，分离出的固体进行堆肥处理，渗滤液除部分用于接种物经泵回流至预处理工段外，其余送入二级发酵罐，渗滤液中未完全发酵的物料在此进行进一步发酵产气。

二级立式厌氧罐发酵后的出料可作液体有机肥料使用。

3.4沼气净化储存
沼气暂储于一体式厌氧发酵罐顶部的双层膜式储气柜。

其中外膜为保护并维持储气柜的结构，内膜收集并储存沼气。

通过支撑鼓风机的充气，调整并维持内外膜之间夹层中的空气压力，并将内膜内的沼气送入输气管道。

储气柜内沼气经过输气管道进入沼气净化系统。

沼气净化系统包括脱水、脱硫及沼气除杂[14]。

由于工程规模较小，采用2个化学脱硫罐进行沼气脱硫。

3.5保温系统
厌氧发酵过程受温度影响很大，高温厌氧发酵其最佳温度为55℃左右[15]。

为满足高温干式厌氧发酵对温度的要求，在发酵罐外壁设置加热盘管，并采用岩棉材料进行强化保温。

加热盘管内的热水来自热水储罐，热源由沼气锅炉提供。

4 主要单元工艺技术参数选择与确定
4.1预处理快速预热混合器
依据厌氧发酵工艺要求，原料在此进行加热、配料、接种、调质、混合。

设计快速预热混合器为直径φ=0.9m，长1.4m，容积0.89m3，外侧采用200mm聚苯乙烯材料保温。

增温方式采用夹套电加热方式，搅拌方式为螺旋带搅拌。

4.2高粘稠物料输送
经过预处理混合后的物料，干物质含量在16%~20%，黏度大、流动性差、固形物含量高。

螺杆泵能够输送较高浓度的畜禽粪便，能够耐受长度3~5cm的长纤维。

设计选用了带绞龙喂料的单螺杆泵。

4.3卧式厌氧反应器设计
4.3.1卧式厌氧反应器形状及材质选择
从反应器的设计方面考虑，圆形结构的反应器受力情况较好，具有结构较稳定的优点，同时，在同样的截面积下，圆形反应器的周长比正方形少12%。

所以，圆形池子的建造费用至少比具有相同截面积的矩形反应器低12%以上[16]，本设计厌氧反应器形状选择为圆形。

反应器材质的选择需要从多方面考虑。

抗腐蚀性是厌氧反应器首要考虑的问题[17]。

一般宜采用钢筋混凝土构筑物或特种材料防腐处理；而从设备化角度考虑，大部分工程项目均可采用钢、塑料和玻璃钢等材质的结构，这样可将反应器转化为能生产的设备和产品。

本设计反应器主体罐体基材为碳钢，内涂特别防腐蚀涂层，要求达到耐腐蚀、便于维修，性能优良，保温层外表美观。

4.3.2卧式厌氧反应器搅拌形式
本设计发酵原料为秸秆与牛粪。

在厌氧发酵过程中，反应器内液面上易发生结壳现象，阻碍沼气释放[18]。

搅拌可以使反应器内的物料混合均匀，温度、pH、微生物种群等保持均匀一致，还可以大大降低池底沉积及液面浮渣结壳[13]。

采用螺旋桨叶轴机械搅拌装置，桨叶在轴上按螺旋线排列，桨叶形状为杆齿式，桨叶轴转速无级可调。

搅拌能耗低，特殊设计的螺旋桨叶轴可以实现物料的搅拌、推流。

解决牛粪发酵过程中由于粘稠、致密抑制沼气释放等问题，加快厌氧发酵反应速度，提高反应器效率。

物料在发酵罐中受螺旋桨叶的推流作用，随时间推移，解决物料逐步向反应器出料端推进和干发酵出料难题。

4.3.3卧式厌氧反应器增温、保温
沼气在发酵过程受温度影响很大，需要对温度进行严格的控制，将发酵料液维持在适宜的温度，以保证产气率[19]。

为了保证厌氧反应在冬季仍可正常运行，对系统实施了增温和整体保温措施[20]。

本设计对厌氧消化罐采用200mm厚聚苯乙烯材料进行强化保温。

系统保温包括厌氧消化罐体的保温，管道、阀门的保温。

考虑内设加热盘管容易表面结垢，降低换热效率，维修时需要清空消化池，造成停产，本设计沿罐壁设置加热盘管，采用热水循环加热。

5 结论
一、本设计采用畜禽粪便和玉米秸秆为发酵原料进行干式厌氧发酵工艺，过程无需添加新鲜水，具有节能、节水特点，且所需反应器容积小。

二、卧式厌氧反应器采用螺旋桨叶轴机械搅拌装置，特殊设计的螺旋桨叶轴可以实现物料的搅拌、推流，解决干式发酵出料难题和牛粪厌氧发酵过程中由于粘稠、致密抑制沼气释放等问题，加快厌氧发酵反应速度，提高反应器效率。

搅拌转速无需调级，搅拌能耗低。

三、本工艺方案为干式厌氧发酵设计，实现了干式厌氧发酵连续进出料，对我国干式厌氧发酵的研究具有较强的实践意义。

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