專利名稱：一種農(nóng)作物秸稈與畜禽糞便聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)固體廢棄物高效資源化利用領(lǐng)域，尤其涉及一種農(nóng)作物秸桿與畜禽糞便聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)制沼氣的原料是用畜禽糞便，但是，由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、糧食漲價(jià)等原因，很多地方的出現(xiàn)了畜禽糞便原料短缺等問題。傳統(tǒng)的沼氣生產(chǎn)常常因缺乏原料而導(dǎo)致產(chǎn)氣不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)不產(chǎn)氣等現(xiàn)象。此外，由于原料內(nèi)在性質(zhì)的限制，以傳統(tǒng)的畜禽糞便作為厭氧消化原料，沼氣產(chǎn)氣通常比較低，約為350L/kg VS0我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年約產(chǎn)生大約7億噸的農(nóng)作物秸桿。目前，這些農(nóng)作物秸桿的利用率還不到50%，大都被隨意丟棄或露天燃燒，不僅浪費(fèi)了資源，還嚴(yán)重地污染了環(huán)境。如何有效利用這些資源，是我國(guó)解決農(nóng)村和城鎮(zhèn)生活用能問題的重要途徑之一。然而，在農(nóng)作物秸桿中，大量含有的木質(zhì)素及半纖維素將纖維素包裹，不利于微生物利用，將農(nóng)作物秸桿作為單一原料進(jìn)行厭氧消化也會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)氣率低下，約為300L/kg VS。此外，傳統(tǒng)的厭氧消化工藝會(huì)產(chǎn)生大量的沼液沼渣，還需額外增加處理設(shè)備才能將沼液沼渣轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料，且這些有機(jī)肥料的肥力尚在研究中。因此，亟需開發(fā)出一種新的厭氧消化工藝解決這些問題。目前，聯(lián)合厭氧消化工藝逐漸被使用，但是，以農(nóng)作物秸桿和畜禽糞便為原料進(jìn)行聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵工藝，還沒有得到很好的開發(fā)和利用。首先，聯(lián)合發(fā)酵工藝受多種因素制約，所選取的原料也受地域限制；其次，固態(tài)發(fā)酵技術(shù)還存在著很多不足，如需較長(zhǎng)的停留時(shí)間、大量的接種物等；再者，目前尚未有較為經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理技術(shù)用于處理農(nóng)作物秸桿提高其產(chǎn)氣能力；此外，沼液沼渣的高值利用問題急需解決。上述幾方面共同限制了農(nóng)作物秸桿及畜禽糞便作為能源原料的大規(guī)模利用
發(fā)明內(nèi)容
`為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)氣量高的農(nóng)作物秸桿和畜禽糞便聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的方法。本發(fā)明所述的農(nóng)作物秸桿和畜禽糞便聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的方法，包括農(nóng)作物秸桿固態(tài)預(yù)處理、聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵和沼渣熱解利用三個(gè)過程；所述的農(nóng)作物秸桿的固態(tài)預(yù)處理:用揉搓機(jī)將農(nóng)作物秸桿揉碎，加入NaOH水溶液混合均勻，按質(zhì)量計(jì)算，NaOH的加入量為農(nóng)作物秸桿干重的3 7%，混合后農(nóng)作物秸桿的含水率在5(T60wt%，將混合后農(nóng)作物秸桿在2(T30°C條件下放置f 3天，整個(gè)過程中沒有液態(tài)水流出；所述的聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵:將上述預(yù)處理后的農(nóng)作物秸桿與畜禽糞便按揮發(fā)性固體濃度以(1: Γ(3:1)的比例加入反應(yīng)器中，再加入接種物，反應(yīng)器中的原料與接種物的揮發(fā)性固體濃度之比為(3:1廣(4:1)，控制發(fā)酵體總固體濃度在2廣25%之間，在50飛01:下進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，消化時(shí)間為24天，整個(gè)過程無額外添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及調(diào)節(jié)pH值；
所述的沼渣熱解利用:將上述固態(tài)發(fā)酵后的殘留物取出，2(T40wt%用于聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵過程的接種物，剩余的沼渣進(jìn)入熱解反應(yīng)器進(jìn)行熱解產(chǎn)氣，從室溫開始以3(T50°C /分鐘升溫速率升溫，到達(dá)終溫60(T800°C后保持1.5^3小時(shí)。本發(fā)明所述的生產(chǎn)沼氣的方法，在農(nóng)作物秸桿固態(tài)預(yù)處理時(shí)，NaOH的加入量為秸桿干重的5wt%，混合后農(nóng)作物秸桿的含水率為60wt%，預(yù)處理溫度為20°C，預(yù)處理時(shí)間為I天，這時(shí)，整個(gè)聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效率最高。本發(fā)明所述的生產(chǎn)沼氣的方法，在聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵時(shí)，農(nóng)作物秸桿與畜禽糞便的揮發(fā)性固體濃度比為3:1，反應(yīng)器中的原料與接種物的揮發(fā)性固體濃度之比為3:1，發(fā)酵體總固體濃度為22%，發(fā)酵溫度為50°C，消化時(shí)間為24天，這時(shí)整個(gè)聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效率最聞。本發(fā)明所述的生產(chǎn)沼氣的方法，在熱解沼渣利用時(shí)，升溫速率40°C /分鐘，到達(dá)終溫800°C后保持1.5小時(shí)，這時(shí)整個(gè)聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效率最高。本發(fā)明所述的生產(chǎn)沼氣的方法，在聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵時(shí)，第一次使用的接種物為正常產(chǎn)氣的沼氣池的沼渣或陰溝、泥塘中的厭氧活性污泥，后期使用的接種物為聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵后的殘留物。本發(fā)明中，所指的TS (Total Solids)即總固體濃度，指一定量的原料在105°C下烘干至恒重所得的凈重與原有原料的質(zhì)量比?；曳?指一定量的原料烘干后放入600攝氏度馬弗爐灼燒2小時(shí)后剩余物的質(zhì)量與原有原料的質(zhì)量比。VS (Volatile Solids)即揮發(fā)性固體濃度，表征原料中有機(jī)物的含量，VS等于TS減去灰分。消化時(shí)間系指原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣通常所需的時(shí)間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新之處是:(I)采用固態(tài)預(yù)處理方法結(jié)合固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，使整個(gè)過程中農(nóng)作物 秸桿均保持較干的狀態(tài)，沒有沼液產(chǎn)生，無需對(duì)沼液進(jìn)行處理；
(2)NaOH固態(tài)預(yù)處理農(nóng)作物秸桿Id后，即可與畜禽糞便結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合消化，優(yōu)化了原料的預(yù)處理時(shí)間及結(jié)構(gòu)配置，使得整個(gè)反應(yīng)過程能穩(wěn)定、高效進(jìn)行；(3)將沼渣作為熱解原料，不僅可解決沼渣利用難的問題，還可產(chǎn)生有益的產(chǎn)品如低位熱值可達(dá)ll_13MJ/m3的熱解氣和活性碳；所產(chǎn)生的熱解氣可用于系統(tǒng)供熱，熱解后的固態(tài)產(chǎn)物可用作活性吸附材料或催化材料，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的綜合利用；(4)高溫下，整個(gè)固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效率高，可達(dá)400-450mL/g VS,容積產(chǎn)氣率達(dá)25-35L/L工作體積，平均甲烷含量在50%以上，消化時(shí)間可由傳統(tǒng)的30天降至24天。


圖1:本發(fā)明生產(chǎn)沼氣的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本發(fā)明不限于以下實(shí)施例。實(shí)施例1首選將500g揉搓后的總固體濃度為0.95、揮發(fā)性固體濃度為0.9的農(nóng)作物秸桿放入5L容器中，加入23.75g的NaOH，再加入268g水?；旌暇鶆蚝竺芊?，20°C放置I天。取出，加入揮發(fā)性固體濃度為0.2的畜禽糞便800g，再加入揮發(fā)性固體濃度為0.1的接種污泥1600g，使整個(gè)發(fā)酵體系固體含量在25%，混合均勻后放入8L的厭氧反應(yīng)器中。通過水浴夾套控制反應(yīng)器溫度在50°C。高溫固態(tài)發(fā)酵21天后取出，30%的沼渣作為接種物進(jìn)行下一批次的厭氧發(fā)酵。剩余70%的沼渣通入熱解反應(yīng)器中進(jìn)行熱解，熱解時(shí)，熱解溫度為600°C，升溫速率40°C/分鐘，到達(dá)終溫后保持3小時(shí)。獲得熱解氣和活性碳。整個(gè)固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效率高，達(dá)406mL/g VS,容積產(chǎn)氣率達(dá)25L/LIfrWR，甲烷含量在54.9%。實(shí)施例2首選將500g揉搓后的總固體濃度為0.95、揮發(fā)性固體濃度為0.9的農(nóng)作物秸桿放入5L容器中，加入25g的NaOH，再加入300g水?；旌暇鶆蚝竺芊猓?0°C放置I天。取出，加入揮發(fā)性固體濃度為0.2的畜禽糞便750g，再加入揮發(fā)性固體濃度為0.1的接種沼渣2000g，使整個(gè)發(fā)酵體系固體含量在22%，混合均勻后放入8L的厭氧反應(yīng)器中。通過水浴夾套控制反應(yīng)器溫度在50°C。高溫固態(tài)發(fā)酵24天后取出，30%的沼渣作為接種物進(jìn)行下一批次的厭氧發(fā)酵。剩余70%的沼渣通入熱解反應(yīng)器中進(jìn)行熱解，熱解時(shí)，熱解溫度為800°C，升溫速率40°C /分鐘，到達(dá)終溫后保持1.5小時(shí)。獲得熱解氣和活性碳。整個(gè)固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效率高，達(dá)450mL/gVS，容積產(chǎn)氣率達(dá)34.5L/LIfrWR，平均甲烷含量在52.7%。實(shí)施例3首選將500g揉搓后的總固體濃度為0.95、揮發(fā)性固體濃度為0.9的農(nóng)作物秸桿放入5L容器中，加入16g的NaOH，再加入255g水?；旌暇鶆蚝竺芊猓?0°C放置3天。取出，加入揮發(fā)性固體濃度為0.2的畜禽糞便2000g，再加入揮發(fā)性固體濃度為0.1的接種污泥3000g，使整個(gè)發(fā)酵體系固體含量在25%，混合均勻后放入8L的厭氧反應(yīng)器中。通過水浴夾套控制反應(yīng)器溫度在50°C 。高溫固態(tài)發(fā)酵24天后取出，30%的沼渣作為接種物進(jìn)行下一批次的厭氧發(fā)酵。剩余70%的沼渣通入熱解反應(yīng)器中進(jìn)行熱解，熱解時(shí)，熱解溫度為700°C，升溫速率40°C/分鐘，到達(dá)終溫后保持2小時(shí)。獲得熱解氣和活性碳。整個(gè)固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效率高，達(dá)425mL/g VS，容積產(chǎn)氣率達(dá)29L/LIfrWR，平均甲烷含量在54.2%。
權(quán)利要求
1.一種農(nóng)作物秸桿與畜禽糞便聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的方法，包括農(nóng)作物秸桿固態(tài)預(yù)處理、聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵和沼渣熱解利用三個(gè)過程，其特征在于， 1)所述的農(nóng)作物秸桿固態(tài)預(yù)處理:用揉搓機(jī)將農(nóng)作物秸桿揉碎，加入NaOH水溶液混合均勻，按質(zhì)量計(jì)算，NaOH的加入量為農(nóng)作物秸桿干重的3 7%，混合后農(nóng)作物秸桿的含水率在5(T60wt%，將混合后農(nóng)作物秸桿在2(T30°C條件下放置3天，整個(gè)過程中沒有液態(tài)水流出； 2)所述的聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵:將上述預(yù)處理后的農(nóng)作物秸桿與畜禽糞便按揮發(fā)性固體濃度以(1: Γ(3:1)的比例加入反應(yīng)器中，再加入接種物，反應(yīng)器中的原料與接種物的揮發(fā)性固體濃度之比為(3:1廣(4:1)，控制發(fā)酵體總固體濃度在2廣25%之間，在50飛01:下進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，消化時(shí)間為24天，整個(gè)過程無額外添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及調(diào)節(jié)pH值； 3)所述的沼渣熱解利用:將上述固態(tài)發(fā)酵后的殘留物取出，2(T40Wt%用于聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵過程的接種物，剩余的沼渣進(jìn)入熱解反應(yīng)器進(jìn)行熱解產(chǎn)氣，從室溫開始以3(T50°C /分鐘升溫速率升溫，到達(dá)終溫60(T800°C后保持1.5^3小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于，在聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵時(shí)，第一次使用的接種物為正常產(chǎn)氣的沼氣池的沼渣或陰溝、泥塘中的厭氧活性污泥，后期使用的接種物為聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵后的殘留物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于，在農(nóng)作物秸桿固態(tài)預(yù)處理時(shí)，NaOH的加入量為秸桿干重的5wt%，混合后農(nóng)作物秸桿的含水率為60wt%，預(yù)處理溫度為20°C，預(yù)處理時(shí)間為I天。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于，在聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵時(shí)，農(nóng)作物秸桿與畜禽糞便的揮發(fā)性固體濃度比為3:1，反應(yīng)器中的原料與接種物的揮發(fā)性固體濃度之比為3:1，發(fā)酵體總固體濃度為22%，發(fā)酵溫度為50°C，消化時(shí)間為24天。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于，在熱解沼渣利用時(shí)，升溫速率400C /分鐘，到達(dá)終溫800°C后保持1.5小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生產(chǎn)沼氣的方法，其特征在于，在農(nóng)作物秸桿固態(tài)預(yù)處理時(shí)，NaOH的加入量為秸桿干重的5wt%，混合后農(nóng)作物秸桿的含水率為60wt%，預(yù)處理溫度為20°C，預(yù)處理時(shí)間為I天；在聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵時(shí)，農(nóng)作物秸桿與畜禽糞便的揮發(fā)性固體濃度比為3:1，反應(yīng)器中的原料與接種物的揮發(fā)性固體濃度之比為3:1，發(fā)酵體總固體濃度為22%，發(fā)酵溫度為50°C，消化時(shí)間為24天；在熱解沼渣利用時(shí)，升溫速率40°C /分鐘，到達(dá)終溫800°C后保持1.5小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明屬于有機(jī)固體廢棄物高效資源化利用領(lǐng)域，尤其涉及一種農(nóng)作物秸稈與畜禽糞便聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的方法。本發(fā)明所述的生產(chǎn)沼氣的方法是用揉搓機(jī)將農(nóng)作物秸稈揉碎，加入NaOH水溶液混合均勻進(jìn)行預(yù)處理，然后將混合后的農(nóng)作物秸稈與畜禽糞、接種物聯(lián)合固態(tài)發(fā)酵，在50~60℃下進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，最后將固態(tài)發(fā)酵后的殘留物取出，30%用于新投料的接種物，剩余的沼渣進(jìn)入熱解反應(yīng)器進(jìn)行熱解產(chǎn)氣所產(chǎn)生的熱解氣可用于系統(tǒng)供熱，熱解后的固態(tài)產(chǎn)物可用作活性吸附材料或催化材料，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的綜合利用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述產(chǎn)沼氣的方法具有無沼液、便捷快速、安全穩(wěn)定、產(chǎn)氣效率高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C12P5/02GK103088070SQ201310025678
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者劉廣青, 李葉青, 張瑞紅, 何艷峰, 陳暢, 馮璐, 肖瀟, 馬欣欣 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)