專利名稱：一種提高能源草制備生物燃氣效率的兩相反應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可再生能源領(lǐng)域，具體涉及一種通過二次強化提高能源草厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷效率，縮短停留時間的兩相反應(yīng)方法。
背景技術(shù)：
我國是當今世界上最大的發(fā)展中國家，也是世界上第二位能源生產(chǎn)國和消費國。 然而，我國人口眾多，人均資源嚴重不足，已探明的人均煤炭、石油和天然氣資源分別為世界平均值的42. 5%U7. 和13. 2%。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，能源生產(chǎn)已經(jīng)無法滿足能源消費的快速增長，石油的對外依存度逐年增大，2008年超過50 %，供需矛盾突出，能源短缺將是一個長期的過程。2007年中國能源消費中化石燃料占93. 5% (其中，煤炭占70%，石油占19. 7%，天然氣僅占3. 5% )，可再生能源占6. 5%。世界天然氣的消費比重占能源消費總量的比重為23.8%，而我國天然氣的消費比重遠低于世界的平均水平。這樣的能源結(jié)構(gòu)給我國經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定和生態(tài)環(huán)境帶來很大壓力，必須尋求可持續(xù)的能源消費和供應(yīng)途徑。為了逐步提高優(yōu)質(zhì)、清潔、可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例，2007年國家制定了 《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，力爭到2010年使可再生能源消費量達到能源消費總量的 10%左右，到2020年達到15%左右。我國是沼氣技術(shù)發(fā)展較早的國家之一，幾乎涉及沼氣相關(guān)的技術(shù)都有單位在研究。尤其在戶用沼氣池技術(shù)上處于國際領(lǐng)先水平。在應(yīng)用我國傳統(tǒng)的天人合一生態(tài)、循環(huán)理念產(chǎn)生的不同類型沼氣工程模式，具有顯著的特色。我國目前沼氣工程的發(fā)酵原料單一，主要為單原料發(fā)酵，且主要處理畜禽養(yǎng)殖廢棄物和工業(yè)有機廢水， 很少用于纖維素原料的厭氧發(fā)酵。并且農(nóng)作物廢棄物因受條件限制(如發(fā)酵效果、收集半徑及原料價格)影響其工業(yè)化進程。能源草是一系列可以作為燃料使用的草本植物的統(tǒng)稱，一般是禾本科多年生高大的叢生草本植物，如蘆竹、象草、柳枝稷、草蘆等。這些植物都具有生長快、產(chǎn)量高、易管理、 熱值高和環(huán)保等優(yōu)點。通過對其厭氧制備燃氣特性的研究可滿足國家節(jié)能減排、能源安全以及可持續(xù)發(fā)展的需求。目前對于能源草的應(yīng)用研究多集中在作為動物飼料、造紙原料、食用菌原料和公路綠化及防護方面。對于以能源草的厭氧發(fā)酵研究自從20世紀80年代中期以來，歐美等國對多年生能源禾草的興趣就不斷增加，并從中選取了柳枝稷、芒類、薦草和蘆竹等4類根莖型禾草加以重點突破，以求達到快速應(yīng)用和示范的目的。目前，主要的利用方式有如下幾種 ⑴直接燃燒發(fā)電，這是目前歐美國家主要利用方式；(2)粉碎、壓縮成固體燃料，用于鍋爐或其他用途；C3)在高溫高壓下氣化，制成C0、H2等可燃氣體；(4)直接液化或利用硫酸或纖維素酶分解能源草制取燃料乙醇；( 利用厭氧發(fā)酵制沼氣。從目前的技術(shù)水平來看，沼氣發(fā)酵是能源草利用的最好方式。其優(yōu)勢有(1)生物質(zhì)能源的最大缺點就是分散，收集與運輸費用將占能量成本的很大部分，發(fā)酵成沼氣實際上是對能源的“濃縮”，而沼氣可以發(fā)電向外輸送，沼氣發(fā)電機組容量可靈活選擇(10 500kW)，非常適合分布式發(fā)電；( 沼氣發(fā)酵是在常溫(或中溫)常壓下進行的一種自然過程，相對成本低、凈能源產(chǎn)出率高；(3)沼氣發(fā)酵使能源草中的絕大部分營養(yǎng)元素留在沼渣，通過沼渣還田，可減少農(nóng)作物的施肥量、 降低生產(chǎn)成本，并避免化肥對環(huán)境的污染。在我國，已開始對柳枝稷和芒草的產(chǎn)能效果進行研究，對于柳枝稷的研究多集中在燃料乙醇的制備，而對于產(chǎn)沼氣的效果則很少報道，芒草的研究則主要集中在濕法厭氧發(fā)酵制備沼氣，對于高固體濃度條件下的產(chǎn)氣效果和工藝參數(shù)還有待進一步深入，而對蘆竹主要是將其作為造紙制漿的原料進行研究，尚未見到將其作為能源草進行系統(tǒng)研究的報道?？梢?，有關(guān)能源草的開發(fā)利用目前仍處在研究和試驗階段，真正的產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，技術(shù)產(chǎn)業(yè)化仍面臨很多問題，如品種資源較為短缺，尚缺少系統(tǒng)的資源調(diào)查評估，且目前的主要利用方式是直接燃燒、固化和氣化發(fā)電，生物與化學轉(zhuǎn)化利用仍處在試驗研究階段。能源草作為厭氧發(fā)酵的原料的主要問題由于木質(zhì)纖維的本身結(jié)構(gòu)造成的，木質(zhì)纖維素類原料主要有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大類組分構(gòu)成，由于纖維素的結(jié)晶度、半纖維素和木質(zhì)素等的保護作用，使得酶或微生物不易接觸，因此纖維素類原料的厭氧消化過程中水解一直是限速步驟，導(dǎo)致原料的消化時間長(一般需要30-60天左右)，產(chǎn)氣率低等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種克服能源草中難利用物質(zhì)厭氧消化性能低的障礙，提高能源草制備生物燃氣效率的兩相反應(yīng)方法，對產(chǎn)氣性能降低的能源草進行二次強化處理， 以提高能源草的利用效率，縮短停留時間，并提高產(chǎn)氣性能。本發(fā)明主要是解決纖維素類原料難于進行厭氧消化，即使在消化前進行了預(yù)處理，但還有一部分難以消化的物質(zhì)會影響厭氧消化的進程的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相在2個反應(yīng)器內(nèi)分別進行的兩相反應(yīng)工藝對能源草進行發(fā)酵，當原料的產(chǎn)氣量降低時對產(chǎn)酸相中的原料進行二次強化產(chǎn)氣， 二次強化采用的手段可依據(jù)目前常規(guī)的預(yù)處理方法，主要為堿蒸汽爆破法，使原料中剩余難消化的物質(zhì)分解為易于利用的小分子物質(zhì)，提高原料的利用率和產(chǎn)氣性能。本發(fā)明具體包括以下步驟(1)原料預(yù)處理能源草原料經(jīng)破碎將粒徑減小到l-2cm ；采用蒸汽加熱的方式對原料進行發(fā)酵前預(yù)處理；(2)原料的水解酸化粉碎后原料加入到產(chǎn)酸相水解反應(yīng)器中，采用從產(chǎn)甲烷相回流的發(fā)酵液噴淋的方式進行原料的水解酸化；當產(chǎn)酸相產(chǎn)氣量降低時，將產(chǎn)酸相中的原料進行二次強化處理，使原料中剩余難消化的物質(zhì)分解為易于利用的小分子物質(zhì)，并繼續(xù)進行水解酸化處理；(3)原料的產(chǎn)甲烷過程將產(chǎn)酸相的水解液定時泵入產(chǎn)甲烷相厭氧消化反應(yīng)器中，初次接種采用污泥或其他沼氣工程的發(fā)酵液為接種物，此后采用發(fā)酵后的殘余物作為接種物，攪拌混合后進行發(fā)酵。所述的能源草選自柳枝稷、雜交狼尾草、皇竹草、王草或芒草中一種或幾種。采用現(xiàn)有技術(shù)進行發(fā)酵前預(yù)處理。所述二次強化處理可采用堿蒸汽爆破方法，堿蒸汽爆破結(jié)合了堿法和蒸汽爆破，可降低堿的使用量，減少堿法處理過程中有抑制作用的副產(chǎn)物的生成，并縮短二次強化處理的時間，提高蒸汽爆破的效果。所述產(chǎn)甲烷過程中加入接種物后攪拌混合后進行發(fā)酵；發(fā)酵溫度為35-55°C。本發(fā)明適用于纖維素類原料，與常規(guī)的厭氧消化技術(shù)有明顯的不同。本發(fā)明針對纖維素原料結(jié)構(gòu)復(fù)雜和降解速率慢的特性，將兩相反應(yīng)工藝和二次強化水解相結(jié)合，強化二次水解微生物對能源草中難利用成分的產(chǎn)氣，提高了原料的利用效率，可縮短整個反應(yīng)的停留時間從而有利于提高水解相的反應(yīng)效率，降低反應(yīng)器的體積。此外，將原料在水解相進行水解產(chǎn)酸可免除二次強化時的固液分離，并對產(chǎn)甲烷過程無任何影響，有利于實現(xiàn)產(chǎn)甲烷的連續(xù)進行。本方法不僅可以提高原料的利用效果，而且可以縮短微生物利用原料的時間，減少原料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，從而減少了反應(yīng)器所需的容積，降低了整個工程的固定投資。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括以下步驟(1)原料預(yù)處理能源草選自柳枝稷、雜交狼尾草、皇竹草、王草或芒草中一種或幾種。根據(jù)原料的不同狀態(tài)，采用不同的預(yù)處理方法。鮮草收割后切成l_2cm的碎片，采用蒸汽加熱的方法處理30min ；干草則以自然堆慪為主，將水噴淋在干草上，在自然條件下放置5-7天。(2)原料的水解酸化粉碎后原料加入到產(chǎn)酸相水解反應(yīng)器中，采用發(fā)酵液噴淋的方式進行原料的水解酸化。水解的溫度控制在35°C .當產(chǎn)氣量降低時，將產(chǎn)酸相中的原料進行二次強化處理，二次強化處理采用堿蒸汽爆破方法，采用二相工藝可省去固液分離的步驟。(3)原料的產(chǎn)甲烷過程將水解相的水解液定時泵入產(chǎn)甲烷相厭氧消化反應(yīng)器中。初次接種采用污泥或其他沼氣工程的發(fā)酵液為接種物，此后采用發(fā)酵后的殘余物作為接種物，加入接種物攪拌混合均勻后進行發(fā)酵；發(fā)酵溫度為35-55°C。最終產(chǎn)出主要成份為甲烷的沼氣。預(yù)處理后的原料與接種混合后，進入到厭氧消化反應(yīng)器中，進行首次的厭氧消化。 經(jīng)過預(yù)處理后，有一部分的能源草已分解為小分子的物質(zhì)，易于被微生物所利用，從而會出現(xiàn)第一個產(chǎn)氣高峰，隨著易利用的物質(zhì)被逐漸消耗，產(chǎn)氣量會出現(xiàn)降低，此時可利用堿蒸汽爆破法進行二次強化水解處理，此時主要是針對原料中的難利用物質(zhì)，將難利用物質(zhì)進行分解為易于利用的小分子物質(zhì)，并再接種，進行二次發(fā)酵，使得整個發(fā)酵過程順利通暢。二次強化時不需要固液分離，減少了操作過程，有利于實現(xiàn)產(chǎn)甲烷的連續(xù)進行。產(chǎn)生的沼液沼渣可以作為肥料回田，產(chǎn)生的沼氣可以用作熱電聯(lián)產(chǎn)，也可通過提質(zhì)凈化壓縮后作為車用燃料。
權(quán)利要求
1.一種提高能源草制備生物燃氣效率的兩相反應(yīng)方法，其特征在于采用產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相在2個反應(yīng)器內(nèi)分別進行的兩相反應(yīng)工藝對能源草進行發(fā)酵，當原料的產(chǎn)氣量降低時對產(chǎn)酸相中的原料進行二次強化產(chǎn)氣，所述二次強化采用的手段為使原料中剩余難消化的物質(zhì)分解為易于利用的小分子物質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的提高能源草制備生物燃氣效率的兩相反應(yīng)方法，其特征在于包括以下步驟(1)原料預(yù)處理能源草原料經(jīng)破碎將粒徑減小到l_2cm；進行發(fā)酵前預(yù)處理；(2)原料的水解酸化粉碎后原料加入到產(chǎn)酸相水解反應(yīng)器中，采用從產(chǎn)甲烷相回流的發(fā)酵液噴淋的方式進行原料的水解酸化；當產(chǎn)酸相產(chǎn)氣量降低時，將產(chǎn)酸相中的原料進行二次強化處理，使原料中剩余難消化的物質(zhì)分解為易于利用的小分子物質(zhì)，并繼續(xù)進行水解酸化處理；(3)原料的產(chǎn)甲烷過程將產(chǎn)酸相水解反應(yīng)器的水解液定時泵入產(chǎn)甲烷相厭氧消化反應(yīng)器中，初次接種采用污泥或其他沼氣工程的發(fā)酵液為接種物，此后采用發(fā)酵后的殘余物作為接種物，攪拌混合進行發(fā)酵。
3.如權(quán)利要求1或2所述的提高能源草制備生物燃氣效率的兩相反應(yīng)方法，其特征在于所述的能源草選自柳枝稷、雜交狼尾草、皇竹草、王草或芒草中一種或幾種。
4.如權(quán)利要求1或2所述的提高能源草制備生物燃氣效率的兩相反應(yīng)方法，其特征在于步驟(1)所述的預(yù)處理所用的方法為蒸汽加熱。
5.如權(quán)利要求1或2所述的提高能源草制備生物燃氣效率的兩相反應(yīng)方法，其特征在于所述二次強化處理方法為堿蒸汽爆破方法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種克服能源草中難利用物質(zhì)厭氧消化性能低的障礙，提高能源草制備生物燃氣效率的兩相反應(yīng)方法。采用產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相在2個反應(yīng)器內(nèi)分別進行的兩相反應(yīng)工藝對能源草進行發(fā)酵，當原料的產(chǎn)氣量降低時對產(chǎn)酸相中的原料進行二次強化產(chǎn)氣，二次強化采用的手段為使原料中剩余難消化的物質(zhì)分解為易于利用的小分子物質(zhì)。本發(fā)明將兩相反應(yīng)工藝和二次強化水解相結(jié)合，強化二次水解微生物對能源草中難利用成分的產(chǎn)氣，提高了原料的利用效率，可縮短整個反應(yīng)的停留時間從而有利于提高水解相的反應(yīng)效率，降低反應(yīng)器的體積。此外，將原料在水解相進行水解產(chǎn)酸可免除二次強化時的固液分離，并對產(chǎn)甲烷過程無任何影響，有利于產(chǎn)甲烷的連續(xù)進行。
文檔編號C12P5/02GK102321674SQ20111024655
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者孔曉英, 孫永明, 李 東, 李連華, 楊富裕, 甄峰, 袁振宏 申請人:中國科學院廣州能源研究所