汽爆濕貯存玉米秸稈的兩相厭氧發(fā)酵方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域，為一種以瞬時(shí)彈射式汽爆為預(yù)處理方式的濕貯存玉米秸桿兩相厭氧發(fā)酵方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)每年玉米秸桿蘊(yùn)藏量達(dá)2.61億噸，占我國(guó)秸桿資源總量的39%。這些秸桿做為飼料、肥料及工業(yè)原料的比例仍然很低。秸桿還田與焚燒成為了實(shí)質(zhì)上最主要的處理方式。由于玉米秸桿碳氮比高、降解腐熟緩慢、病蟲害不隔離以及數(shù)量過大，秸桿還田已影響到了下一季的種植。秸桿焚燒雖然解決了上述問題，但帶來了嚴(yán)重的大氣顆粒物污染，這與建設(shè)生態(tài)文明背道而馳。因此對(duì)秸桿收集并轉(zhuǎn)化為清潔能源成為最具前景的發(fā)展方向之一。目前所面臨的最大問題在于降低轉(zhuǎn)化成本、提高轉(zhuǎn)化效率。這一問題可以具體劃分為秸桿收貯、預(yù)處理、發(fā)酵三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。
[0003]由于干秸桿在干燥、收集、粉碎過程中生物量損失大，密度低，大大提高了轉(zhuǎn)化成本。同時(shí)干秸桿在預(yù)處理前還需要預(yù)浸泡，也增加了處理成本。
[0004]現(xiàn)有秸桿預(yù)處理方式包括堿堆慪、摻加畜禽糞便。在木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)的生物結(jié)構(gòu)中，纖維素被木質(zhì)素、半纖維素交織覆蓋、包絡(luò)，實(shí)際上木質(zhì)素成為了生物質(zhì)中纖維素與半纖維素進(jìn)行生物降解的天然屏障。這種狀態(tài)下要想提高生物質(zhì)秸桿中半纖維素和纖維素的轉(zhuǎn)化率，就必須把木質(zhì)素、半纖維素剝離開來，消除其阻礙和占用纖維素分解酶的屏障作用，增加生物質(zhì)秸桿的孔隙率和酶對(duì)纖維素的可及性，這就是所有預(yù)處理方法追求的目標(biāo)?，F(xiàn)有手段未能達(dá)到對(duì)秸桿微結(jié)構(gòu)的有效分離是制約秸桿厭氧發(fā)酵效率的關(guān)鍵。急需新的低成本、高效率的預(yù)處理技術(shù)。
[0005]秸桿厭氧發(fā)酵屬于高固體厭氧消化技術(shù)，是一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。由于秸桿酸化迅速，在全混式發(fā)酵時(shí)，易發(fā)生入料沖擊，造成酸化，抑制發(fā)酵，因此難以提高發(fā)酵濃度。針對(duì)這一問題兩相發(fā)酵方式應(yīng)運(yùn)而生，可以有效解決酸化與甲烷化兩階段反應(yīng)不同步的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種以瞬時(shí)彈射式汽爆為預(yù)處理手段，對(duì)濕貯存秸桿進(jìn)行兩相厭氧發(fā)酵的方法。
[0007]瞬時(shí)彈射式汽爆技術(shù)是將滲進(jìn)植物組織內(nèi)部的蒸汽分子瞬時(shí)釋放完畢，使蒸汽內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并作用于生物質(zhì)組織細(xì)胞層間，從而用較少的能量將原料按目的分解。該技術(shù)和較早被利用的熱噴技術(shù)、膨化技術(shù)存在根本區(qū)別，這些區(qū)別主要體現(xiàn)在:
[0008](I)這一爆破技術(shù)的核心是利用蒸汽壓力和汽爆設(shè)備特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使物料在爆炸聲中(毫秒)瞬時(shí)全部爆出。由于爆破瞬間前后造成了植物體內(nèi)外的幾十倍壓差，使植物體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)破壞，木質(zhì)素與纖維素、半纖維素大幅度分離和斷裂，導(dǎo)致這種變化作用力的其直觀表現(xiàn)是“炸”聲。
[0009](2)特殊的汽缸-活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使蒸汽在爆破中能夠?qū)崿F(xiàn)比較完全的熱功轉(zhuǎn)變，熱能轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能對(duì)植物做功。其外在的表現(xiàn)特征是爆破物溫度短時(shí)間內(nèi)發(fā)生顯著下降，由240°C驟然降到近50°C。
[0010]本發(fā)明的基本原理是:針對(duì)濕貯存玉米秸桿富含細(xì)胞內(nèi)水分的特質(zhì)，通過瞬時(shí)彈射式汽爆技術(shù)，利用高壓蒸汽的加熱與短時(shí)間的爆出作用，使秸桿細(xì)胞內(nèi)水分快速汽化膨脹，達(dá)到物料微結(jié)構(gòu)破碎及宏觀漿化目的。與此同時(shí)，汽爆過程中的熱化學(xué)反應(yīng)生成的甲酸、乙酸、丙酸及丁酸，使爆出后的秸桿處于PH4.1?4.4的酸性狀態(tài)。利用這一條件，將汽爆后漿化的玉米秸桿泵入酸化反應(yīng)器中，在不添加化學(xué)藥劑條件下使其自然發(fā)生快速酸化水解。最后，根據(jù)甲烷化反應(yīng)器的發(fā)酵負(fù)荷能力，均勻持續(xù)的由酸化反應(yīng)器供給水解液，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的厭氧發(fā)酵過程。
[0011]本發(fā)明的目的可以通過以下措施達(dá)到:
[0012]一種汽爆濕貯存玉米秸桿的兩相厭氧發(fā)酵方法，將標(biāo)準(zhǔn)濕貯存工藝下貯存的粉碎濕貯存原料送入汽爆機(jī)活塞中，通入I?2.5MPa飽和水蒸氣，經(jīng)過60?200s保壓時(shí)間，在0.01秒內(nèi)活塞彈出并將秸桿爆出，送入酸化反應(yīng)器進(jìn)行酸化水解；酸化反應(yīng)器中經(jīng)過濾取出的酸化水解液以連續(xù)或定量的方式注入甲烷化厭氧反應(yīng)器。酸化反應(yīng)器與甲烷化反應(yīng)器均連續(xù)產(chǎn)出沼氣。
[0013]酸化反應(yīng)器的發(fā)酵濃度TS為10%?25%，實(shí)際上隨著酸化水解的進(jìn)行，這一濃度在不斷下降。當(dāng)再次進(jìn)料時(shí)又上升至最大值，如此往復(fù)波動(dòng)。特別指出的是在酸化反應(yīng)器中不添加任何接種物、化學(xué)試劑、酶制劑等，反應(yīng)是在汽爆爆出物酸性條件下自然進(jìn)行的。
[0014]甲烷化厭氧反應(yīng)器可以為裝載有顆粒污泥的UASB反應(yīng)器或IC反應(yīng)器，并將該反應(yīng)器的出水完全回注到酸化反應(yīng)器中。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0016]1、直接使用濕貯存原料，保證了原料全年穩(wěn)定低成本供應(yīng)。
[0017]2、汽爆濕貯存秸桿在較低壓力下就能獲得滿意汽爆效果，這緣于發(fā)揮了細(xì)胞內(nèi)水分的汽化膨脹作用。
[0018]3、汽爆預(yù)處理的時(shí)間短、能耗低，為大批量處理創(chuàng)造了條件。同時(shí)汽爆后濕貯存秸桿與水混溶，有效解決了厭氧發(fā)酵中秸桿漂浮問題。
[0019]4、整個(gè)厭氧發(fā)酵過程不添加任何接種物、化學(xué)試劑、酶制劑等，不僅降低成本，而且生產(chǎn)過程的環(huán)保特性優(yōu)異。
[0020]5、汽爆過程產(chǎn)生的有機(jī)酸不但加速了酸水解過程，而且本身就成為了甲烷化反應(yīng)的底物，加速了整體高固體厭氧消化的反應(yīng)速率。
【附圖說明】
[0021 ] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0022]圖1為本發(fā)明的工藝流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]該實(shí)施方式僅是闡述本發(fā)明的基本原理，對(duì)于具體參數(shù)并非限制性的。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)情況進(jìn)行合理的調(diào)整或取舍。
[0024]實(shí)施例
[0025]將玉米秸桿在采收季節(jié)收獲玉米后4小時(shí)內(nèi)收割并運(yùn)至濕貯存池，經(jīng)專用濕貯存粉碎機(jī)揉碎后(長(zhǎng)度不一，一般為5?30cm)送入濕貯存池并碾壓夯實(shí)，平均每畝采收鮮秸桿2.2噸。經(jīng)過7?10天乳酸菌發(fā)酵后即可按照用量取用濕貯存秸桿。將濕貯存原料(含水量約為40% )用裝載機(jī)放入汽爆機(jī)入料口，通入壓力2.5Mpa，溫度230°C飽和水蒸氣，經(jīng)過90s左右對(duì)保壓時(shí)間，然后在0.00875秒內(nèi)以瞬時(shí)彈射式汽爆方式將爆腔內(nèi)的物料瞬間爆出。爆出物進(jìn)入接收池中后，按照1: 3的比例加入清水或厭氧反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán)水，再由濃漿泵泵入酸化反應(yīng)器中。物料進(jìn)入酸化反應(yīng)階段后，根據(jù)酸化液的濃度、PH值以及甲烷化反應(yīng)器的消化負(fù)荷能力，從酸化反應(yīng)器中經(jīng)過濾抽出酸化液，送入到甲烷化反應(yīng)器中。兩相反應(yīng)的最佳反應(yīng)溫度可以控制在35°C。
[0026]對(duì)比例
[0027]將玉米秸桿自然風(fēng)干粉碎至I?3cm裝袋，平均每畝采收風(fēng)干秸桿180Kg。取用時(shí)，將秸桿與牛糞按照3: I的比例摻混，并加入生石灰及一定量的水，使其升溫堆慪7天。將堆慪后的混合物及污泥接種物按5: I比例送入全混厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中，在35°C下進(jìn)行恒溫厭氧發(fā)酵。
[0028]在實(shí)施例與對(duì)比例中，固體反應(yīng)器中的TS均為10%。對(duì)比例的發(fā)酵周期為55天，秸桿產(chǎn)氣率平均為294L/Kg(干基)；實(shí)施例中，酸化反應(yīng)器在4天后排出酸化底渣，但酸化液一直保持與甲燒化反應(yīng)器的循環(huán)，稻桿產(chǎn)氣率為455L/Kg(干基)。
[0029]從上述對(duì)比中，可以看出汽爆濕貯存玉米秸桿可以明顯縮短固體停留期，提高反應(yīng)器生產(chǎn)效率，并且提高了秸桿厭氧轉(zhuǎn)化效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種汽爆濕貯存秸桿的兩相厭氧發(fā)酵方法。其特征是:將濕貯存秸桿送入汽爆機(jī)活塞中，通入I?2.5MPa飽和水蒸氣，經(jīng)過60?200s保壓時(shí)間，在0.01秒內(nèi)活塞彈出爆腔并將秸桿爆出，送入酸化反應(yīng)器，發(fā)酵濃度TS為10%?25%，并按照厭氧發(fā)酵負(fù)荷向甲烷反應(yīng)器供給酸液，完成厭氧發(fā)酵過程。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩相厭氧發(fā)酵方法，其特征是:酸化反應(yīng)器與甲烷反應(yīng)器之間通過過濾器進(jìn)行液體交換。
【專利摘要】本發(fā)明涉及新能源技術(shù)領(lǐng)域，為一種以瞬時(shí)彈射式汽爆為預(yù)處理方式的濕貯存玉米秸稈兩相厭氧發(fā)酵方法。本發(fā)明提供的一種方法為針對(duì)濕貯存玉米秸稈富含細(xì)胞內(nèi)水分的特質(zhì)，通過瞬時(shí)彈射式汽爆技術(shù)，利用高壓蒸汽的加熱與短時(shí)間的爆出作用，使秸稈細(xì)胞內(nèi)水分快速汽化膨脹，達(dá)到物料微結(jié)構(gòu)破碎及宏觀漿化目的。與此同時(shí)，汽爆過程中的熱化學(xué)反應(yīng)生成的甲酸、乙酸、丙酸及丁酸，使爆出后的秸稈處于PH4.1～4.4的酸性狀態(tài)。利用這一條件，將汽爆后漿化的玉米秸稈泵入酸化反應(yīng)器中，在不添加化學(xué)藥劑條件下使其自然發(fā)生快速酸化水解。最后，根據(jù)甲烷化反應(yīng)器的發(fā)酵負(fù)荷能力，均勻持續(xù)的由酸化反應(yīng)器供給水解液，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的厭氧發(fā)酵過程。
【IPC分類】C02F11/04, C12P5/02
【公開號(hào)】CN105132467
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410267326
【發(fā)明人】張百良, 宋安東, 于政道, 徐桂轉(zhuǎn), 任天寶, 張兆昆
【申請(qǐng)人】宋安東
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2014年6月9日