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課題組簡介：陳墨（總工程師，碩士）申云（組長，高級工程師）劉知華（副組長，博士后）
摘 要:
本文簡述了我國現存的農作物秸稈資源化利用技術及存在的問題,介紹了一種純秸稈高濃度連續發酵裝置的研究與應用概況、工藝條件、產氣效果。
前言：
我國目前推行的沼氣類型主要有戶用小型沼氣和大中型畜禽規模化養殖場沼氣工程，雖然解決了一些問題，但弊端日漸顯現。在戶用小型沼氣方面，由于糞源短缺、農村勞動力外流以及管理經驗不足，已經造成60%的已建沼氣池廢棄。在規模化養殖場沼氣工程方面，由于能耗高、產氣率低、沼液沼渣銷售渠道不完善等因素，僅靠出售沼氣難以維持沼氣工程的運轉，造成養殖企業沼氣工程負收益。
在當前狀態下，我們急需一種解決上述問題的新裝置。它應該有以下功能：1，發酵原料廣泛：各種農作物秸稈、生活垃圾、人畜糞污均可使用；2，管理方便：以村鎮為單位實現集中供氣的發酵裝置，管理人員不超過3人；3，以出售沼氣為收入方式的狀態下，要有足夠的盈利，即每立方沼氣的生產成本不超過0.6元；4，投資小，市場能接受。
在以上述功能為研究方向的指導下，河南焦作華中能源科技有限公司自籌研發經費450余萬元，自2007年開始成立課題組進行秸稈沼氣工程的科研工作，對發酵工藝的各個環節進行創新和優化。2008年5月完成50m³全秸稈連續干發酵工藝初試，2009年9月年完成200m³純秸稈秸稈連續干發酵沼氣工程中試。設計優化出一套投資小、自動化程度高、適合中國國情的全秸稈沼氣工程解決方案.
1、 材料和方法
1.1發酵原料
(1)玉米秸稈、麥秸、稻草、玉米芯、棉桿、油菜桿、鋸末、中藥廢渣、玉米廢渣、生活垃圾等
(2)接種物
通常原料預處理階段使用降解菌和復合菌;沼氣發酵啟動時使用含有大量沼氣發酵微生物的各種厭氧活性甲烷菌;牛糞和污水處理廠污泥。
1.2設備與儀器
(1)試驗裝置
試驗裝置為課題組自行設計制作的厭氧發酵裝置。主發酵池、儲氣柜、凈化裝置采用鋼板焊接，預處理池、操作間采用磚混結構。
1.2試驗儀器
試驗儀器包括恒溫干燥箱(意大利產),馬弗爐(S-12箱式電阻爐,沈陽市節能電爐廠制造), 分析天平(意大利產),pH計(PHS-3c型,上海精密科學儀器有限公司),恒溫水浴鍋(北京永光明儀器廠制造),氣相色譜儀(varian-3800)等。
1.3試驗方法
1）進料方式：主發酵池建好以后，課題組首先選用不同進料裝置和進料方式對各種秸稈原料的不同粒度和濃度進行了實驗和優化。
通過采用鉸龍裝置、活塞擠壓裝置、泵送裝置、液壓裝置、真空吸附、高壓氣動裝置的對比實驗，發現高壓氣動進料裝置效果最好，最大粒度達60mm，TS20%以上。
2)發酵濃度
通過對玉米秸稈、麥秸、稻草等原料分別采用TS6%-30%進行不同發酵試驗，最終得出濃度在13-18時產氣最高，可達0.46-0.52m³/kg.
3)發酵溫度 分別選取20°、25°、30°、35°、45°、54°進行實驗，得出：25°下能效比最高，冬季（池外溫度-12°）無需加溫措施；35°下能耗和產氣率對比最優；
增溫措施經鍋爐增溫和太陽能集熱器增溫對比，得出太陽能集熱器增溫效果最優。
4）C/N
分別選取不同碳氮比進行發酵試驗，發現影響因素不大，C/N比1：1-70：1均可正常產氣；
5）原料預處理
分別用物理、化學、生物方法對原材料進行了預處理，粉碎、揉搓、氣爆、堆漚、各種菌群、酸堿、氨化、固化酶等方式中，優化出的最佳預處理方法是：粉碎+氣爆+固化酶；
6）滯留期
分別采取20天、30天、40天、50天、60天、90天進行對比，優化出如下最佳滯留期為：常溫56D，中溫45D，高溫28D。
7）防結殼處理方法
通過采用噴淋、機械破殼、氣動攪拌等多種方法對比優化，最終得出最佳方法為：沼液回流+機械攪拌；
2、結果與討論
經過3年上千次的試驗與優化，中試情況如下
1）以秸稈為主原料，原料來源廣泛。本課題以秸稈為主，經實踐麥秸稈、稻稈、麥糠、雜草等各種生物質均可，解決了養殖業欠發達的地區沼氣發酵原料缺乏的問題；除用秸稈外，還可以和畜禽糞便、有機垃圾組成混合型原料；
2）可實現連續進料、均勻產氣。每日頂部均勻布料，克服批量沼氣發酵產氣不均勻的問題。實現每日出料、進料。還可控制產氣量，按一周左右產氣高峰來計算，控制秸稈量來控制產氣量，資源得到有效利用；
3）采用PLC(Programmable Logic Controller可編程邏輯控制器)系統。發酵罐溫度、壓力、產氣量、貯氣壓力等自動監控、報警、過壓保護控制，安全高效，節省人力；
4）占地面積小，自動化程度高。500m³沼氣工程占地僅3.5畝，采用機械聯動控制，產氣、貯氣過程自動化；
5）分解快、池容產氣率高。地上立式消化器，秸稈滯留期長，反應徹底，原料產期率高達0.5m³/kg，池容產氣率達1-1.5m³/m³•D ，比傳統糞污大近十倍。
6）高效、穩定四季產氣連續均勻。普通沼氣池存在“夏季用不完，冬季不夠用”的現象。而該發生裝置有節能型的增溫（太陽能）、保溫措施，發酵溫度35度以上，達到常年高效、穩定產氣，即使在高寒地區仍可穩定運行。
7）消除結殼現象的發生。以往的秸稈沼氣容易有結殼現象的發生，此裝置采用沼液循環使用，實現快速接種和保持罐體內料的濕度，消除結殼現象，提高發酵速率和產期率。
8）沼液全部回流，沼渣直接做有機肥使用，真正實現零排。
3、結束語：
通過課題組成員幾年的努力，純秸稈連續高濃發酵裝置取得了很大突破,能夠保證農作物秸稈在干物質濃度較高的情況下正常發酵,產生清潔能源(沼氣)和優質有機肥,基本上達到零排放,符合我國廣大農村地區對優良環境、清潔能源和優質有機肥的需求。目前已申報多項專利和成果鑒定，在實現村鎮集中供氣及農作物秸稈綜合利用方面，,大型秸稈沼氣工程將成為重要選擇。 |
