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趙勝雪1，趙越1，康可新2，王明3,4
（1.黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶163316；2.黑龍江瑞豐盈現代農業科技有限公司，哈爾濱150010；3.華中農業大學工學院，武漢430070；4.農業部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢430070）
摘要：以玉米秸稈和水稻秸稈為研究對象，通過測定二者厭氧發酵后的沼氣、沼渣產量及熱值，探討秸稈氣固燃料二元聯產的綜合能源利用效率與經濟效益。結果表明，由于發酵后秸稈沼渣中木質素含量增大，沼渣熱值也有所增大；沼渣成型燃料密度、機械耐久性等特性均優于原秸稈；秸稈氣固燃料二元聯產綜合能源利用效率較秸稈直接燃燒可提高40%~50%（以發電量計）；因免除收集、運輸和粉碎等成本，秸稈沼渣生產成型燃料的綜合成本較秸稈壓塊單獨生產模式可節省46.4%。
0引言
在眾多秸稈處理方向中，能源化處理一直倍受關注，這主要源自于化石能源的不可再生和全球日益緊張的能源危機問題。利用厭氧發酵法將秸稈轉化成甲烷和直接將秸稈壓縮成型作為固體燃料均是秸稈能源化的重要途徑[1,2]。然而，因秸稈中半纖維、纖維素與木質素三者在植物細胞壁中以相互纏繞的聚集體形式存在，很難被微生物降解利用。因此，秸稈在進行沼氣發酵后仍殘留進料質量約50%的殘渣（俗稱秸稈沼渣），其成分以木質素和結晶纖維素為主。秸稈沼渣的處理及應用一直是影響秸稈沼氣工程快速發展的重要問題之一。目前對秸稈沼渣的處理及利用方式多種多樣，如與畜禽糞污混合堆肥、制作育苗基質和栽培食用菌等。然而，這些對秸稈沼渣的處理方式受地域、資源及生產需求的影響，處理能力十分有限，均難以滿足大規模沼氣工程秸稈沼渣的處理需要。
生物質固體燃料是在一定物理條件下，將農林廢棄物壓縮成型，制成熱值高、燃燒充分的環保原料[2]。秸稈也可用于成型燃料的生產，但因收集、運輸和粉碎等過程的復雜性和高成本，秸稈成型燃料的發展一直較為緩慢。近些年，有研究學者提出利用厭氧發酵方式改性秸稈，獲得的秸稈沼渣成型特性更優。楊世關等[3]研究表明，玉米秸稈經厭氧發酵后木質素含量有所增大，這不僅使秸稈沼渣熱值有所提高，同時也更利于壓塊成型。國外研究學者也提出[4]，沼渣燃料燃燒后，灰渣中含有大量的P、K、Ca等無機元素，可將其制作成高營養含量的顆粒肥料。此外，還有研究發現[5]，沼渣燃燒后，重金屬元素主要分布在粗、氣旋和過濾灰當中，從而可對重金屬元素起到分離作用，特別是Cd.Pd.Zn和Hg等重金屬元素已被發現是高揮發性的，再冷凝后主要停留在過濾灰中。
綜上所述，因生物質成型過程中機械化程度較高，如將秸稈沼渣用于生產固體燃料，可實現秸稈氣固燃料聯產和秸稈沼渣高效處理的雙重目的。然而，目前國內關于秸稈沼渣用于生產固體燃料的研究還較少。秸稈沼渣從產出后，需經過脫水、干燥及成型等多個環節，其可行性和經濟性還缺乏論證。鑒于此，本研究選擇玉米與水稻兩類代表性秸稈為研究對象，通過沼氣發酵、沼渣擠壓脫水、沼渣成型、熱值測定及能量轉化效率等過程的研究分析，試探索秸稈氣固燃料二元聯產的關鍵問題及其可行性和經濟性。旨在推動沼氣發酵與生物質成型兩類秸稈能源化方式的有機結合。
1材料與方法
1.1材料
玉米秸稈與水稻秸稈均收自華中農業大學校內試驗田，秸稈經晾曬后，切碎至3cm以下。其中，玉米秸稈的莖部需縱向劈裂成4~8份。厭氧發酵接種物取自實驗室厭氧發酵中式裝置(有效容積400L；發酵底物為豬糞；運行溫度(35±1)℃；pH值7.58±0.15；懸浮物固體濃度濃度(47.5±1.71)g/L。
1.2沼氣產量測試
沼氣產量測試采用瑞典AMPTS-II全自動甲烷潛力測試系統，每個反應器容積為500mL。為了考察某種物料的最大產氣潛力，一般采用濕法批式厭氧發酵方式進行測試，發酵周期為15~30d。測試前，每個反應器中裝入400mL接種物和10g秸稈，混合后反應器內物料的干物質濃度在7%~8%之間，接種物與秸稈的比例約為2：1(以干物質計)。發酵溫度設定為(35±1)℃。
1.3沼渣產量測算
將秸稈發酵后的剩余物進行固液分離，然后再用清水將秸稈發酵殘渣洗凈(洗去秸稈表面附著的污泥)。洗凈后的秸稈經風干和烘干后，測其干重。沼渣產率r(％)可由式⑴計算得出：
1.4秸稈能量利用效率計算
秸稈經生物發酵制氣和沼渣制備固體燃料后，其氣固燃料聯產的總熱量得率Q(MJ/kg)可由式(2)~式(4)計算得出：
1.5分析方法
干物質含量(DM)采用電熱鼓風干燥箱、箱式電阻爐，并根據標準方法測定[6]；pH值采用實驗室用數顯酸度計PHS-3C測定；纖維素、半纖維素和木質素含量采用美國ANKOM200纖維素分析儀按照范氏法(Van Soest)測定切；生物質固定碳、灰分和揮發分的含量根據GB/T212—2008中緩慢灰化法進行測定[7]；沼渣熱值分析采用HYHW-8A彈熱式量熱儀(河南，鶴壁)測定；生物質成型采用試驗型成型機進行，條件為6MPa，100成型燃料的機械耐久性測試，包括抗鐵碎性測試和抗滲水性測試，其測試方法參照文獻[8]。
2結果與分析
2.1秸稈發酵特性
本研究采用批示厭氧發酵方式分別對玉米秸稈和水稻秸稈的產氣潛力進行測試，發酵試驗共計進行30d，秸稈的沼氣與沼渣產率以及主要組成成分的變化如表1所示。由表1可知，獲得的玉米與水稻秸稈最大累計產氣量分別為0.324m3/kg和0.350m3/kg，沼渣產率分別為53%和48%。發酵前后，玉米和水稻秸稈的理化參數和工業分析參數均發生一定變化。發酵后秸稈中纖維素與木質素的含量均有所升高，這是由于二者在厭氧發酵過程中難以被降解而易降解物質被大量去除而導致的；由于木質素的熱值遠高于碳水化合物，因此秸稈沼渣的熱值均有所提升，玉米與水稻秸稈沼渣的熱值分別提升了6.5%和5.1%，固定碳含量升高也表明單位質量沼渣的放熱量更大。沼渣灰分含量較原秸稈有所上升，這在燃燒過程中可能更易出現結渣現象。此外，研究表明，生物質中木質素含量越高，成型特性越好[9]，因此沼渣中木質素含量升高也有利于其成型壓塊。
2.2秸稈沼渣成型燃料特性分析
將發酵獲得的玉米和水稻秸稈沼渣分別進行壓塊成型試驗，與未發酵的秸稈進行對比。重點考察秸稈沼渣成型燃料松弛密度、熱值及機械耐久性等指標的變化情況，其結果如表2所示。
如表2所示，無論是玉米秸稈還是水稻秸稈，發酵后沼渣的成型密度均有所升高。這與楊世關等[3]的研究結果類似，厭氧發酵能提高秸稈的成型密度，且發酵得越徹底，沼渣的成型密度越高。機械耐久性試驗也符合此規律，即沼渣的機械耐久性能更優。在抗鐵碎性實驗中，所有實驗組的失重率均小于5%，—般認為，失重率大于10%的成型燃料不易于反復搬運及長途運輸[8]。秸稈沼渣成型后的失重率更小，這主要由于其成型密度更大和木質素含量較高。研究表明[9]，木質素在高溫高壓狀態下會改變其自身的分子排列結構，從而達到使生物質重新塑形的目的，因此木質素含量越高越有利于生物質成型。在抗滲水性測試中，所有實驗組的成型燃料完全分解所需時間均在5h以上，且秸稈沼渣的抗滲水性優于秸稈直接壓塊。以上實驗結果表明，秸稈經厭氧發酵后，秸稈沼渣成型燃料的物理特性更優。
2.3秸稈氣固燃料二元聯產能量利用效率
將表1中秸稈產氣率、秸稈沼渣產率和固體燃料熱值等數據代入式（2）~式（4），可得1kg干基秸稈直燃和氣固燃料二元聯產所釋放的總熱量和發電量。如表3所示，如果直接對比發熱量，1kg干基玉米和水稻秸稈的直燃發熱量均高于氣固燃料二元聯產的總發熱量，但如果換算成發電量，秸稈氣固燃料聯產則更具優勢。1kg干基玉米秸稈氣固燃料聯產的總發電量為1.11kWh，比直燃發電高約42%；而水稻秸稈氣固燃料聯產發電為1.09kWh，比直燃發電高約50%。這是由于燃氣發電機組的轉化效率遠高于“鍋爐+汽輪機組”模式的熱電轉化效率，因此在秸稈氣固燃料聯產過程中，產氣越多其整體發電量也越高。
2.4秸稈氣固燃料二元聯產的經濟性分析
在過去十幾年中，單純的秸稈沼氣或秸稈成型燃料的能源化利用已被大量推廣應用。秸稈沼渣壓塊與秸稈直接壓塊的最大不同是，前者的含水率較高，需干燥處理，這是秸稈氣固燃料聯產與傳統能源化方式的主要差異環節。因此，在經濟性分析中，重點討論秸稈沼渣壓塊前的干燥成本。
秸稈沼渣的含水率一般約為90%，需經固液分離、風干和機械干燥3個主要環節。以日消耗10t秸稈的能源站為例，每天產秸稈沼渣約為50t（含水率約為90%），經螺旋擠壓式固液分離機處理后可得沼渣12.5t（含水率≤60%）。因生物質壓縮成型前含水率一般要求保持在20%以下，擠壓脫水的沼渣仍需進一步干燥處理，則每天產12.5t脫水秸稈沼渣的干燥過程（初始含水率按60%計，終含水率按20%計）需去除水量y可由式（5）計算得出，據文獻報道，每去除生物質中1kg水所需的熱量約為3349.6KJ[10]，則干燥12.5t脫水沼渣（含6.25t待去除水）所消耗的總熱量約為2.1×104MJ。
對秸稈沼渣烘干熱源的選取上一般有2種方案：1）利用沼氣發電煙氣余熱回收對沼渣進行烘干；2）采用生物質或沼氣熱風爐作為烘干的熱量來源[10]。每日消耗10t秸稈，平均約可產沼氣3000m3，按沼氣熱值20MJ/m3和35%尾氣可回收熱量占比計，可從燃氣機組尾氣回收2.1×104MJ/d的熱量，剛好可滿足機械烘干能量需求。
如沼氣不用于發電，干燥沼渣的熱源可選擇工程自產生物質成型燃料或沼氣。此外，擠壓脫水后的沼渣自由水含量高，且比表面積較大（已呈蓬松狀態），此時纖維中的水分向環境解析速度也較快（氣固界面濕差大）。
因此，實際生產中，在機械烘干前可對高濕度沼渣先進行自然風干或晾曬處理，節約干燥能耗。表4為脫水沼渣經自然風干或晾曬后含水率降至50%和40%，再進行機械烘干所需的熱量及消耗生物質或沼氣燃料量。
由表4可知，如在烘干前將沼渣自然風干至含水50%和40%，則所需機械干燥的熱量可分別減少40.48%和66.67%，即烘干前物料的初始含水率每下降10%，機械干燥的能量需求減少約40%。無論是采用生物質還是沼氣作為熱源，其消耗量都會隨干燥前初始含水率的降低而大幅減少，且完全可由工程本身產出的氣固燃料供給。以風干到含水率50%為例，所需消耗生物質成型燃料或沼氣的量分別為919kg/d和694m3/d（表4），分別約占到工程自身所產各自總量的1/5。因此，在實際生產中，可根據項目所在地的氣候和場地等條件，對擠壓脫水后的秸稈沼渣進行適當自然風干，可大幅降低后續機械干燥的成本。
2.5秸稈直接壓塊和秸稈沼渣壓塊的經濟效益
秸稈直接壓塊，其成本因素一般包含收集、運輸、粉碎、干燥、壓塊電耗以及人工費用等。與之不同的是沼渣壓塊是在秸稈沼氣工程的下游，可在沼氣工程所在地建立壓塊車間，因此可免除前期收集、運輸和粉碎等前處理工序。由于以上構成秸稈壓塊成本的主要因素大多為可變成本，因此測算依據主要參考文獻報道[11,12]和實際調研成本的平均水平。秸稈直接壓塊與沼渣壓塊的主要成本構成如表5所示。秸稈直接壓塊成本約合280¥/t，其中秸稈收運及粉碎成本約占68%，而秸稈沼渣壓塊成本僅150¥/t，其中沼渣干燥費用約占40%。綜合分析，沼渣壓塊較秸稈直接壓塊可節省46.4%的成本，節省的成本主要來自于秸稈前期的收運及粉碎過程（計入沼氣生產工段）；按生物質成型燃料400¥/t的市場價格計，秸稈沼渣壓塊的凈利潤比秸稈直接壓塊高1倍以上，優勢顯著。
以上成本分析是假定玉米秸稈收獲后，其初始含水率在20%以下的情況。實際上，在收獲季節，玉米秸稈的初始含水量大多在30%~50%之間，同樣在壓塊或燃燒前需進行機械干燥處理[13,14]。因此，如果與高濕秸稈原料對比，由于沼氣發酵無需提前干燥秸稈，故而沼渣壓塊的成本優勢更為明顯。此外，因秸稈收獲期較為集中，收儲量較大，短時間內很難干燥大量秸稈，但直接儲存易產生霉變，使秸稈熱值下降，進而不利于秸稈直燃發電和生產成型燃料。而秸稈輕微霉變，某些真菌類微生物產生的纖維分解酶反而會改善秸稈纖維的生物利用效率。因此，如采用秸稈氣固燃料二元聯產的模式，秸稈收獲后可不經過干燥直接儲存，而秸稈發霉部分可經厭氧發酵過程去除，不會影響秸稈沼渣的熱值和成型后的品質。
3結論
1)厭氧發酵后，玉米和水稻秸稈沼渣熱值均有所升高，這是由于沼渣中木質素和固定碳含量上升所致。
2)同等條件下，秸稈沼渣成型后的密度高于原秸稈；且在機械耐久性測試中，秸稈沼渣成型燃料的抗跌碎性與抗滲水性均優于秸稈直接成型。
3)秸稈氣固燃料二元聯產綜合能源利用效率提高40%~50%(以發電量計)。此外，因免除收集、運輸和粉碎成本，秸稈沼渣生產成型燃料的綜合成本較直接壓塊可節省46.4%；其銷售凈利潤約為秸稈直接壓塊的2倍。
綜上所述，秸稈氣固二元燃料聯產模式是秸稈沼氣和秸稈成型燃料2種成熟模式的有機結合，不僅可解決獨立沼氣工程沼渣出路問題，還可轉移秸稈成型燃料目前面臨的收儲運及前處理問題。此外，氣固燃料二元聯產模式終端產出兩類燃料，較單一模式應用更為靈活。沼渣干燥過程是兩者結合的關鍵環節，且受季節和地域因素影響較大，其干燥方式、設備和熱源選擇等，需要進一步探索和不斷優化。
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