專利名稱：用于生物質材料的固態(tài)甲烷發(fā)酵的方法及其發(fā)酵設備系統(tǒng)的制作方法
用于生物質材料的固態(tài)曱烷發(fā)酵的方法及其發(fā)酵設備系統(tǒng) 背景技術本發(fā)明涉及固體生物質材料的不使用水的酸性發(fā)酵和曱烷發(fā)酵方法，以 及使用所述方法的發(fā)酵設備系統(tǒng)。濕曱烷發(fā)酵(wet methane fermentation)過程作為厭氧條件下生物質的曱烷 發(fā)酵方法得到了廣泛應用，所述過程中將與水混合的固體生物質進行厭氧發(fā)酵。然而，在這樣的濕曱烷發(fā)酵過程中存在設備成本較高的缺點，因為每體 積起始生物質材料必需大約15至20體積的發(fā)酵罐，因而增加設備的容積。干曱烷發(fā)酵(dry methane fermentation)過程將這種缺點消除，在該過程中 固體生物質材料在厭氧細菌的幫助下進行曱烷發(fā)酵。根據這種方法，處理1 體積起始材料所需的發(fā)酵罐容積是大約1.5倍體積，從而可能將設備最小化 至一定程度。然而，還存在這樣的缺點花費長時間排出起始固體生物質材 料中存在的空氣，以保持曱烷發(fā)酵所必需的厭氧條件。如果固體生物質材料 中同時存在富含濕氣的垃圾或廢棄食物殘余物，兼性厭氧細菌會在短時間內 自我繁殖，同時消耗固體材料中存在的空氣中的氧氣，從而迅速加速在兼性 厭氧細菌幫助下的分解，以產生大量有機酸，使pH轉向酸性范圍。因為這 些原因，在堿性范圍內生長的產曱烷菌的繁殖受到抑制或終止，導致生物氣 的形成需要至少約一年。關于干曱烷發(fā)酵過程，現有技術包括有效產生曱烷的過程，其中的設 備適合于生物質材料的組成和反應條件，所述過程包括在厭氧條件下對生物 質起始材料進行甲烷發(fā)酵期間，將固體副材料(side-material)與粒狀或漿狀有 機廢棄材料混合，以制備具有透氣性和流動性的廢棄混合物，此后將該混合 物進行厭氧發(fā)酵(參見JP11 -309493A);方法，其中將有機廢棄材料的C/N 比調整到20至250 (參見JP2001-347247A);方法，其中將有才幾廢棄材料與無 機多孔材料混合，并且將混合物導入曱烷發(fā)酵罐(參見JP2002-320949A);和 方法，其中將有機廢棄材料與碳化物(carbide)混合，并且使混合物進行曱烷發(fā) 酵(參見JP2005-230624A)。然而，在所有這些過程和方法中，將生物質起始材料與單獨的副材料混 合，然后調整發(fā)酵條件，因此為了獲得副材料和增加混合步驟的費用不可避 免地會增加成本。另外，難以在進行曱烷發(fā)酵之前對兼性厭氧條件或半好氧 條件進行完全的控制，也難以在曱烷發(fā)酵時控制絕對的厭氧條件。另一方面，還已知所謂的兩階段型固態(tài)曱烷發(fā)酵過程，其中在好氧條件 下于酸性發(fā)酵罐中培養(yǎng)光合作用細菌，而曱烷發(fā)酵罐中厭氧條件下的反應通 過使用在酸性發(fā)酵罐期間產生的熱量來促進，從而有效地產生曱烷(參見JP2005-81182A)。在干過程中，優(yōu)選兩階段固態(tài)曱烷發(fā)酵過程，因為酸性發(fā) 酵步驟中的氧濃度具有適中的可控性，還因為在固態(tài)曱烷發(fā)酵步驟中保持絕 對厭氧條件的可能性。在前述方法中，將好氧條件和厭氧條件聯合使用，難 以設置完全相反的條件，因此至今為止尚未實現。發(fā)明簡述已經完成的本發(fā)明的目的是，在通過兩階段固態(tài)曱烷發(fā)酵過程有效地進 行曱烷形成時，提供高效產生曱烷的方法，所述方法通過在酸性發(fā)酵過程中 控制好氧條件和在曱烷發(fā)酵中控制厭氧條件，并且不向起始生物質材料中添 加任何外源材料。對開發(fā)以低成本在兩階段固態(tài)曱烷發(fā)酵中有效產生曱烷的過程進行廣泛 的研究，結果目前發(fā)現可以通過如下方法實現上述目標將成形為顆粒狀的 壓碎的生物質材料進料至已引入空氣的酸性發(fā)酵區(qū)中；將該區(qū)域中的生物質 材料在兼性厭氧條件或半好氧條件下進行酸性發(fā)酵；壓縮顆粒以去除包含非 常少量氧氣的氣體；和將生物質顆粒轉移至曱烷發(fā)酵區(qū)，其中將生物質顆粒 在厭氧條件下壓縮并進行曱烷發(fā)酵，同時將包含非常少量氧氣的氣體去除。 本發(fā)明根據上述發(fā)現而完成。按照本發(fā)明，提供通過固體生物質材料的固態(tài)發(fā)酵產生生物氣的方法， 其包含如下步驟(1 )將生物質材料制成顆粒；(2) 將顆粒導入酸性發(fā)酵區(qū)；(3) 在保持氧濃度為0.01%至5.0%的半好氧條件下或兼性厭氧條件下，使 顆粒中的生物質材料進行固態(tài)酸性發(fā)酵；(4) 通過壓縮從生物質材料的顆粒中去除氧氣來增加顆粒的密度；(5) 將致密顆粒轉移至曱烷發(fā)酵區(qū)中；和(6) 在厭氧條件下，使致密顆粒中的生物質材料在曱烷發(fā)酵區(qū)中進行曱烷發(fā)酵，其包含酸性發(fā)酵罐，其具有將固體生物質材料制成顆粒的裝置和帶有可移 動閥門的空氣入口；和具有顆粒壓縮裝置的曱烷發(fā)酵罐，其通過用于隔開的 (for separation)可移動閥門與酸性發(fā)酵罐相連。在前述酸性發(fā)酵區(qū)中，使用在兼性厭氧條件或半好氧條件下成形為顆粒 的固體生物質材料來調整區(qū)域中氧氣的分壓，以免因為發(fā)生過多的酸性發(fā)酵 而使溫度升高。附圖簡述圖1是流程圖，其顯示本發(fā)明的過程的實例。 圖2是側面示意圖，其顯示本發(fā)明的設備系統(tǒng)。圖3是曲線圖，其顯示參考實施例1中制備的三種顆粒在一段時間內生 物氣放出的差異。圖4是曲線圖，其顯示參考實施例2中制備的三種顆粒在一段時間內生 物氣放出的差異。圖5是曲線圖，其顯示參考實施例3中獲得的生物氣放出累積量和曱烷 濃度之間的關系。優(yōu)選實施方案詳述下面，將參照附圖來闡釋本發(fā)明。圖l是流程圖，其顯示本發(fā)明的方法的實例。所述方法由以下步驟組成 粗略粉碎步驟(a)、顆?；?pelletizing)步驟(b)、酸性發(fā)酵步驟(c)、曱烷發(fā)酵步 驟(d)、發(fā)酵殘余物回收步驟(e)、第二顆粒化步驟(f)和能量產生步驟(g)。將起 始生物質材料(A)提供至步驟(a),并通過各步驟對其進行處理。最后，將處理 后的材料作為燃燒殘余物(D)排出(exhaust)。在這些步驟中，步驟(d)中形成生 物氣(B)，并在步驟(f)中獲得制成顆粒的固體燃料(C)。作為向步驟(a)提供的起始生物質材料，任何用作曱烷發(fā)酵的起始材料的 材料都可以使用，所述材料選自迄今為止用作發(fā)酵材料的、動物或植物來源的普通有機廢棄材料。這樣的材料的示例是，例如，農業(yè)廢棄物比如稻草(straw) 和干草、纟屯4匕7K箱的污物(grime of a purified water tank)、 下7Jc道污物(sewage grime)、食物廢棄物、4木業(yè)廢棄物比如^f戈木才才泮+(lumbering materials)和發(fā)d戈材 料(thinning materials)、家畜4非泄物、漁業(yè)污物(fishery grime)、舊紙張和排泄 物。在這些示例中，將包含大量水的物質(如污物和排泄物)在使用之前干燥并 固化。在步驟(a)中將這些材料粗略地壓碎，使大小不超過100mm，然后在步驟 (b)中顆?；?，如果需要的話，其中可以基于起始材料的質量大約0.001至5% 的量加入熟石灰或生石灰。在步驟(b)中，通過雙螺旋才齊壓機(double-screw extmder)、活塞壓力進并+才幾(piston pressure feeder)等，在至少0.5 MPa，或通 常在0.5至80 MPa的壓力下，通過直徑為7至100 mm的模具(die)顆?；?。 加入熟石灰或生石灰以使酸性發(fā)酵后的曱烷發(fā)酵中生物質材料的堿度易于調 整。優(yōu)選在超永磁體(ultra-permanent magnet)等的幫助下，去除在進行壓碎前 可能存在于材料中的金屬餐具和烹飪工具，比如廚刀、叉、匙。顆?；某尚螚l件根據材料的水含量或濕含量而變化，所以需要選擇模具的 直徑大小，以獲得適當的成形條件。優(yōu)選在低水含量進行顆?；襟E，水含 量不超過40。/。濕基(wet basis)。術語"％濕基"表示在常壓下，室溫時，生物質材料中包含的固體成分 的干質量和水含量的總和中水含量的百分比(％)。將酸性發(fā)酵步驟(c)和曱烷發(fā)酵步驟(d)在與已知的曱烷發(fā)酵所采用的相 同反應條件下進行；即步驟(c)通常在保持0.01至5.0%氧濃度的半好氧條件或 厭氧條件下進行，而步驟(d)在絕對厭氧條件下進行。在常規(guī)固態(tài)曱烷發(fā)酵中， 形成主要包含曱烷的生物氣，但曱烷發(fā)酵后殘留的殘余物包含氨(ammonia) 和未消化的有機酸，如丁酸、丙酸等，并發(fā)出強烈的難聞氣味，使碳化處理 后獲得的碳化產物不能有益地使用。本發(fā)明的方法中獲得的殘余物沒有這樣 難聞的氣味，并在步驟(f)中進行第二顆粒化處理，可將步驟(f)中得到的顆粒 有益地用作固體燃料顆粒。在前述步驟(c)和(d)中，生物氣的得率(yield)和生物氣的產生速度受特定 氧氣分壓影響，因此這些步驟之間需要建立壓差。通過在兩個步驟之間提供的隔板(bulkhead)和安裝在該隔板上的可移動閥門的作用來保持壓差，作用的 方式為閥門一直關閉，只在去除顆粒時打開。然后測定酸性發(fā)酵步驟中曱烷 的濃度，并將可移動閥門適當地開啟或關閉以調整壓差。在這種情況下，優(yōu) 選將酸性發(fā)酵區(qū)中的氧氣分壓設置在1至5000 Pa的范圍內，將曱烷發(fā)酵區(qū) 中的氧氣分壓設置在0.1至l.OPa的范圍內。在步驟(d)中，需要壓縮起始的制成顆粒的材料，從而使生物質顆粒中不 留空隙空間，因為產曱烷菌(methanogen)是一種絕對兼性厭氧的細菌，甚至非 常少量氧氣的存在也會顯著影響所述產曱烷菌的代謝。這可以通過在0.5至 10 MPa的壓力下使用壓機型(press type)的壓縮機械裝置而得到。在這種情況 下，重要的是保證壓機的活塞的可移動部分與發(fā)酵罐的上部之間的氣密性， 因此優(yōu)選應用液封型或迷宮環(huán)型(labyrinth ring type)的密封方式，以使其能夠 耐受最大3000 mm Aq的氣壓。然而，未進行密封時，沒有發(fā)現曱烷得率有 明顯的降低。如果需要，可以不進行密封。在壓縮-增加密度后，顆粒的本體 密度(bulkdensity)增加，應該在920至1360 kg/m3的范圍內。適當地，步驟(c)中生物質材料的水含量為大約70%濕基，而步驟(d)中生 物質材料的水含量為大約80%濕基，因此在這些步驟中，優(yōu)選分別對水含量 進行調節(jié)。優(yōu)選地，回收在干燥曱烷發(fā)酵殘余物的過程中產生的蒸發(fā)水，并 將其用作這種情況下補充的水。步驟(d)中水的補充可以通過將從步驟(d)中產 生的漿料中流出(ooze out)的水進行再循環(huán)(recycle)來進行。處理曱烷固態(tài)發(fā)酵中的殘余物對于完成所謂的共產生系統(tǒng)非常重要，所 述共產生系統(tǒng)指熱能和電力的同時產生，因為殘余物可以用作外燃機(external combustion engine)的燃泮牛，所述夕卜燃才幾尋皮用作動力產生i殳備(power generator)。 當生物質材料中絕對不含不可燃的外來材料時，在干燥后將步驟(e)中的殘余然而，通常不可避免的是，生物質材料中包含從化石燃料產生的外來材 料。通常，將產物用作能源時，有害物質比如二嗯英必須在80(TC或更高的 溫度熱分解。然而，根據本發(fā)明的方法，在步驟(e)中回收來自步驟(d)的發(fā)酵 殘余物，進行第二顆粒化，并在低壓高溫(600。C,大約0.2 MPa)將過熱蒸汽 加入所得的顆粒，然后通過利用生物氣，使顆粒在800。C以上進行熱分解反 應，從而產生具有高熱量的合成氣體。將此步驟形成的殘余物在步驟(g)中燃 燒。當使用具有生物氣燃燒助推器(booster)的熱分解反應爐，或者由于有外燃 機而建立起共產生系統(tǒng)作為附件(a皿ex)時，有利的是兩階段固態(tài)曱烷發(fā)酵設 備系統(tǒng)不必需水處理步驟。盡管取決于起始生物質材料中不可燃無機物質的含量，步驟(g)中形成的 燃燒殘余物，即灰燼，都包括有用和無用的部分。適當分級的家庭廢棄物如 垃圾和廢棄食物，在很多情況下都可以再利用，并是有用的，但是其它無用 的部分除了用作填埋材料外，尚未發(fā)現其它處理方法。當使用兩階段固態(tài)曱烷發(fā)酵設備系統(tǒng)時，需要通過實驗選擇步驟(c)中使 用的酸性發(fā)酵罐和步驟(d)中使用的曱烷發(fā)酵罐的容積比例。假設產生的生物 氣的量依賴于起始生物質材料的表觀密度和水含量而變化，實驗證實，雖然 當通過顆?；蛊鹗疾牧系谋碛^密度增加時，在短時間內生物氣的產生加速， 但假如水含量維持在大約70%濕基，生物氣的產生變慢而使每單位質量產生 的生物氣的量減少。在本發(fā)明的方法中，通過將氧濃度維持在一定水平而將步驟(c)中生物質 材料的水含量控制在大約70%濕基，從而使酸性發(fā)酵伴有在兼性厭氧細菌代 謝的幫助下進行的放熱反應。然而，當步驟(c)長時間進行時，根據生物質材 料的種類而可能存在這樣的情況，其中步驟(d)中的曱烷發(fā)酵由于有機酸的量 變大而受到抑制。因此，優(yōu)選地，將步驟(c)限制在10至30天。可以在監(jiān)控 氧濃度和反應溫度的同時進行所述反應時間的控制，對氧濃度和反應溫度的 監(jiān)控通過如下方法進行用RO膜或PSA來調節(jié)氧濃度，或者改變步驟(a)中 加入的熟石灰或生石灰的量。因為步驟(d)中曱烷濃度成為穩(wěn)態(tài)需要大約200天，所以優(yōu)選將步驟(d)持 續(xù)至少200天。因為起始生物質材料的水含量優(yōu)選為大約80%濕基，所以將 此步驟回收的漿液返回并噴霧,以保持水含量為大約80%濕基。特別優(yōu)選的 生物質材料的水含量為80至85%濕基。在本發(fā)明的方法中，如果需要，在步驟(d)之后對曱烷發(fā)酵的殘余物進行 回收，并且將殘余物在干燥后顆?；灾苽涔腆w燃料[步驟(e)]。此外，本發(fā) 明的方法中如果需要，將步驟(e)中獲得的固體燃料用過熱蒸汽加熱，并用步 驟(d)獲得的生物氣進一 步加熱高達至少800 。C以產生熱分解氣體。現在將通過


本發(fā)明的設備系統(tǒng)。圖2是顯示本發(fā)明的設備系統(tǒng) 的側面示意圖。在此圖中，來自進料槽1的固體生物質材料在粉碎機2中粗略地粉碎，然后通過向下推進的螺旋輸送機3推入擠壓機4,所述擠壓機4由驅動控制 單元5驅動，由此將生物質材料制成顆粒。使材料通過預備室(preparatory chamber) 6，穿過模具20制成顆粒，之后提供給酸性發(fā)酵罐7，酸性發(fā)酵罐7 具有帶可移動閥門的空氣入口 25。在熱介質儲存室8，將顆粒向上沿著以a 角度傾斜的上表面推動，傳送至曱烷發(fā)酵罐ll。酸性發(fā)酵罐7和曱烷發(fā)酵罐 11用隔板隔開，隔板上安裝有可移動閥門9，其通過角度控制制動器 (angle-controlling actuator) IO驅動。曱烷發(fā)酵罐11的上表面裝有壓力才幾壓制 頭(press-compactinghead) 12，其通過氣密的維持室13與外部空氣隔開，在維 持室13中，將由酸性發(fā)酵罐7提供的起始顆粒進行壓制，以去除包含痕量氧 的空氣。在垂直螺旋輸送機14和平行螺旋輸送機的幫助下，將曱烷發(fā)酵的殘余物 輸送至干燥設備17，在其中將殘余物用鼓風機21吹出的干燥空氣和取自出 料口 23的干燥空氣干燥。曱烷發(fā)酵罐11中形成的生物氣從排氣口 (exhaust叩ening) 22排放。另一方面，在再循環(huán)泵16幫助下通過漿料儲存裝置19的和多個噴霧嘴 18將在曱烷發(fā)酵罐11以角度(3傾斜的底表面上收集的漿料產品再循環(huán)，并 循環(huán)至酸性發(fā)酵罐7和曱烷發(fā)酵罐11。將取自出料口 23的干燥的殘余物制成顆粒并用作固體燃料。使用輻射溫 度計(radiation thermometer) 24追蹤酸性發(fā)酵罐7的內部溫度。根據本發(fā)明，除了從曱烷發(fā)酵的殘余物獲得的優(yōu)質的顆?；腆w燃料之 外，可從生物質材料有效地產生生物氣?，F在說明進行本發(fā)明的最佳模式，但是本發(fā)明并不限于此。參考實施例1通過將垃圾粉碎和脫水獲得的固體物質(水含量40%濕基)與按質量計 0.01%(基于干質量)的熟石灰混合，使混合物成形為3種顆粒，每種直徑為7 mm,長20 mm,表乂見密度為650 kg/m3、 800 kg/m3和900 kg/m3。將前述顆粒提供給兩階段型固態(tài)曱烷發(fā)酵設備系統(tǒng)，其容量為200升， 進料速率為0.5 kg/天，同時將計算的水量在2天中噴霧到通向露天(叩en air) 的酸性發(fā)酵罐，該方式使得第五天的水量可以達到70%濕基。在這種情況下，可使顆粒保持5天而不加水。計算在曱烷發(fā)酵罐添加的水量，并調整水量以達到85%濕基。曱烷發(fā)酵罐的溫度持續(xù)維持在25士5 。C。從所述三種樣本由此獲得的測試結果示于圖3，圖3顯示的是經過的時 間與放出的生物氣的累積體積的關系，放出的生物氣以提供的垃圾的質量為 基礎。另外，通過輻射溫度計測量酸性發(fā)酵罐中顆粒在第五天的表面溫度， 其上溫度為40±5 °C。參考實施例2通過將垃圾粉碎和脫水獲得的固體物質(水含量40%濕基)與按質量計 0.01%(基于干質量)的熟石灰混合，使混合物成形為顆粒，每個顆粒的直徑為 7 mm， 長為20 mm。將前述顆粒提供給兩階段型固態(tài)曱烷發(fā)酵設備系統(tǒng)，其容量為200升， 進料速率為0.5 kg/天，同時將計算的水量在2天中噴霧到酸性發(fā)酵罐，該方 式使得第五天的水量可以達到70%濕基。在這種情況下，可使顆粒保持5天 而不加水。計算在曱烷發(fā)酵罐添加的水量，并調整水量以達到70-75%濕基。 曱烷發(fā)酵罐的溫度持續(xù)維持在25士5 。C。由此制備表觀密度為650 kg/m3、 800 kg/m3和900 kg/m3的三種才羊本。從所述三種樣本由此獲得的測試結果示于圖4，圖4顯示的是經過的時 間與放出的生物氣的累積體積的關系，放出的生物氣以提供的垃圾的質量為 基礎。另外，通過輻射溫度計測量酸性發(fā)酵罐中顆粒在第五天的表面溫度， 其上溫度為40±5 。C。參考實施例3將除尿之外的牛糞(cow dimg)自然干燥以制備水含量為80至85%濕基和 70至75%濕基的才羊本。y夸才羊本顆4立4匕(7 mm 直徑x 15 mm),以使顆粒的表觀 密度為800 kg/m3，將顆粒提供給兩階段型固態(tài)曱烷發(fā)酵罐，其容量為1000 升，進料速率為3.0 kg/天。圖5是顯示由此獲得的放出的生物氣的累積量與 曱烷濃度之間關系的圖。在本實施例中，不添加水并將干燥材料顆?；瑫r在進料槽調整其水 含量，并進料至酸性發(fā)酵罐和曱烷發(fā)酵罐。酸性發(fā)酵罐和曱烷發(fā)酵罐之間安 裝的可移動閥門由手動操作。這個設備系統(tǒng)中不提供壓力機壓制裝置(press-compacting device)和干燥 裝置。在酸性發(fā)酵罐中，通過用PSA將氧濃度控制到2%,具有70至75%濕 基的顆粒的溫度為40至45°C，而具有80至85%濕基的顆粒的溫度不可能上 升到大約30。C。對于這兩種潮濕的情況，幾乎檢測不到曱烷濃度的變化。根據上述參考實施例1和2,注意到隨著表觀密度越大，甲烷濃度越早 到達穩(wěn)態(tài)。由參考實施例1和2看來還注意到，與水含量為80至85%濕基時 相比，當水含量為70至75%濕基時，放出的生物氣的累積量以及每噸起始材 料產生的生物氣的量變得更低。由參考實施例3看來，注意到需要至少200天來使固體材料通過曱烷發(fā) 酵罐。實施例1使用與參考實施例1中所述相同的方式進行處理，只是在參考實施例1 中將顆粒提供到曱烷發(fā)酵罐之前，將顆粒借助壓力機于1.0 MPa的壓力下壓 縮，由此認為與圖3的情況相比，每種樣本放出的生物氣的累積體積增加了 20至30%。實施例2預先通過使用永磁鐵去除垃圾中的金屬碎屑(metallic dust),然后通過使 用破碎機壓碎垃圾，使粒度不超過10mm。即使在加壓以具有在水含量為40% 濕基或更高時獲得的塑性可流動性(plastic flowability)時，嘗試將由此壓碎后 的材料顆?；膊荒芡ㄟ^模具口(dieopening)。然而，當通過將木屑與垃圾混合而使水含量降至大約30%濕基時，在彈性形變范圍內的推擠下，材料可以 通過模具口 。向由此獲得的顆粒噴水以將其水含量調整至大約70%濕基，從而將其轉 移至兩階段固態(tài)曱烷發(fā)酵設備系統(tǒng)，所述系統(tǒng)總體積為1000升，連續(xù)運行時 控制氧濃度為大約1%,發(fā)現基礎材料(base material)的溫度在第五天上升至 50°C，將這種條件維持至第十天。接下來，當維持這些條件時，從曱烷發(fā)酵罐底表面獲得滲出液體 (exudation liquid),將滲出液體噴灑至曱烷發(fā)酵罐，以保持水含量在80%濕基， 在材料溫度為25至35。C時繼續(xù)進行實驗，發(fā)現在度過35天后放出生物氣，在度過180天后放出的速率達到穩(wěn)態(tài)。接著，將此處獲得的曱烷發(fā)酵殘余物在熱空氣干燥箱中干燥，使水含量降至25%濕基，然后通過具有7 mm的模具口的制粒機成形為顆粒，使顆粒 溫度增加至大約80°C，得到水含量為15至18%濕基的固體燃料。附帶地， 在上述干燥步驟中產生的蒸汽具有氨的氣味，但是將同樣的生物氣燃燒則得 到無味的排出氣體。實施例3將參考實施例3中使用的相同的牛糞提供給兩階段型固態(tài)甲烷發(fā)酵設備 系統(tǒng)以產生生物氣，所述設備系統(tǒng)具有圖2中所示的結構。以與實施例l相同的方式，將固態(tài)曱烷發(fā)酵得到的殘余物顆粒化以制備 包含顆粒(7mm直徑x20mm)的固體燃料，其含有12%濕基的水。這種固體 燃料具有大約4000 kcal/kg的低級熱值。通過使用這種燃料在爐溫650±50 。C操作Stirling Engine ST-5 (由Stirling Engine Co., Ltd., Japan銷售)，其具有的燃燒器最大輸出為5000 kcal/小時，從 而在燃料消耗為每小時6.5 kg的曱烷發(fā)酵殘余物顆粒時，得到的電輸出功率 (electric output power)為3.0至3.2 kW。電力轉化效率為大約10%,而廢熱溫 度達到450°C。發(fā)現通過用氣-氣或水-氣熱交換器進行熱交換將排出氣體 的溫度降至25(TC時，可回收50至60°/。的熱量。實施例4通過將實施例3中使用的曱烷發(fā)酵殘余物顆?；瑢τ纱双@得的固體燃 料進行高頻加熱，將得到的過熱蒸汽于0.25 MPa的壓力下導入不銹鋼制的噴 射流罐(jet stream tank)中，所述罐的容積為50升；借助螺旋鉆(screw auger) 將實施例3中使用的曱烷發(fā)酵殘余物的2 kg顆粒進料于所述噴射流罐，同時 借助生物氣燃燒器將噴射流罐的外壁在大約820士20。C進行加熱。在熱分解3 分鐘后，取得作為合成氣獲得的熱分解氣體，實驗結果顯示該氣體組成中 包含CO: 18%， H2: 45%, CH4: 9%， N2和02: 28%。繼續(xù)進行熱分解， 這些氣體中N2和02的濃度下降。
權利要求
1.用于通過固體生物質材料的固態(tài)發(fā)酵產生生物氣的方法，其包括如下步驟(1)將生物質材料制成顆粒；(2)將顆粒導入酸性發(fā)酵區(qū)；(3)在保持氧濃度為0.01％-5.0％的半好氧條件下或兼性厭氧條件下，使顆粒中的生物質材料進行固態(tài)酸性發(fā)酵；(4)通過壓縮從生物質材料的顆粒中去除氧氣來增加顆粒的密度；(5)將致密顆粒轉移至甲烷發(fā)酵區(qū)中；和(6)在厭氧條件下，使致密顆粒中的生物質材料在甲烷發(fā)酵區(qū)中進行甲烷發(fā)酵。
2. 根據權利要求1產生生物氣的方法，其中步驟(l)中顆?；纳镔|材 料具有不超過100 mm的粒度。
3. 根據權利要求1產生生物氣的方法，其中通過擠壓生物質材料經過模 具來進行步驟(1)中生物質材料的顆粒化。
4. 根據權利要求3產生生物氣的方法，其中在至少0.5 MPa的壓力下經 過直徑為7-100 mm的模具進行生物質材料的擠壓。
5. 根據權利要求1產生生物氣的方法，其中將步驟(l)中用來顆?；纳?物質材料預先與氬氧化4丐或氧化鈣混合，氫氧化鈣或氧化鈣的量按重量計是 生物質材料質量的0.001%至5%。
6. 根據權利要求1產生生物氣的方法，其中步驟(6)中經過尺寸調整的生 物質材料的致密顆粒具有的水含量按濕基質量計為80%至85%。
7. 根據權利要求1產生生物氣的方法，其中在步驟(6)的曱烷發(fā)酵后回收 發(fā)酵殘余物，將該發(fā)酵殘余物干燥用作固體燃料。
8. 根據權利要求7產生生物氣的方法，其中用過熱蒸汽加熱固體燃料后， 在800。C或更高溫度加熱以產生熱分解氣體。
9. 通過固體生物質材料的固態(tài)發(fā)酵產生生物氣的設備系統(tǒng)，該設備系統(tǒng) 包括酸性發(fā)酵罐，其具有將固體生物質材料制成顆粒的裝置和帶有可移動 閥門的空氣入口；和具有顆粒壓縮裝置的曱烷發(fā)酵罐，其通過用于隔開的可 移動閥門與酸性發(fā)酵罐相連。
10. 根據權利要求9的設備系統(tǒng)，其中酸性發(fā)酵罐裝有與輸送機相連 的生物質材料的進料槽，具有在頂端成形的模具的擠壓機，經過模具與擠壓 機相連的向上傾斜的底表面；曱烷發(fā)酵罐通過可移動閥門與酸性發(fā)酵罐相連， 所述閥門通過角度控制制動器打開或關閉，所述曱烷發(fā)酵罐的上表面裝有壓 力機壓制頭，底表面成形為沿漿料儲存裝置的方向向下傾斜；和再循環(huán)機構， 用于將漿料儲存裝置中收集的漿料返回到曱烷發(fā)酵罐中。
11. 根據權利要求9的設備系統(tǒng)，其中進一步提供用于對生物質材料進 行預處理的去除金屬的機構。
12. 根據權利要求9的設備系統(tǒng)，其中曱烷發(fā)酵罐在發(fā)酵殘余物的出料 口處裝有干燥箱。
全文摘要
通過固體生物質材料的固態(tài)發(fā)酵產生生物氣的方法，其包括如下步驟(1)將生物質材料制成顆粒；(2)將顆粒導入酸性發(fā)酵區(qū)；(3)在保持氧濃度為0.01％-5.0％的半好氧條件下或兼性厭氧條件下，使顆粒中的生物質材料進行固態(tài)酸性發(fā)酵；(4)通過壓縮從生物質材料的顆粒中去除氧氣來增加顆粒的密度；(5)將致密的顆粒轉移至甲烷發(fā)酵區(qū)中；和(6)在厭氧條件下，使致密顆粒中的生物質材料在甲烷發(fā)酵區(qū)中進行甲烷發(fā)酵，和通過固體生物質材料的固態(tài)發(fā)酵產生生物氣的設備系統(tǒng)，其包含酸性發(fā)酵罐(7)，其具有將固體生物質材料制成顆粒的裝置(4)和帶有可移動閥門的空氣入口(25)；和甲烷發(fā)酵罐(11)，其具有顆粒壓縮裝置(12)，所述甲烷發(fā)酵罐(11)通過用于隔開的可移動閥門(9)與酸性發(fā)酵罐(7)相連。
文檔編號C12M1/107GK101240294SQ20081000541
公開日2008年8月13日 申請日期2008年2月2日 優(yōu)先權日2007年2月5日
發(fā)明者前川孝昭, 孝志·保羅·應和 申請人:有限會社筑波生物技術研究所