專利名稱：一種秸稈多級利用固態(tài)發(fā)酵沼氣聯(lián)產(chǎn)發(fā)電的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物質能源領域，特別涉及一種秸稈多級利用固態(tài)發(fā)酵沼氣聯(lián)產(chǎn)發(fā)電的方法。
背景技術：
沼氣的傳統(tǒng)原料是禽畜糞便，但由于現(xiàn)在養(yǎng)殖業(yè)也都采取規(guī)?；B(yǎng)殖的方式，糧 食漲價等各種原因導致農(nóng)戶散養(yǎng)畜禽的積極性受到影響。因原料不足影響了沼氣的產(chǎn)量， 有的因無發(fā)酵原料，沼氣池常年不產(chǎn)氣，甚至出現(xiàn)棄池現(xiàn)象。因此，人們把目光投向了廉價而豐富的秸稈原料，然而秸稈發(fā)酵沼氣目前并不成 功，在工程實踐上遭受了嚴重的挫折，主要存在以下幾個問題1、秸稈纖維素、半纖維素和 木質素的結合緊密，難以被微生物降解，造成產(chǎn)氣周期長，效率低下；2、原料易于漂浮在料 液上面，不能與微生物充分接觸，減緩反應速度，同時，漂浮原料的結殼阻止沼氣及時逸出； 3、大多采用傳統(tǒng)的地窖池發(fā)酵，無法控制發(fā)酵溫度和產(chǎn)氣速率，造成夏天產(chǎn)氣多，冬天產(chǎn)氣 少或不產(chǎn)氣的尷尬局面。針對以上問題，本發(fā)明吸收過程工業(yè)的思路，首先，采用汽爆技術對秸稈進行預處 理，打破秸稈纖維素、半纖維素和木質素的緊密結構，使原料疏松，羥基暴露，不僅使秸稈易 于被微生物降解，而且增加了秸稈的吸水性，這樣便縮短產(chǎn)氣周期，而且原料沉底，解決了 原料漂浮的問題；其次，在沼氣發(fā)酵方面，本發(fā)明采用先進固態(tài)發(fā)酵技術，減少發(fā)酵體系水 的含量，提高發(fā)酵罐單位體積的發(fā)酵效率，從而減少發(fā)酵罐體積，同時，本工藝能有效控制 沼氣發(fā)酵溫度，提高產(chǎn)氣速率和穩(wěn)定性。再次，發(fā)酵產(chǎn)生的廢渣主要為木質素和纖維素，且 含水量低，與秸稈原料相比燃燒性能好、易成型。隨著各國政府對節(jié)能減排的高度重視及一系列措施的出臺，秸稈燃燒發(fā)電技術逐 漸產(chǎn)業(yè)化，在我國，國家電網(wǎng)公司旗下的國能生物發(fā)電集團有限公司在2006年率先實現(xiàn)了 產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)已在全國各地建立的幾十個秸稈發(fā)電廠，國電龍源電力技術工程有限責任公司 也已經(jīng)建立了 3個秸稈發(fā)電廠。由于秸稈直接燃燒發(fā)電存在灰熔點低，造成易結焦和腐蝕 等問題，即鍋爐燃燒室溫度可達1000°C以上，此時秸稈灰分軟化(熔化)形成各級受熱面積 灰、受熱面結渣、沾污，嚴重影響使用壽命和傳熱性能。目前只能使用昂貴的進口鍋爐才能進行正常的生產(chǎn)。這就大大增加了發(fā)電設備和 設備維護成本，導致秸稈直接燃燒發(fā)電很難產(chǎn)生經(jīng)濟效益，只能在國家補貼的情況下勉強 維持。秸稈中較高的K、Na(共左右)含量是造成其灰熔點低的主要原因。在高溫時 生成KCl和NaCl腐蝕鍋爐和管道的金屬表面。去除秸稈中的K、Na和Cl能提高秸稈燃燒 灰熔點，減少結焦和對鍋爐的腐蝕?！包S色”結稈放置于農(nóng)田一段時間經(jīng)雨淋后，其中的腐蝕 性物質(氯化物和鉀)含量會降低，秸稈變成“灰色”，這種“灰色”秸稈更適合作為鍋爐燃 料，且熱值也有所提高。大麥秸稈浸泡經(jīng)驗表明降雨量達到15mm時，氯化物含量從0. 49% 下降至0.05%以下，鉀元素含量從1. 18%下降至0. 22%，灰熔點可提高到950-1100°C。雨淋的方法雖然有一定的效果，但品質難以控制，不能適應工業(yè)化生產(chǎn)。必須尋經(jīng)濟實用的秸 稈制備固體成型燃料的方法。本發(fā)明將秸稈汽爆后發(fā)酵沼氣，去除了秸稈中的鉀離子、鈉離子和氯離子，減少秸 稈中纖維素和半纖維素的含量，提高木質素含量，提高熱值和灰熔點，減少了燃燒過程結焦 和對鍋爐的腐蝕，大大提高了秸稈的燃燒性能。本方法制備的秸稈成型燃料可用作普通國 產(chǎn)鍋爐的燃料用于發(fā)電或供熱。大大減少了生物質發(fā)電的設備投資。總之，本發(fā)明針對秸稈發(fā)酵沼氣效率低、易形成死窖等問題，采用汽爆預處理技術 和固態(tài)發(fā)酵技術相結合，提高了沼氣發(fā)酵效率和穩(wěn)定性；針對秸稈生物質發(fā)電存在設備成 本高、秸稈供應不穩(wěn)定的問題，將秸稈固態(tài)沼氣后的殘渣用于發(fā)電，由于發(fā)酵渣中堿金屬和 氯離子大幅度降低，提高了燃燒性能和熱值，可以用普通鍋爐發(fā)電，大大降低設備成本，在 操作模式上以自然村或農(nóng)場為單位發(fā)酵沼氣，發(fā)酵渣集中到大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或縣城發(fā)電廠發(fā)電。 自然村發(fā)酵的沼氣，穩(wěn)定供給村民，解決農(nóng)村的生活用氣和我國天然氣管道難以普及到農(nóng) 村的問題，村民以秸稈換沼氣或換電，實現(xiàn)秸稈取之于民，用之于民，這樣就保障了農(nóng)民的 切身利益，使他們愿意收集、儲存并提供秸稈，解決了生物質發(fā)電秸稈原料供應不穩(wěn)定、儲 存困難的問題。本發(fā)明不僅提供秸稈利用新技術，而且提供秸稈利用的新模式，有利于新農(nóng) 村建設，提高農(nóng)民的生活水平，同時有利于生物質發(fā)電的推廣，為節(jié)能減排，減少溫室效應 作出貢獻。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的針對秸稈發(fā)酵沼氣效率低、易形成死窖等問題，采用汽爆預處理 技術和固態(tài)發(fā)酵技術相結合，提高了沼氣發(fā)酵效率和穩(wěn)定性；針對秸稈生物質發(fā)電存在設 備成本高、秸稈供應不穩(wěn)定的問題，將秸稈固態(tài)沼氣后的殘渣用于發(fā)電，提高了燃燒性能和 熱值，可以用普通鍋爐發(fā)電，大大降低設備成本，在操作模式上以自然村或農(nóng)場為單位發(fā)酵 沼氣，發(fā)酵渣集中到發(fā)電廠發(fā)電，自然村發(fā)酵的沼氣，穩(wěn)定供給村民，解決農(nóng)村的生活用氣 問題，村民以秸稈換沼氣或換電，這樣就保障了農(nóng)民的切身利益，使他們愿意收集、儲存并 提供秸稈，解決了生物質發(fā)電秸稈原料供應不穩(wěn)定、儲存困難的問題。技術方案本發(fā)明提供的一種秸稈多級利用固態(tài)發(fā)酵沼氣聯(lián)產(chǎn)發(fā)電的方法，包括 如下步驟(1)秸稈固態(tài)發(fā)酵沼氣將秸稈切成長度為3-15cm，在蒸汽爆破條件為 0. 6-1.5MPa，維壓時間為l-12min的條件下汽爆處理，汽爆處理后進行沼氣固態(tài)發(fā)酵條， 發(fā)酵件為加入麩皮、硝酸銨、人糞尿等調節(jié)C N為30 1-60 1(W/W)，發(fā)酵溫度為 20-55°C，發(fā)酵周期為10-26天，固液比(W/W)為1 3-1 6。(2)發(fā)酵渣成型發(fā)電采用機械擠壓的方法將固態(tài)發(fā)酵后的秸稈渣壓縮成型， 制備固體燃料用于燃燒發(fā)電，成型燃料熱值為13-26MJ/kg，含水量為5-33%，灰熔點為 900-1350°C，其形狀和大小可根據(jù)鍋爐燃燒的需求來確定。發(fā)電鍋爐可以是現(xiàn)在煤炭發(fā)電 使用的鍋爐，如流化床鍋爐。秸稈固態(tài)發(fā)酵沼氣以自然村或農(nóng)場為單位，單個沼氣發(fā)酵廠的規(guī)模為每年消耗 500噸-12000噸秸稈，根據(jù)自然村秸稈量的大小來決定沼氣廠的規(guī)模，產(chǎn)生的沼氣輸送到 每家每戶，供取暖和生活用氣，各個自然村沼氣廠的發(fā)酵渣集中運送到發(fā)電廠發(fā)電，發(fā)電廠的規(guī)模根據(jù)周邊沼氣廠所能提供的發(fā)酵渣而定，發(fā)電廠的規(guī)模一般為每年消耗10萬-50萬 噸秸稈發(fā)酵渣。本發(fā)明的優(yōu)勢和特點本發(fā)明的優(yōu)勢和特點有以下幾個方面1)通過先進的汽爆和固態(tài)發(fā)酵技術，解決了目前秸稈發(fā)酵效率低、產(chǎn)沼氣不穩(wěn)定和易形成死窖的問題；2)秸 稈經(jīng)過發(fā)酵后，提高物料木質素含量，從而提高熱值，同時除去秸稈中的鉀離子、鈉離子和 氯離子，提高了秸稈的灰熔點、減少了燃燒過程結焦和對鍋爐的腐蝕，大大提高了秸稈的燃 燒性能，且易于成型，可用作普通國產(chǎn)發(fā)電鍋爐的燃料，解決了目前生物質發(fā)電設備投資高 的問題；3)采用以自然村分散發(fā)酵沼氣供村民使用，多個沼氣廠發(fā)酵渣集中后用作發(fā)電燃 料的方式，解決天然氣管道難以向農(nóng)村普及和生物質發(fā)電秸稈原料供應不穩(wěn)定、儲存困難 的問題。因此本發(fā)明不僅提供秸稈利用新技術，而且提供秸稈利用的新模式，有利于新農(nóng)村 建設，提高農(nóng)民的生活水平，同時有利于生物質發(fā)電的推廣，為節(jié)能減排，減少溫室效應作 出貢獻。
具體實施例方式實施例1 (1)秸稈固態(tài)發(fā)酵沼氣將秸稈切成長度為5-lOcm，在蒸汽爆破條件為1. OMPa，維 壓時間為4min的條件下汽爆處理，汽爆處理后進行沼氣固態(tài)發(fā)酵條，發(fā)酵件為汽爆秸稈 與麩皮調節(jié)C N為30 1-60 1(W/W)，固液比(W/W)為1 4，發(fā)酵溫度為45°C，發(fā)酵 周期為25天，平均產(chǎn)氣速率為2. lm3/m3d，秸稈的利用率為41%。(2)發(fā)酵渣成型發(fā)電采用機械擠壓的方法將固態(tài)發(fā)酵沼氣后的秸稈渣壓縮 成型，制備固體燃料用于燃燒發(fā)電，成型燃料熱值為16MJ/kg，含水量為23%，灰熔點為 1150°C。成型燃料在山東某火電廠進行燃燒發(fā)電，鍋爐燃燒平穩(wěn)，單位質量的發(fā)電量為煤炭 發(fā)電的60-70%。實施例2:(1)秸稈固態(tài)發(fā)酵沼氣將秸稈切成長度為5-15cm，在蒸汽爆破條件為1. 3MPa,維 壓時間為2min的條件下汽爆處理，汽爆處理后進行沼氣固態(tài)發(fā)酵條，發(fā)酵件為用硝酸銨 做氮源，調節(jié)C N為40 1-50 1(W/W)，固液比(W/W)為1 5，發(fā)酵溫度為35°C，發(fā)酵 周期為18天，平均產(chǎn)氣速率為2. 6m3/m3d，秸稈的利用率為44%。(2)發(fā)酵渣成型發(fā)電采用機械擠壓的方法將固態(tài)發(fā)酵沼氣后的秸稈渣壓縮成 型，制備固體燃料用于燃燒發(fā)電，成型燃料熱值為17. 6MJ/kg，含水量為21 %，灰熔點為 1100°C。成型燃料在山東某火電廠進行燃燒發(fā)電，鍋爐燃燒平穩(wěn)，單位質量的發(fā)電量為煤炭 發(fā)電的60-70%。
權利要求
一種秸稈多級利用固態(tài)發(fā)酵沼氣聯(lián)產(chǎn)發(fā)電的方法，包括如下步驟(1)秸稈固態(tài)發(fā)酵沼氣將秸稈切成長度為3-15cm，用蒸汽爆破預處理后再用固態(tài)發(fā)酵的方法發(fā)酵沼氣；(2)發(fā)酵渣成型發(fā)電采用機械擠壓的方法將固態(tài)發(fā)酵后的秸稈渣壓縮成型，制備固體燃料用于燃燒發(fā)電；
2.根據(jù)權利要求1所述的蒸氣爆破預處理及固態(tài)發(fā)酵方法，其特征是蒸汽爆破條件 為0. 6-1.5MPa，維壓時間為l-12min，固態(tài)發(fā)酵條件為C N為30 1-60 1 (W/W)，發(fā)酵 溫度為20-55°C，發(fā)酵周期為10-26天，固液比(W/W)為1 3_1 6。
3.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)酵渣成型發(fā)電方法，其特征是所制備的成型燃料熱值為 13-26MJ/kg，含水量為5-33%，灰熔點為900_1350°C，其形狀和大小可根據(jù)鍋爐燃燒的需 求來確定。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，秸稈固態(tài)發(fā)酵沼氣與發(fā)酵渣成型發(fā)電的匹配方式 為秸稈固態(tài)發(fā)酵沼氣以自然村或農(nóng)場為單位，單個沼氣發(fā)酵廠的規(guī)模為每年消耗500 噸-12000噸秸稈，發(fā)酵渣集中運送到發(fā)電廠發(fā)電，發(fā)電廠的規(guī)模為每年消耗10萬-50萬噸 秸稈發(fā)酵渣。
全文摘要
本發(fā)明涉及秸稈預處理、固態(tài)發(fā)酵沼氣以及發(fā)酵渣用于燃燒發(fā)電的方法。針對秸稈發(fā)酵沼氣效率低、易形成死窖等問題，本發(fā)明采用汽爆預處理技術和固態(tài)發(fā)酵技術相結合，提高了沼氣發(fā)酵效率和穩(wěn)定性；針對秸稈生物質發(fā)電存在設備成本高、秸稈供應不穩(wěn)定的問題，將秸稈固態(tài)發(fā)酵沼氣后的殘渣用于發(fā)電，由于發(fā)酵渣中堿金屬和氯離子與秸稈原料相比大幅度降低，提高了燃燒性能和熱值，可以用普通鍋爐發(fā)電，降低設備成本，為了保證秸稈穩(wěn)定供應，在操作模式上可以自然村為單位發(fā)酵沼氣，發(fā)酵渣集中到大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或縣城發(fā)電廠發(fā)電，自然村發(fā)酵的沼氣，穩(wěn)定供給村民，解決農(nóng)村的生活用氣，村民以秸稈換沼氣，這樣既保證了農(nóng)戶的利益，同時也保證了秸稈的穩(wěn)定供應。
文檔編號F02B43/10GK101798583SQ201010128289
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權日2010年3月18日
發(fā)明者彭小偉, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所