一种提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法

摘要

本发明提供了一种克服能源草中难利用物质厌氧消化性能低的障碍，提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法。采用产酸相和产甲烷相在2个反应器内分别进行的两相反应工艺对能源草进行发酵，当原料的产气量降低时对产酸相中的原料进行二次强化产气，二次强化采用的手段为使原料中剩余难消化的物质分解为易于利用的小分子物质。本发明将两相反应工艺和二次强化水解相结合，强化二次水解微生物对能源草中难利用成分的产气，提高了原料的利用效率，可缩短整个反应的停留时间从而有利于提高水解相的反应效率，降低反应器的体积。此外，将原料在水解相进行水解产酸可免除二次强化时的固液分离，并对产甲烷过程无任何影响，有利于产甲烷的连续进行。

权利要求

1.一种提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法，其特征在于：采用产酸相和产甲烷相在2个反应器内分别进行的两相反应工艺对能源草进行发酵，当原料的产气量降低时对产酸相中的原料进行二次强化产气，所述二次强化采用的手段为使原料中剩余难消化的物质分解为易于利用的小分子物质，包括以下步骤：（1）原料预处理：能源草原料经破碎将粒径减小到1-2cm；进行发酵前预处理；

（2）原料的水解酸化：粉碎后原料加入到产酸相水解反应器中，采用从产甲烷相回流的发酵液喷淋的方式进行原料的水解酸化；当产酸相产气量降低时，将产酸相中的原料进行二次强化处理，使原料中剩余难消化的物质分解为易于利用的小分子物质，并继续进行水解酸化处理；

（3）原料的产甲烷过程:将产酸相水解反应器的水解液定时泵入产甲烷相厌氧消化反应器中，初次接种采用污泥或其他沼气工程的发酵液为接种物，此后采用发酵后的残余物作为接种物，搅拌混合进行发酵。

2.如权利要求1所述的提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法，其特征在于所述的能源草选自柳枝稷、杂交狼尾草、皇竹草、王草或芒草中一种或几种。

3.如权利要求1所述的提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法，其特征在于步骤（1）所述的预处理所用的方法为蒸汽加热。

4.如权利要求1所述的提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法，其特征在于所述二次强化处理方法为碱蒸汽爆破方法。

说明书

一种提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法

技术领域

[0001] 本发明属于可再生能源领域，具体涉及一种通过二次强化提高能源草厌氧发酵产甲烷效率，缩短停留时间的两相反应方法。技术背景

[0002] 我国是当今世界上最大的发展中国家，也是世界上第二位能源生产国和消费国。然而，我国人口众多，人均资源严重不足，已探明的人均煤炭、石油和天然气资源分别为世界平均值的42.5％、17.1％和13.2％。随着经济快速发展，能源生产已经无法满足能源消费的快速增长，石油的对外依存度逐年增大，2008年超过50％，供需矛盾突出，能源短缺将是一个长期的过程。2007年中国能源消费中化石燃料占93.5％(其中，煤炭占70％，石油占19.7％，天然气仅占3.5％)，可再生能源占6.5％。世界天然气的消费比重占能源消费总量的比重为23.8％，而我国天然气的消费比重远低于世界的平均水平。这样的能源结构给我国经济发展、社会稳定和生态环境带来很大压力，必须寻求可持续的能源消费和供应途径。

[0003] 为了逐步提高优质、清洁、可再生能源在能源结构中的比例，2007年国家制定了《可再生能源中长期发展规划》，力争到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10％左右，到2020年达到15％左右。我国是沼气技术发展较早的国家之一，几乎涉及沼气相关的技术都有单位在研究。尤其在户用沼气池技术上处于国际领先水平。在应用我国传统的天人合一生态、循环理念产生的不同类型沼气工程模式，具有显著的特色。我国目前沼气工程的发酵原料单一，主要为单原料发酵，且主要处理畜禽养殖废弃物和工业有机废水，很少用于纤维素原料的厌氧发酵。并且农作物废弃物因受条件限制(如发酵效果、收集半径及原料价格)影响其工业化进程。

[0004] 能源草是一系列可以作为燃料使用的草本植物的统称，一般是禾本科多年生高大的丛生草本植物，如芦竹、象草、柳枝稷、草芦等。这些植物都具有生长快、产量高、易管理、热值高和环保等优点。通过对其厌氧制备燃气特性的研究可满足国家节能减排、能源安全以及可持续发展的需求。

[0005] 目前对于能源草的应用研究多集中在作为动物饲料、造纸原料、食用菌原料和公路绿化及防护方面。对于以能源草的厌氧发酵研究自从20世纪80年代中期以来，欧美等国对多年生能源禾草的兴趣就不断增加，并从中选取了柳枝稷、芒类、虉草和芦竹等4类根茎型禾草加以重点突破，以求达到快速应用和示范的目的。目前，主要的利用方式有如下几种(1)直接燃烧发电，这是目前欧美国家主要利用方式；(2)粉碎、压缩成固体燃料，用于锅炉或其他用途；(3)在高温高压下气化，制成CO、H2等可燃气体；(4)直接液化或利用硫酸或纤维素酶分解能源草制取燃料乙醇；(5)利用厌氧发酵制沼气。从目前的技术水平来看，沼气发酵是能源草利用的最好方式。其优势有：(1)生物质能源的最大缺点就是分散，收集与运输费用将占能量成本的很大部分，发酵成沼气实际上是对能源的“浓缩”，而沼气可以发电向外输送，沼气发电机组容量可灵活选择(10～500kW)，非常适合分布式发电；(2)沼气发酵是在常温(或中温)常压下进行的一种自然过程，相对成本低、净能源产出率高；(3)沼气发酵使能源草中的绝大部分营养元素留在沼渣，通过沼渣还田，可减少农作物的施肥量、降低生产成本，并避免化肥对环境的污染。

[0006] 在我国，已开始对柳枝稷和芒草的产能效果进行研究，对于柳枝稷的研究多集中在燃料乙醇的制备，而对于产沼气的效果则很少报道，芒草的研究则主要集中在湿法厌氧发酵制备沼气，对于高固体浓度条件下的产气效果和工艺参数还有待进一步深入，而对芦竹主要是将其作为造纸制浆的原料进行研究，尚未见到将其作为能源草进行系统研究的报道。可见，有关能源草的开发利用目前仍处在研究和试验阶段，真正的产业链尚未形成，技术产业化仍面临很多问题，如品种资源较为短缺，尚缺少系统的资源调查评估，且目前的主要利用方式是直接燃烧、固化和气化发电，生物与化学转化利用仍处在试验研究阶段。

[0007] 能源草作为厌氧发酵的原料的主要问题由于木质纤维的本身结构造成的，木质纤维素类原料主要有纤维素、半纤维素和木质素三大类组分构成，由于纤维素的结晶度、半纤维素和木质素等的保护作用，使得酶或微生物不易接触，因此纤维素类原料的厌氧消化过程中水解一直是限速步骤，导致原料的消化时间长(一般需要30-60天左右)，产气率低等缺点。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种克服能源草中难利用物质厌氧消化性能低的障碍，提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法，对产气性能降低的能源草进行二次强化处理，以提高能源草的利用效率，缩短停留时间，并提高产气性能。

[0009] 本发明主要是解决纤维素类原料难于进行厌氧消化，即使在消化前进行了预处理，但还有一部分难以消化的物质会影响厌氧消化的进程的问题。

[0010] 本发明的技术方案是：采用产酸相和产甲烷相在2个反应器内分别进行的两相反应工艺对能源草进行发酵，当原料的产气量降低时对产酸相中的原料进行二次强化产气，二次强化采用的手段可依据目前常规的预处理方法，主要为碱蒸汽爆破法，使原料中剩余难消化的物质分解为易于利用的小分子物质，提高原料的利用率和产气性能。

[0011] 本发明具体包括以下步骤：

[0012] (1)原料预处理：能源草原料经破碎将粒径减小到1-2cm；采用蒸汽加热的方式对原料进行发酵前预处理；

[0013] (2)原料的水解酸化：粉碎后原料加入到产酸相水解反应器中，采用从产甲烷相回流的发酵液喷淋的方式进行原料的水解酸化；当产酸相产气量降低时，将产酸相中的原料进行二次强化处理，使原料中剩余难消化的物质分解为易于利用的小分子物质，并继续进行水解酸化处理；

[0014] (3)原料的产甲烷过程：将产酸相的水解液定时泵入产甲烷相厌氧消化反应器中，初次接种采用污泥或其他沼气工程的发酵液为接种物，此后采用发酵后的残余物作为接种物，搅拌混合后进行发酵。

[0015] 所述的能源草选自柳枝稷、杂交狼尾草、皇竹草、王草或芒草中一种或几种。采用现有技术进行发酵前预处理。

[0016] 所述二次强化处理可采用碱蒸汽爆破方法，碱蒸汽爆破结合了碱法和蒸汽爆破，可降低碱的使用量，减少碱法处理过程中有抑制作用的副产物的生成，并缩短二次强化处理的时间，提高蒸汽爆破的效果。

[0017] 所述产甲烷过程中加入接种物后搅拌混合后进行发酵；发酵温度为35-55℃。

[0018] 本发明适用于纤维素类原料，与常规的厌氧消化技术有明显的不同。本发明针对纤维素原料结构复杂和降解速率慢的特性，将两相反应工艺和二次强化水解相结合，强化二次水解微生物对能源草中难利用成分的产气，提高了原料的利用效率，可缩短整个反应的停留时间从而有利于提高水解相的反应效率，降低反应器的体积。此外，将原料在水解相进行水解产酸可免除二次强化时的固液分离，并对产甲烷过程无任何影响，有利于实现产甲烷的连续进行。本方法不仅可以提高原料的利用效果，而且可以缩短微生物利用原料的时间，减少原料在反应器内的停留时间，从而减少了反应器所需的容积，降低了整个工程的固定投资。

附图说明

[0019] 图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

[0020] 如图1所示，本发明包括以下步骤：

[0021] (1)原料预处理：能源草选自柳枝稷、杂交狼尾草、皇竹草、王草或芒草中一种或几种。根据原料的不同状态，采用不同的预处理方法。鲜草收割后切成1-2cm的碎片，采用蒸汽加热的方法处理30min；干草则以自然堆沤为主，将水喷淋在干草上，在自然条件下放置5-7天。

[0022] (2)原料的水解酸化：粉碎后原料加入到产酸相水解反应器中，采用发酵液喷淋的方式进行原料的水解酸化。水解的温度控制在35℃.当产气量降低时，将产酸相中的原料进行二次强化处理，二次强化处理采用碱蒸汽爆破方法，采用二相工艺可省去固液分离的步骤。

[0023] (3)原料的产甲烷过程：将水解相的水解液定时泵入产甲烷相厌氧消化反应器中。初次接种采用污泥或其他沼气工程的发酵液为接种物，此后采用发酵后的残余物作为接种物，加入接种物搅拌混合均匀后进行发酵；发酵温度为35-55℃。最终产出主要成份为甲烷的沼气。

[0024] 预处理后的原料与接种混合后，进入到厌氧消化反应器中，进行首次的厌氧消化。经过预处理后，有一部分的能源草已分解为小分子的物质，易于被微生物所利用，从而会出现第一个产气高峰，随着易利用的物质被逐渐消耗，产气量会出现降低，此时可利用碱蒸汽爆破法进行二次强化水解处理，此时主要是针对原料中的难利用物质，将难利用物质进行分解为易于利用的小分子物质，并再接种，进行二次发酵，使得整个发酵过程顺利通畅。二次强化时不需要固液分离，减少了操作过程，有利于实现产甲烷的连续进行。

[0025] 产生的沼液沼渣可以作为肥料回田，产生的沼气可以用作热电联产，也可通过提质净化压缩后作为车用燃料。