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生物质制沼气的相关技术参数分析
摘要:本文重点分析了生物质的范畴和能够生产沼气的生物质特性,运用工程经验和国内外文献资料,介绍与生物质制沼气相关的关键工程设施和工艺参数,对于水解酸化罐和沼气发酵罐的设计提出了基本思路,为充分利用秸秆等典型生物质,确保可持续发展指出目前存在的难点。
生物质(Biomass)是与生物有关的物质的总称,它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。可以作为能源利用的生物质主要有木材残余物、农业废弃物、动物粪便和城市固体垃圾等,开发生物质能(Biomassenergy)意义深远并成为当今世界范围内最为广泛关注的课题之一[1]。利用废弃有机质进行厌氧发酵制备沼气,虽然是历史悠久的传统技术,但如何解决好工艺技术与工程设备的规范化、标准化和提高资源综合利用率,仍然有诸多问题需要认识和解决。
1用于沼气发酵的生物质种类及固有特性
标准沼气(biogas)含有60%甲烷和40%二氧化碳,其混合气体的热值为21.52MJ/m3,甲烷(methane)的热值为35.82MJ/m3。随着制备沼气所使用的原料不同,沼气的组分在一定范围内变动,通常的组分为:主要成分是甲烷,约占总体积的50%~80%,其次是20%~40%的二氧化碳和少量的其他气体,如0~5%的氮气、1%~3%的硫化氢和低于1%的氢气及0.4%的氧气。甲烷的爆炸下限(V/V)为5.3%,在沼气的混合气体中,即使甲烷的体积含量大于53%,其混合气体的理论爆炸极限低于10%,仍然属于易爆介质,同时沼气中可能含有的少量二氧化硫对人体、设备和环境有相应的危害,这是沼气发酵系统设计中应引起关注的安全参数。
1.1沼气工程常用的生物质种类
基于沼气发酵原理,把含有碳水化合物、蛋白质、脂肪等生物质作为营养源,可以利用厌氧菌(或称为甲烷菌)将具备此类特性的有机物转化为沼气、沼渣和沼液的物质,均可以作为沼气发酵原料。根据生化反应机理,在甲烷菌的作用下,含有二氧化碳与氢气的混合气体、甲酸、乙酸、甲醇、一氧化碳等物质可以产生甲烷,那么生物质中的秸秆、谷壳、树叶、杂草、零散木材、树皮、木屑、造纸残渣、畜禽排泄物、食品废弃物、海洋植物、下水道污泥、生活污水、工业废水等可以作为沼气工程的可再生资源。
1.2有机质原料之间配比关系
根据沼气发酵工程经验,适当控制有机物的碳氮比和碳磷比是甲烷菌产生甲烷的重要物质基础。国外资料介绍[2]:作为发酵原料的有机质中C:N:P:S的比例范围最好控制在500~1000:15~20:5:3或COD:N:P:S的比例为800:5:1:0.5,欧洲不少著名工程公司的经验资料推荐其对应比例为500:15:5:3。国内资料[3]表明:为了使甲烷发酵顺利进行,一般要保持微生物活性的碳氮比为25:1左右,产生甲烷的最佳碳氮比是12:16。为此,沼气工程设计时,应密切关注工程建设区域可用原料的营养源成分,基于KarkiandDixit(1984)和国内外文献资料分析整理,表1数据可供参考,当然在具体配料时尽可能采用实测数据,毕竟随着气候和生长环境等因素的变化,有机质含有的化学组分也是变化的。
1.3沼气发酵原料的常用评估指标
在沼气工程设计中,对于沼气原料的正确利用和最大化发挥固有的生物质特性,是一项重要工作,虽然原料中的有机物组分复杂和变动因素较多,而设计时能够利用的基础数据匮乏,往往通过工程运行进行事后评估,这是目前沼气工程设计的普遍存在的缺陷。
为了便于评价发酵原料的质量,通常按照生物质的特性将其分成两大类:固体性发酵原料和液体性发酵原料。
对于固体性原料,主要确定可以产生沼气的有效成分,1kg可降解的有机物一般可以产生约0.63-1.0m3的沼气,文献3中介绍沼气原料的理论产量计算:
E=0.37A+0.49B+1.04C
式中,A为每克原料中碳水化合物的数量;B为每克原料中蛋白质的数量;C为每克原料中脂肪类化合物的数量。通过对有机组分进行分析并统计分析国内外工程资料,常用生物质的沼气产量可以参考表2。
当然对于固体废弃有机质的质量指标评定时,还要核定有机原料中总固体含量(TS)(从原料总重量中去除水分后的重量)和挥发性固体量(VS)(从总固体含量中去除灰分的数量),如不同种类畜禽粪便的含有每千克挥发性固体量的产沼气0.25~0.5m3,也即每千克干物质的产气量约0.3m3左右。
对于秸秆类中纤维素、半纤维素、木质素、果胶质和少量的蛋白质的具体运用,应该分析通过对秸秆纤维素或半纤维素的水解后可能产生的有机质数量,如秸秆中通常含有约50%的纤维素,而纤维素及少量蛋白质能转化为甲烷菌所吸收消化的营养成分含量也应该有实际的标定值,虽然学术界有很
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