幾種生物質(zhì)原料厭氧發(fā)酵制取沼氣能量轉(zhuǎn)換效率的比較

1、幾種生物質(zhì)原料厭氧發(fā)酵制取沼氣能量轉(zhuǎn)換效率的比擬幾種生物質(zhì)原料厭氧發(fā)酵制取沼氣能量轉(zhuǎn)換效率的比擬張庭婷李嘉薇王雙飛(1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院,廣西南寧530004;2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西南寧530004)摘要:本文以木薯稈為原料,采用批量單相厭氧發(fā)酵的工藝,初步探討了影響木薯稈厭氧發(fā)酵的因素,同時在研究了幾種不同生物質(zhì)原料厭氧發(fā)酵制取沼氣的根底上,分析了原料的熱值,理論沼氣轉(zhuǎn)化率及實際沼氣轉(zhuǎn)換率,并比擬了直接燃燒與制取沼氣的有效熱值,及木薯稈固液別離發(fā)酵與混合發(fā)酵的有效熱值.結(jié)果說明,木薯稈原料尺寸為60100目,pH值保持中性,溫度為37比直接燃燒的有效熱值均高出1倍以上,且木

2、薯稈經(jīng)固液別離后發(fā)酵產(chǎn)沼氣的有效熱值比混合發(fā)酵高出三分之一以上.關(guān)鍵詞:生物質(zhì);厭氧發(fā)酵;沼氣;固液別離;有效熱值中圖分類號:TK6文獻標(biāo)識碼:A文章編號:16714571(2021)03-0036-061引言2試驗及方法目前,現(xiàn)代社會賴以生存與開展的化石能源正日漸枯竭,已成為制約未來社會開展的潛在危機,開發(fā)清潔可再生生物質(zhì)能是解決能源危機,減少環(huán)境物質(zhì)資源生產(chǎn)的生物質(zhì)能目前居世界能源消費總量第四位,僅次于煤炭,石油,天然氣.至今,世界上仍有15億以上的人口以生物質(zhì)作為生活能源.有人預(yù)測,可再生性能源到2021年將占到我國能源利用總量的5%到8%,到2021年將會到達10%到15%.我國是一個

3、能源短缺的國家,也是生物質(zhì)資源大國.其中,作物秸稈年產(chǎn)量約為7億t左右,列世界之首.但大多數(shù)農(nóng)作物秸稈都被用以燃燒,還田或亂堆放】,只有少局部用作飼料,工業(yè)使用,不但造成利用率的低下,還增加了環(huán)境污染.因此,用秸稈進行厭氧發(fā)酵制取沼氣是一個生產(chǎn)高品位清氧發(fā)酵制取沼氣的根底上,研究該過程的能量轉(zhuǎn)換率,為沼氣發(fā)酵提供依據(jù).木薯稈:取自廣西扶綏,玉米秸稈,香蕉樹及芭蕉樹:均取自南寧郊區(qū),各種原料均風(fēng)干粉碎后備用.接種物:本實驗采用的厭氧顆粒污泥取自南寧處理UMAR反響器中底部的污泥,其中含有大量的產(chǎn)甲烷細菌.沼液:本實驗采用的沼液為厭氧污泥的上層清液.幾種不同生物質(zhì)原料的元素分析結(jié)果見表1.表1幾種

4、不同生物質(zhì)原料的元素分析結(jié)果(以枯燥基計)作者簡介:張庭婷,女,碩士研究生,主要從事可再生資源的利用方面的研究.36?造紙科學(xué)與技術(shù)?2021年第28卷第3期實驗裝置為自制的發(fā)酵裝置,由250ml血清瓶(發(fā)酵瓶),1000ml錐形瓶(排水瓶)及量筒(讀取產(chǎn)氣量)組成.恒溫水浴鍋發(fā)酵瓶排水瓶量簡圖1實驗簡易裝置圖稱取一定量的原料與厭氧污泥混合,調(diào)節(jié)pH值至7左右,連接實驗裝置,控制發(fā)酵溫度為37o【=,每天早上9:00記錄產(chǎn)氣量,每2天測定一次甲烷含量.總固體含量(TS)和揮發(fā)性固體含量(VS)的測定方法:常規(guī)烘干法.原料元素成分分析:德國ElementavarioEL元素分析儀.彈筒熱值:恒溫

5、氧彈式熱量計GR3500型.PH值:采用精密pH試紙(范圍為5.78.5)測定.氣體的計量:采用排飽和食鹽水法收集氣體,每日定時用量筒測量水的體積記為產(chǎn)氣量.甲烷成分測定的,啟動后每隔3天測定甲烷的含量,經(jīng)過實驗過程中的測定發(fā)現(xiàn),木薯稈產(chǎn)沼氣的平均甲烷含量為(66±6)%.3結(jié)果與討論將粉碎后的木薯稈過篩,得到4種不同規(guī)格(>40目;4060目;60100目;<100目)的木薯稈,分別取一定量的木薯稈與厭氧污泥一起發(fā)酵,調(diào)節(jié)pH值保持在中性,可控恒溫水浴鍋控制發(fā)酵溫度為37.l40O1200疊100080o6oo4002o0002468l0J2l4時間/f

6、I圖2木薯稈破碎程度對發(fā)酵的影響表2發(fā)酵前后料液TS,VS,pH值的變化發(fā)酵液發(fā)酵前TS/%VS/%pH發(fā)酵后TS/%VS/%pH從圖2中可以看出,當(dāng)木薯稈尺寸為60100尺寸<100目時次之,為220.9mL/g干物質(zhì),4060目時累計產(chǎn)氣量為185.5mL/g干物質(zhì),產(chǎn)氣量質(zhì).當(dāng)木薯稈粉碎的尺寸越小,其外表的臘質(zhì)層就被破壞得越多,因此,更利于微生物利用.而尺寸<100目時,由于此時的原料更加細小,其中木薯稈的髓和皮的含量相對增多,故,纖維素等c源相對變也可以看出,4種規(guī)格的木薯稈發(fā)酵后TS,VS都有降低,60100目的木薯稈其Ts利用率到達54.3%,VS利用率

7、為11.9%,為利用率最高的,故從這也可看出,60100目是比擬利于產(chǎn)沼氣的原料尺寸.該組實驗中向反響器中參加一定量60100目的木薯稈原料及一定體積的污泥,補加沼液至250mL,調(diào)節(jié)不同的pH值,連接好實驗裝置,啟動實驗.結(jié)果如下:l400.120o10130800.L600藻4瑚00002468l012l4時間/d圖3pH值對厭氧發(fā)酵的影響表3發(fā)酵前后料液TS,VS,pH值的變化37沼氣微生物的生長,繁殖,要求發(fā)酵原料的酸堿度保持中性,或者偏堿性,過酸,過堿都會影響產(chǎn)氣.從圖3中可以看出,當(dāng)pH值為中性的時候,累計產(chǎn)氣量最大,到達272.1mL/g于物質(zhì),平均每天產(chǎn)氣量為22.7mL/g干

8、物質(zhì),此時TS,VS利用率分別為32.6%,34.0%.當(dāng)pH值增大到8時,此時累計產(chǎn)mL/g干物質(zhì),其TS,VS利用率分別為27.2%,31.3%.當(dāng)pH值增大到9時,此時產(chǎn)累計氣量下降到干物質(zhì),其TS,VS利用率分別為7.4%,10.4%.當(dāng)情況說明,沼氣發(fā)酵初期由于產(chǎn)酸菌的活動,反響器持續(xù)進行,氨化作用產(chǎn)生的氨中和一局部有機酸,同時甲烷菌的活動,使大量的揮發(fā)性酸轉(zhuǎn)化為甲烷(CH)和二氧化碳(CO),使pH值回到正常值.溫度是影響沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣率上下的最重要的外因條件,發(fā)酵溫度適宜那么沼氣微生物繁殖旺盛,活力果如下:2000毒1500面唧1000酶50oOO】02O3O4050607080時

9、間/d圖4溫度對厭氧發(fā)酵的影響通常把不同的發(fā)酵溫度區(qū)分為三個范圍,即把4660稱為高溫發(fā)酵,3238稱為中溫發(fā)酵,1026稱為常溫發(fā)酵.但在不同的地方,劃分的區(qū)別有所不同.廣西地處亞熱帶,夏季的室溫一般在29度.從圖4中可以看出,37時,累計產(chǎn)氣量明顯比其他三個溫度高,到達389.1mL/g干物質(zhì),而48時,累計產(chǎn)氣量到達158.2mL/g干物質(zhì),常溫下為147.5mL/g干物質(zhì),33物質(zhì).一般來說,溫度越高,微生物活動越旺盛,產(chǎn)氣量越高.且微生物對溫度變化十分敏感,溫度突然升高或突降,都會影響微生物的生命活動,使產(chǎn)氣38狀況惡化.故,本實驗在考慮可操作性的根底上,選定發(fā)酵溫度為37cI=.相

10、同規(guī)格的木薯稈,與不同量的污泥(1群6#污泥參加量依次為0mL,50mL,100mL,15OraL,200mL,250mL)混合發(fā)酵,在37C下進行發(fā)酵,考察污泥量的多少對發(fā)酵的影響,其結(jié)果如下:刪.L:撩+1#-2#+3#I卜-4#I_-5#+6#時間,d圖5污泥參加量對厭氧發(fā)酵的影響從圖5中我們可計算出,污泥的參加量對厭氧發(fā)酵有比擬明顯的影響.當(dāng)不加污泥時,產(chǎn)氣量最少,累計產(chǎn)氣量為41.2mL/g干物質(zhì),這說明,沒有污泥的存在,就沒法提供足夠多的產(chǎn)甲烷微生物.mL/g干物質(zhì)和184.2mL/g干物質(zhì).原那么上,污泥越多,產(chǎn)甲烷細菌越多,但是,對于該實驗來說,污泥過多會大量膨脹,膨脹后的體積

11、遠超出了反響器本身的有效池容,故導(dǎo)致實驗的可操作性不強.2,4但由于污泥參加過多,伴隨著污泥膨脹的可能性也人(50100)mL污泥為宜,也即此時接種物的量為約占有效池容的20%一40%為宜.比擬各類燃料最重要的特性是熱值(或發(fā)熱量),它決定燃料的價值,是進行燃燒等轉(zhuǎn)化的熱平衡,熱效示方法有如下三種:彈筒熱值,高位熱值和低位熱計測得,它較實際燃燒過程放出的熱量高,在實際應(yīng)料在空氣中完全燃燒時放出的熱量,能夠表征燃料的質(zhì)量,評價燃料的質(zhì)量時可用高位熱值作為標(biāo)準(zhǔn)伽姍咖伽姍0?造紙科學(xué)與技術(shù)?2021年第28卷第3期值.在測定生物質(zhì)燃燒熱值的情況下,彈筒熱值比高位熱值高約l225kJ/kg,通?？珊雎?/p>

12、不計,即用際工程應(yīng)用中,燃料熱值都是采用低位熱值,因為低位熱值符合實際情況,比擬合理.空氣枯燥基的高,低位熱值的換算關(guān)系為:HHVdLHVd+226Hd(1)式中:HHV以枯燥基計的高位熱值;LHV以枯燥基計的低位熱值;H原料中以枯燥基計的H含量.由表1中的數(shù)據(jù),通過公式(1),可計算出幾種不同原料的熱值見表4.表4幾種不同生物質(zhì)的熱值(kJ/kg絕干原料)評價生物質(zhì)直接燃燒時的能量轉(zhuǎn)換效率采用低燃燒的中間轉(zhuǎn)換過程,故在評價它的能量轉(zhuǎn)換效率時,采用高位熱值.的理論效率理論沼氣轉(zhuǎn)換率計算公式如下¨引:T=WT.+WpTp+wlTl(2)式中:"Br一1kg絕于原料中碳水化合物

13、的含量,kg;w一1kg絕干原料中蛋白質(zhì)的含量,kg;W.一lkg絕干原料中類脂化合物的含量,kg;一】kg絕干原料中碳水化合物的理論沼氣轉(zhuǎn)換率(1kg碳水化合物能產(chǎn)生沼氣的最大值),m/kg;T一1kg絕干原料中蛋白質(zhì)的理論沼氣轉(zhuǎn)換率,m/kg;換率,m/kg.而1kg碳水化合物,蛋白質(zhì),類脂化合物的理論m/kgn¨.因此,由式(2)可計算出幾種生物質(zhì)的理論沼氣轉(zhuǎn)換率,見表5.表5幾種不同生物質(zhì)的理論沼氣轉(zhuǎn)化率又知,每立方米沼氣的熱值約為21520kJ,根據(jù)沼氣理論熱值和能量轉(zhuǎn)換的理率效率的計算公式,可計算得到表6中的數(shù)據(jù).沼氣理論熱值=21520×T,kJ/kg絕干原料

14、(3)能量轉(zhuǎn)換的理論效率=塑素×1.%(4)表6幾種不同生物質(zhì)的理論沼氣轉(zhuǎn)換率的實際效率該組實驗分別用六種不同的生物質(zhì)原料同一定量的污泥混合,置于恒溫水浴鍋中,調(diào)節(jié)pH值至中性,在37"C下靜態(tài)發(fā)酵,發(fā)酵采取單相發(fā)酵工藝,實驗共進行35天.實驗結(jié)果如下:據(jù)L:!+玉米秸稈:+芭蕉樹稈+香蕉樹稈i+點蕉葉梗一木薯稈O6l218243O36時間,d圖6幾種不I司生物質(zhì)原料厭氧發(fā)酵的累計產(chǎn)氣量由圖6可以看出,幾種物質(zhì)都能發(fā)酵產(chǎn)生沼氣,其累計產(chǎn)氣量從高到低依次為:玉米秸稈>木薯稈累計產(chǎn)氣量計算出實際沼氣轉(zhuǎn)換率后,便可根據(jù)公式(3)和(4)計算出沼氣的實際熱值和能量轉(zhuǎn)換

15、的39枷釉瑚姍0,2;實際效率,見表7.表7幾種不同生物質(zhì)原料發(fā)酵的實際效率發(fā)酵實際沼氣轉(zhuǎn)換率沼氣實際熱值能量轉(zhuǎn)換的原料/m?kg絕干原料/kJ?kg實際效率/%接燃燒的比擬生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)沼氣的總效率是指沼氣發(fā)酵和沼發(fā)酵的能量轉(zhuǎn)換效率前已討論,沼氣燃燒的效率取決于沼氣灶的使用性能.在正常情況下,沼氣灶燃燒的熱效率一般可到達60¨量轉(zhuǎn)換過程的總效率可按如下公式計算:能量轉(zhuǎn)換的總效率=沼氣發(fā)酵能量轉(zhuǎn)換的實際效率×沼氣燃燒的熱效率(5)而舊式柴灶直接燃燒時熱效率通常僅有10%14,其能量轉(zhuǎn)換效率僅取決于柴灶的熱效率.生物質(zhì)直接燃燒與制成沼氣的計算結(jié)果見表8.表8幾種不同生物質(zhì)直接燃

16、燒與制成沼氣的有效熱值的比擬際效率該組實驗是將一定量粉碎后的木薯稈,按照一定的固液比,經(jīng)纖維素酶水解48h后,將酶解液參加累計產(chǎn)氣量如圖7.皿璺芷:亡量Il;02468l0l2l4l6l82022242628時間,d圖7木薯稈固液別離后厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣量變化由圖7的累計產(chǎn)氣量計算可得出固液別離后厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的實際轉(zhuǎn)換效率,然后根據(jù)公式(3)和(4)計算出沼氣的實際熱值和能量轉(zhuǎn)換的實際效率,見表9.表9木薯稈固液別離后厭氯發(fā)酵產(chǎn)沼氣的實際效率發(fā)酵實際沼氣轉(zhuǎn)換率沼氣實際熱值能量轉(zhuǎn)換的原料/m?kg絕干原料/kJ?kg實際效率/%比擬由于木薯稈固液別離后發(fā)酵是將酶解液過濾后用于發(fā)酵,而酶解后的殘

17、渣風(fēng)干后可用于直接燃燒作為鍋爐等的動力,故固液別離發(fā)酵過程的能量轉(zhuǎn)換的總效率是指殘渣燃燒,酶解液制取沼氣和沼氣熱值為14682.62kJ/kg,殘渣燃燒供熱過程按照省柴灶的效率20%計算,因此,殘渣直接燃燒過程中有效熱值為2936.52kJ/kg.由公式(5)可計算出制取沼氣和沼氣燃燒過程中的最終效率,比照結(jié)果見表10.表10固液別離發(fā)酵和混合發(fā)酵產(chǎn)沼氣的有效熱值的比擬姍呈鯽枷姍瑚0?造紙科學(xué)與技術(shù)?2021年第28卷第3期4結(jié)論的探討,得出了厭氧發(fā)酵的最正確工藝:木薯稈粉碎至60100目,pH值保持中性,溫度37c【=,接種物參加量占有效池容的20%40%為宜.氣后,其實際轉(zhuǎn)換效率在為20%

18、一35%左右,經(jīng)發(fā)酵制成沼氣燃燒后其有效熱值均比直接燃燒增加1倍多以上,玉米秸稈甚至幾乎到達了3倍.因此,這類生物質(zhì)原料可通過這種厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的途徑來提高利用率,同時還能減少還田,燃燒等帶來的環(huán)境問題.4.3比照木薯稈混合發(fā)酵和固液別離發(fā)酵可看出,固液別離發(fā)酵不但能將別離后的液體送至專門的水處理設(shè)備(如Ic厭氧反響器)中使用,還能將別離后的殘渣用以燃燒作動力使用,故能進一步提高木薯稈的利用率,從而為合理利用木薯稈資源和實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù).參考文獻1肖波,周英彪,李建芬.生物質(zhì)能循環(huán)經(jīng)濟技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006,207218杜祥琬.生物質(zhì)能源是最具前景的可再生性能源J.應(yīng)用能

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21、hSeveralBiomassMaterialsZhangTingtingLiJiaweiWangShuangfei(1.CollegeofLightIndustryandFoodEngineering,GuangxiUniversityNanning,530004,Guangxi,China;2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,Guangxi,China)Abstract:Theinfluencingfactorsofanaerobicfermentationwithcassavastemwereapproachedelementarilywiththetechnologyofbatchsinglephaseanaerobicfermentationinthispaper.Att