寒冷地區(qū)沼氣制造工藝研究

符艷輝

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春 130022）

0 引 言

我國是農(nóng)業(yè)大國，而且隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和農(nóng)民生活水平的不斷提高，對原來用作肥料和燃料的農(nóng)業(yè)廢棄物等廢棄資源的利用越來越少，因而其累積量也越來越多。目前我國已成為世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的國家。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生農(nóng)業(yè)廢棄物約40多億t，其中畜禽糞便排放量26.1億t左右，農(nóng)作物秸稈7.0億t左右［1－2］，處理率不足25%，農(nóng)業(yè)廢棄物不能有效、及時地處理與轉(zhuǎn)化，已成為農(nóng)村環(huán)境污染的主要污染物，也是許多重要水源地、江河、湖泊嚴(yán)重污染和富營養(yǎng)化的主要原因。這不僅嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境，同時對全國糧食生產(chǎn)基地的安全，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，農(nóng)民收入的提高，新農(nóng)村建設(shè)構(gòu)成了嚴(yán)重的影響。如何運用科學(xué)發(fā)展觀，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，科學(xué)配置、利用農(nóng)業(yè)廢棄資源，切實加強(qiáng)農(nóng)業(yè)立體污染綜合防治的研究已成為當(dāng)務(wù)之急。

當(dāng)前，利用農(nóng)業(yè)廢棄物的方式主要有能源化、肥料化、飼料化和材料化等。其能源化的主要技術(shù)模式包括生態(tài)農(nóng)業(yè)模式和秸稈新型能源化模式。生態(tài)農(nóng)業(yè)模式主要以沼氣生產(chǎn)為核心，包括北方“四位一體”模式、南方“三位一體”模式等；農(nóng)業(yè)廢棄物的肥料化包括生產(chǎn)堆肥、液體肥料、有機(jī)生物肥等；農(nóng)業(yè)廢棄物的飼料化主要是以秸稈為飼料；農(nóng)業(yè)廢棄物的材料化是以秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)紙板、人造纖維板等［3］。其中，利用各種廢棄物發(fā)酵制沼氣的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式具有絕對優(yōu)勢，它不僅能夠使農(nóng)業(yè)廢棄物得到有效處理，并獲得能源物質(zhì)沼氣，用于照明、做飯、發(fā)電等［4］，緩解無機(jī)能源緊缺局面。同時，又能夠得到優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，為推動中國綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供可靠的物質(zhì)資源。

1 沼氣發(fā)酵罐的研究

利用各種廢棄物發(fā)酵制沼氣技術(shù)作為有機(jī)固體廢物能源化與處置的最有效途徑之一，已被人們所熟知，尤其近年來已逐漸成為世界各國農(nóng)業(yè)固體廢物資源化技術(shù)研究的熱點，并得到了迅猛發(fā)展。其潛在巨大的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益得到了社會公認(rèn)。但是它還存在很多弊端，如北方寒冷地區(qū)發(fā)酵溫度無法保障、產(chǎn)氣率低、耗能大等。從我國各種廢棄資源的成分、物理、化學(xué)特性以及寒冷地區(qū)的氣候特征等出發(fā)，針對目前沼氣發(fā)酵技術(shù)和裝備存在的缺點和不足，對現(xiàn)有的技術(shù)工藝和裝置進(jìn)行多次試驗、改進(jìn)、設(shè)計和優(yōu)化，制定設(shè)計和完善了沼氣發(fā)酵裝備和工藝。我們自主研發(fā)的沼氣發(fā)酵罐已獲得國家專利（專利號為200720094120.8），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沼氣發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 沼氣發(fā)酵罐參數(shù)設(shè)計

沼氣發(fā)酵罐即厭氧消化器的結(jié)構(gòu)和運行情況的好壞直接關(guān)系到微生物的繁殖，有機(jī)物的分解轉(zhuǎn)化，沼氣的生成。因此，研究開發(fā)一個好的沼氣發(fā)酵罐十分必要。

1.1.1 沼氣發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計

沼氣發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)（見圖1）主要由罐體、隔板、封頭、支座、攪拌器、密封元件等構(gòu)成，同時，罐體上設(shè)有入料口、視窗、引孔、出料口、測溫孔、放水閥等。罐體外表面涂上一層陽光吸收率較高的特制黑色吸收涂層，黑色吸收涂層具有吸熱能力強(qiáng)、抗腐蝕性和保溫好等特點。整體結(jié)構(gòu)采用全鋼質(zhì)臥式結(jié)構(gòu)。由德國引進(jìn)的是立式罐，從我國廢棄物自身特點出發(fā)，把發(fā)酵罐由立式改為臥式結(jié)構(gòu)，主要是為了降低高度，減少底部沉沙淤積，便于保溫；罐體內(nèi)隔板上下交錯設(shè)置，使發(fā)酵罐內(nèi)形成多個折流室，用以防止料液短路，延長料液厭氧發(fā)酵時間；沿著沼氣發(fā)酵裝置罐長方向設(shè)置攪拌器，每個折流室內(nèi)都設(shè)有攪拌葉片，用以混合料液，防止料液分層、沉沙、結(jié)殼；沼氣發(fā)酵罐內(nèi)部底端設(shè)置有加熱管，沼氣發(fā)酵罐的罐體外表面設(shè)計有罐體保溫層，用于在寒冷季節(jié)對罐內(nèi)物料的增、保溫；臥式鋼質(zhì)罐體、交錯隔板以及攪拌器三者有機(jī)結(jié)合的獨特內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成了混流、推流、折流集成技術(shù)［5］，能夠保證厭氧菌與營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，提高產(chǎn)氣率，沼氣發(fā)酵罐頂部設(shè)有出氣口，出氣口主要是用來導(dǎo)出沼氣發(fā)酵罐內(nèi)產(chǎn)生的沼氣。在沼氣發(fā)酵罐沼氣出口處設(shè)置一個直徑為100mm粗的立管，立管頂部封死，在靠近頂部位置側(cè)面開沼氣出口，這樣，料液進(jìn)入較粗的立管內(nèi)，由于重力作用會自然落入沼氣發(fā)酵罐中，不會被帶入沼氣管路中，防止管路堵塞。1.1.2 沼氣發(fā)酵罐氣壓設(shè)計

沼氣發(fā)酵工藝和沼氣燈爐具，都要求沼氣氣壓相對穩(wěn)定。因此，沼氣發(fā)酵罐的設(shè)計氣壓一般為0.05～0.1MPa為宜。為安全起見，選取設(shè)計壓力p為0.1MPa。

1.1.3 沼氣發(fā)酵罐容積設(shè)計

沼氣發(fā)酵罐設(shè)計的一個重要問題就是容積確定。沼氣發(fā)酵罐容積的確定主要是根據(jù)用戶發(fā)酵原料的豐富程度和用戶用氣量的多少以及容氣空間的大小而定。

1.1.4 沼氣發(fā)酵罐攪拌器設(shè)計

本研究采用的攪拌方式為臥式機(jī)械攪拌，攪拌機(jī)構(gòu)主要由減速機(jī)、傳動軸、攪拌葉片、支撐座等部分組成，如圖2所示。

圖2 攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖

減速機(jī)的選用、攪拌葉片的確定、攪拌軸的設(shè)計、軸材料的選擇等都要嚴(yán)格要求。使其結(jié)構(gòu)和功能抗腐性都要適合厭氧發(fā)酵制沼氣的需求。

1.1.5 密封設(shè)計

沼氣發(fā)酵罐的密封包括靜密封和動密封。通過一年左右的運行試驗，所有靜密封處沒有發(fā)生任何問題，但攪拌軸與罐體動密封處出現(xiàn)了滴料液現(xiàn)象。為了保證攪拌軸與發(fā)酵罐間的密封可靠、操作方便，對攪拌軸伸出罐體處動密封進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，采用可調(diào)整、易換填料的組合式密封結(jié)構(gòu)。防止攪拌軸與沼氣發(fā)酵罐間動密封填料因長期運轉(zhuǎn)磨損泄漏及維修不便的問題，該密封采取雙級密封，一級密封采用靜密封圈與動密封圈都為O型膠圈，其中動密封圈安裝在槽內(nèi)預(yù)先被擠壓，產(chǎn)生壓緊力，工作時，又靠發(fā)酵原料壓力擠壓密封環(huán)，產(chǎn)生壓緊力，封閉密封間隙，達(dá)到密封的目的。二級動密封采用填料密封，將密封座與軸承壓蓋作成一體，密封座內(nèi)裝密封填料，通過密封壓蓋壓緊密封填料來調(diào)整密封。當(dāng)出現(xiàn)密封泄漏現(xiàn)象時，不需停產(chǎn)，只要將密封壓蓋打開，再加入一些密封填料，然后壓緊密封壓蓋即可。這樣，當(dāng)一級密封工作一段時間后由于磨損產(chǎn)生小的泄漏時，通過二級密封可防止泄漏。二級密封大大增加了密封的可靠性，同時也不會因為小的泄漏而停產(chǎn)維修。

2 沼氣發(fā)酵的工藝流程

結(jié)合寒冷地區(qū)的地域情況并在以往多次試驗和示范工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，最終確定了沼氣發(fā)酵工藝流程，如圖3所示。

圖3 沼氣發(fā)酵工藝流程圖

該沼氣發(fā)酵工藝流程包括：原料的收集及預(yù)處理、沼氣發(fā)酵反應(yīng)器、出料的后處理、沼氣的凈化、儲存以及加熱增溫系統(tǒng)等。

在進(jìn)行生產(chǎn)之前要檢驗沼氣發(fā)酵罐的各種性能是否符合設(shè)計要求，并能安全使用，要對其進(jìn)行多項性能試驗，例如：額定承壓能力是否達(dá)到要求、封閉性是否良好、攪拌器轉(zhuǎn)動是否靈活、旋轉(zhuǎn)是否平衡、運行是否平穩(wěn)。做完相應(yīng)的試驗后，確定都達(dá)到設(shè)計和運行要求，方可進(jìn)行生產(chǎn)示范。

本工藝中首先將農(nóng)作物秸桿進(jìn)行破碎并進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，將破碎后的秸稈用質(zhì)量百分濃度為6%NaOH水溶液均勻噴灑，噴至潮濕無液體滲出，然后堆漚2d，接著用質(zhì)量百分濃度為7.35%H2SO4水溶液均勻噴灑，中和至中性，堆漚1d［6］。將預(yù)處理好的秸稈與鮮豬糞按適當(dāng)比例混合，并且調(diào)整干物質(zhì)（TS）濃度為10%～15%，我們已經(jīng)通過大量的實驗和反復(fù)研究，在寒冷季節(jié)料液干物質(zhì)含量和溫度對產(chǎn)氣的影響狀況，并得出結(jié)論：在一定的條件下，干物質(zhì)濃度在10%～15%之間產(chǎn)氣效果好。在保證其它發(fā)酵條件不變的情況下，產(chǎn)氣量隨著溫度的升高而升高，在25～35℃之間具有較高的產(chǎn)氣量。并確定了最佳凈產(chǎn)能溫度為25℃，由此可知，適當(dāng)?shù)臏囟群透晌镔|(zhì)含量不僅能提高產(chǎn)氣量，也能減少冬季產(chǎn)氣耗能。保證C／N在25～30之間［7－8］，調(diào)整pH值為6.5～7.5。進(jìn)行好氧發(fā)酵預(yù)處理3～5d，進(jìn)料利用給料小車，通過減速機(jī)驅(qū)動，鋼絲繩牽引，使其沿著傾斜軌道將干清糞和秸桿混合物直接送入沼氣發(fā)酵罐上部的入料口，并通過養(yǎng)殖污水與回流沼液的沖刷混合使其進(jìn)入沼氣發(fā)酵罐中，這樣既解決了進(jìn)料堵塞的難題，同時，由于沼液的加入，使新進(jìn)入沼氣發(fā)酵罐內(nèi)的料液能夠與厭氧菌充分接觸，加快沼氣發(fā)酵速度，通過攪拌器的攪拌使料液混合均勻，然后將發(fā)酵罐密封進(jìn)行厭氧發(fā)酵制沼氣。本工藝采用中溫發(fā)酵工藝，發(fā)酵溫度為20～45℃之間，而寒冷地區(qū)冬季最低溫度可達(dá)到零下30℃左右，溫差約50℃，由于這么大溫差的存在，沼氣發(fā)酵罐內(nèi)料液將會急劇向外擴(kuò)散，為了減少散熱，采用多層增、保溫措施。

首先將沼氣發(fā)酵罐建設(shè)在雙層膜日光溫室內(nèi)，靠雙層膜日光溫室良好的增、保溫效果，減少溫度散失，維持反應(yīng)器周圍環(huán)境溫度。日光溫室按照地域不同而設(shè)計。

其次為了維持沼氣生產(chǎn)正常反應(yīng)溫度需要對料液加熱增溫。在沼氣發(fā)酵罐底部設(shè)置有加熱水管，可通過加熱水管對料液進(jìn)行增溫，其熱源來源有3種途徑：

1）晴朗的白天熱量主要來源于太陽能集熱器；

2）夜晚和陰天熱量來源于沼氣鍋爐燃燒部分沼氣，熱量不足時采用電加熱裝置補充；

3）攪拌器的攪拌，帶動反應(yīng)器底部熱量快速均勻向上傳遞，使底部的熱氣向上流動，加快傳質(zhì)速率，實現(xiàn)發(fā)酵原料快速增溫，使物料溫度分布均衡，提高產(chǎn)氣率；反應(yīng)器發(fā)酵罐體周邊及底部設(shè)保溫層，發(fā)酵罐上部覆蓋保溫被，減少發(fā)酵原料向外散熱；從保溫、增溫、熱量傳遞等多方面考慮，多種增保溫措施共同作用可以實現(xiàn)能量互補，降低產(chǎn)氣耗能，來保證沼氣發(fā)酵冬季生產(chǎn)的溫度。這一整套增保溫設(shè)施，不僅保證了冬季沼氣正常生產(chǎn)溫度，提高了產(chǎn)氣率，又大大減少了冬季產(chǎn)氣耗能，保證一年四季均可生產(chǎn)沼氣和生物有機(jī)肥。

從發(fā)酵罐里出來的沼氣中含有二氧化碳、硫化氫、水蒸氣及固體雜質(zhì)顆粒。二氧化碳和水的存在會降低沼氣的熱值，阻礙沼氣的燃燒；而硫化氫的存在，不僅加速輸送管路及配件的腐蝕，還會對人身安全造成極大的威脅。因此對出來的沼氣首先進(jìn)行了脫水、脫硫處理，然后進(jìn)行存儲。最后對沼渣、沼液進(jìn)行深加工入庫待售。

3 本成果推廣的意義和作用

本成果推廣必定能使畜禽養(yǎng)殖場的糞污和各種農(nóng)作物秸桿以及各種餐飲廚余垃圾等得到有效處理，減少養(yǎng)殖場及周邊環(huán)境污染，消除畜禽糞便等對地表水、地下水、大氣環(huán)境污染以及微生物污染，提高農(nóng)村環(huán)境質(zhì)量，保護(hù)農(nóng)村環(huán)境；生產(chǎn)的沼氣能夠緩解無機(jī)能源緊缺的局面；生產(chǎn)的沼肥為種植業(yè)提供大量優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料，推動中國綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，最終實現(xiàn)畜禽糞便的無害化、資源化綜合利用。總之，此項技術(shù)不僅可以改善農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)，有效利用資源，延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，增加農(nóng)民收入，促進(jìn)節(jié)能減排，還是建設(shè)社會主義新農(nóng)村的一項重要舉措，對推動中國“兩高一優(yōu)”農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重大的意義和深遠(yuǎn)的影響。

綜上所述，在保護(hù)好生態(tài)環(huán)境的前提下，利用畜禽糞便無害化處理的產(chǎn)物，大力發(fā)展沼氣、沼液、沼渣的綜合利用技術(shù)，必定能將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，加快農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。

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