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有关生物沼气工程的技术要点及难点

2019-11-07

沼气是从生物质转化中得到的燃气,沼气的高效制备和综合利用一方面开发了清洁的可再生能源,另一方面减少了有机废弃物的排放,同时还可减少温室气体的排放,发酵后的残余物可用作有机肥料。大型养鸡场产生的鸡粪产气率高,数量大,是我国大型沼气工程的重要原料,但相比猪粪、牛粪等其他发酵原料,鸡粪发酵沼气工程存在诸多难点。

一、工艺流程

大型鸡粪沼气工程的工艺流程如图1所示。沼气工程一般由6个部分组成:预处理单元、高效厌氧发酵单元、沼气净化贮存单元、沼气高值利用单元、沼肥利用单元、温室气体排放单元。

图1、大型鸡粪发酵沼气工程工艺流程图

新鲜鸡粪通过车辆或管道运至沼气工程,进入匀浆池。污水泵入匀浆池混合新鲜鸡粪。经过水解除砂之后物料被泵入厌氧发酵罐。产生的沼气净化后在贮气柜贮存,用于热电联产。发酵残余物用于周边农作物的有机肥料。

二、技术要点

1、预处理

1)进料总固体浓度

进料总固体浓度的选择主要基于两方面因素的考虑:能量平衡和氨氮浓度。

①能量平衡

发酵系统主要依靠发电机组余热进行增温,保证发酵温度。一般认为,发酵浓度大于8%时,发电机组提供的余热可满足发酵系统冬季自身增温的需要。

②氨氮浓度

鸡粪原料中含有大量氨氮。动物粪便发酵中关于NH4+-N引起产甲烷量下降的报道经常出现。有关学者发现氨氮浓度的上升与产气量的下降呈线性关系。在连续搅拌反应器中停留15d,当NH4+-N浓度从2.1g/L增加到5.3g/L时,产气量下降。

从能量平衡的角度来看,高固体浓度有利于减少物料总量,从而减少增温热量,节省能源。而从氨氮浓度来考虑,物料固体浓度不宜过高,以避免氨抑制现象的发生,保证发酵过程稳定。鸡粪发酵进料固体浓度一般控制在8%~12%。

2)水解除砂

蛋鸡饲料中添加一定量的贝壳粉和砂砾,砂砾通过消化道排出,蛋鸡粪便中含沙量为固体含量的8%~10%,消化道粘液与粪污将砂砾包裹在一起,给粪砂分离和除砂带来难度,一般常规的沉砂工艺很难实现粪砂分离。采用水解除砂工艺,将粪砂分离后,通过刮砂机和螺旋除砂机将砂排出水解池外。水解除砂采用30℃中温水解工艺,水解停留时间24h。

图3、a.螺旋除砂装置b.除砂效果图

2、高效厌氧发酵工艺

1)厌氧反应器

完全混合发酵工艺由于发酵效率高、发酵浓度高、运行管理简单等优点被广泛应用于高固体浓度发酵。中温发酵(35~38℃)停留时间为20~25d。高温发酵(50~55℃)停留时间为10~15d。

2)增温保温

在厌氧罐外壁设置增温盘管,利用发电机组余热对罐体进行增温。盘管外采用聚苯乙烯保温材料。采用该保温方式,在罐内外温差50℃且外界不增温的条件下,厌氧罐24h之内温度下降不超过0.3℃。

3)搅拌与回流

低转速低能耗中心搅拌机,转速16rad/s,单位功率3.6W/m3。比传统的机械搅拌节省能源50%以上。搅拌机采用上下两层桨叶,上层用于破壳,下层用于物料混合搅拌。除搅拌机外,还可以在一二级厌氧罐之间设置回流泵,将二级厌氧罐的污泥部分回流至一级罐,起到搅拌作用,加强了罐内传质,同时减少污泥损失。

3、沼气净化与贮存

1)沼气生物脱硫

采用生物脱硫工艺去除沼气中的H2S。生物脱硫是指在适宜的温度、湿度、pH、营养物和微氧条件下,通过脱硫细菌的代谢作用将H2S转化为单质硫或亚硫酸。

以鸡粪为原料发酵的沼气中含有较高浓度的H2S,一般为3000~5000ppm(1ppm=0.0001%)经过生物脱硫净化处理后,沼气中H2S浓度可降至200ppm一下。脱硫成本比传统干法脱硫降低70%左右。

2)双膜干式贮气柜

采用低压双膜干式贮气柜对净化后的沼气进行贮存。贮气柜由外膜和内膜组成,其中外膜保护并维持贮气柜结构,内膜收集并贮存沼气。通过支撑鼓风机向内外膜中间的夹层充气,维持一定压力(一般为1.2~1.5kPa)能够承载设计范围内的风、雨、雪等荷载,同时将内膜内的沼气送入输气管道。

三、沼气、沼肥利用

1、沼气高值利用

1)热电联产

大型沼气工程通常采用热电肥联产模式。以鸡粪为原料进行发酵,产生沼气用于发电,电效率为38%,热效率为42%,总效率为80%。发电机组烟道气通过余热锅炉换热,以蒸汽的形式回收,提供给发酵系统自身增温,多余热量并入养鸡场内蒸汽总管网用于鸡舍供暖。

发电机组缸套水余热以热水形式在热水罐内贮存,通过管道泵和厌氧罐壁外的盘管对厌氧罐体进行增温。

2)沼气用于新农村集中供气

除沼气发电并网外,还可为邻近的村落提供生活用管道燃气。

2、沼肥利用

发酵后的沼液和沼渣含有丰富的N、P、K等营养物质,可作为周围果蔬的优质有机肥。

四、温室气体减排

沼气工程在减排温室气体方面具有显著的作用。畜禽粪便发酵产生的CH4的温室气体效应是CO2的21倍,大气中温室气体效应20%来源于CH4。沼气工程将畜禽粪便收集利用,大大减少了温室气体排放量。一个日产沼气10000m3的沼气工厂,每年可实现温室气体减排4万tCO2当量。

沼气工程

五、结语

生物沼气工程由于其清洁、高效、安全和可再生的特点以及减排温室气体效果显著越来越受到关注。鸡粪厌氧发酵沼气工程存在诸多难点,如含砂量大、氨氮含量高、沼气中硫化氢含量高等。

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