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不同沼气预处理沼气发酵原料和设备选择2018-03-01
由于发酵产物沼气、沼液和沼渣等能在农业生态农业工程的建设中发挥作用,所以近年来以沼气为纽带的各种农业生态工程技术模式得到快速发展,尤其在减少畜禽养殖业污染物排放等方面产生了良好的效果。为了追求沼气池更好的产气,沼气工程的每个步骤都需要重视,其中原料预处理是保障厌氧发酵系统稳定运行、提高产气率和工程效益的重要环节,由于沼气工程中各种原料的收集渠道和理化性状不一,各种消化工艺对原料的处理要求和输送方式不一,使得原料预处理环节不仅复杂而且难度大。因此,针对沼气工程不同发酵原料采用不同预处理技术与设备就十分必要了。下面介绍几个欧洲典型沼气工程原料预处理工艺技术和装备技术,以供大家借鉴参考。
预处理技术 欧洲沼气工程技术多以高浓度有机废弃物联合消化工艺(CSTR)为主,该工艺是先对各类畜禽粪便及其他高产气量的有机废弃物进行预处理,调整进料浓度在8%~13%范围内,再进入带有机械搅拌的CSTR反应器。沼气进入热电联产系统后,产生的电能并网外卖,热能用于加热原料。 在欧洲,大约有94%的农业废弃物沼气工程采用混合原料发酵,基于原料来源(秸秆、畜禽粪便和有机垃圾)的不同,原料预处理技术可以分为以下几种类型。 1、以秸秆为主的原料预处理技术 以秸秆为主的原料预处理技术主要包括物理法(机械粉碎、高温热解)、化学法(酸法预处理、碱法预处理、臭氧处理法)以及物理化学法(结合物理法和化学法)。 以德国Nawaro沼气工厂为例,Nawaro沼气工厂采用物理法预处理原料,每年原料需求量总计达45万吨,其中:青贮玉米秸秆38万吨,其他整秆植物6万吨,青草0.8万吨,谷类0.2万吨。该沼气工厂每小时可生产出10000m³沼气,并经过提纯后向天然气管网输送,相当于每小时可产生22MW的电能。
以秸秆为主的原料预处理工艺图 以上所示流程适合规模较大的沼气工厂,秸秆原料和其他配料经过调浆池调节浓度和加热料温,再向各个发酵罐输送。为了防止零星的长草引起堵塞,可加一道切割装置。对于规模小一点的沼气工程,可把调浆池直接用作发酵罐,借助搅拌装置,碎秸秆直接在这个罐中与其他物料混合完成产气过程。 其中,从贮料箱到调浆池之间的碎秸秆的输送装置主要有刮板输送链、螺旋输送器(有轴和无轴二种)和皮带输送机等几种形式,这一过程中的技术关键是确保贮料箱的原料要自动定量、稳定顺畅地输送出去,不能产生结垢、堵塞等现象。
2、以畜禽粪便为主的原料预处理技术 规模化禽养殖业发展迅速,伴随而来的是大量的动物粪便(主要是鸡粪、猪粪和牛粪)和相关的废弃物,沼气工程作为一项多项技术优化组合实用工程系统,目标是追求较高的能源、经济和环境效益。 以丹麦Blaabjerg沼气工厂为例,Blaabjerg沼气工厂每年处理原料110万吨,其中:80%是牛粪,20%是其他的废料,有20万吨的液态原料用管道输送到工厂,另外90万吨固态原料通过专用车运送。该沼气工厂每天可以生产出8500m³的沼气。 以畜禽粪便为主的原料预处理工艺图 在Blaabjerg沼气工厂中,首先是将粪便和其他废料在匀浆池中搅拌、匀浆。为了防止原料结块以及纤维状物质给泵、阀、外部设备和中心控制以及其他下游设备带来问题,采用切碎机对匀浆后的原料进行切割破碎。有的工程中在匀浆池和调浆池后分别配备一台粗切碎机和细切碎机。第一道切碎机控制原料粒度在40mm左右,第二道在10mm左右。混合原料在调浆池中经过调节浓度和加热料温后,即可送入发酵罐。 3、以有机垃圾为主的原料预处理技术 以有机垃圾为主的原料预处理技术针对生活垃圾中餐厨和果蔬类生物质垃圾非均质、半流态等特点,集除杂、破碎、均质、浆化于一体的成套预处理技术。 以有机垃圾为主的原料预处理技术可以将有机垃圾及无机垃圾进行有效分离,分离后的有机质浆液存储在储罐中,可进一步采用厌氧发酵技术处理;分选后的无机物如塑料、纸屑及金属等可回收利用或送到填埋场填埋。通过对垃圾进行分类和对无机质回收利用,改善物料的输送及混合特性,保障处理系统的连续稳定运行。结合有机质厌氧发酵产沼气等技术,将垃圾“各个击破”,充分体现在低碳经济、循环经济发展模式下的理念创新。 以德国Leonberg有机垃圾处理厂为例,Leonberg有机垃圾处理厂采用Dranco工艺,可把原始的生活垃圾残渣收集并运送到厌氧消化处理厂,该项目使用了1台排量达150m的液压固体输送泵。

以生活垃圾为主的原料预处理工艺图 由于垃圾中含有大量的非有机成分,垃圾需要经过破碎、转鼓筛分和磁力分选等预处理工序。经过预处理后的有机垃圾与蒸汽及消化后物料经混合后采用液压驱动固体泵通过密封的管道从上方输送到消化罐内,物料的TS浓度超过20%。这种消化罐的底部呈锥形,便于消化物料的流出。 预处理设备 1、收获技术设备 目前,欧洲大型沼气工程原料的收获主要使用的是联合收割机。它能够实现作物收割、脱粒,完成籽粒与颖糠、碎屑、茎秆和其他杂物分离,还能进行作物籽粒清选、干燥和包装加工。按照行走系统划分,联合收割机分为轮式和履带式二种;根据方向操纵系统划分,分为方向盘式和操纵杆式二种。 2、切碎技术设备 在沼气工程中,原料来源广泛,主要是能源作物秸秆、青草、谷类、动物的粪便、垃圾等,它们中混有各种粒度较大的杂物,如鸡粪中的鸡毛、牛粪中的长草和沙砾等。因此,要采用切碎机对其进行切割、破碎,以保证下游泵和其它机械设备的运行安全,提高使用寿命。 切碎机通常设置在混料匀浆池和调浆暂贮池(发酵罐)间的输送环节,通过管道安装在输送泵前,依靠泵的抽吸作用使浆料通过切碎机。为了防止比重大的物料损坏切碎机工作部件,有的把切碎机进料侧容腔设计得较大,此处的介质流速较低,比重大的物料就会沉降,并可定期由人工取出。 按照切碎机工作部件结构不同,目前欧洲沼气工程中常用的切碎机主要有:刀片——孔盘组合式切碎机和对滚剪切式切碎机。刀片——孔盘组合式切碎机适用于细长纤维性杂物的切割,而对滚剪切式切碎机更适用于对个体较大的块状类杂物的破碎。 3、输送技术设备 在原料输送方面,包含液态的浆料输送和固态的碎秸秆输送两个层面。我国现有的沼气工程多是利用畜禽粪便或污水等液态原料,所以螺杆泵是目前国内沼气工程中应用最广泛的输送泵。但是螺杆泵也存在维修费用高、能耗高的缺点,对于TS浓度超过25%的原料输送也无能为力。针对这些情况,目前在欧洲有的沼气工程中采用了凸轮转子泵和高密度固体泵。 凸轮转子泵可输送各种黏稠或含颗粒物的介质,结构紧凑,对介质剪切小,运行震动小。凸轮泵完全对称设计允许在任何情况下逆向运转,只需要改变转子的转向这样就可以实现一台泵完成储罐的装和卸两项工作。 高密度固体泵适应原料广,可以正常输送2/3管径大小的杂物;物料浓度高,输送物料的TS可达到25%~ 40%;输送距离长,可达200m。