生物质能源发酵

1、生物质能源发酵目录目录v1.1.生物质能源简介生物质能源简介v2.2.生物质能源利用技术生物质能源利用技术v3.3.沼气发酵技术沼气发酵技术v4.4.乙醇发酵技术乙醇发酵技术v5.5.生物制氢技术生物制氢技术l生物质能源就是生物质能源就是太阳能以化学能形式太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量为载体的能量。l它它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，态燃料，取之不尽、用之不竭，是唯一是唯一一种可再生的碳源。一种

2、可再生的碳源。生物质能生物质能源概念源概念biomass energybiomass energy生物质能源特点生物质能源特点l可可再生性再生性l生物质能源属可再生资源,生物质能源由于通过植物的光合作用可以再生；l低低污染性污染性l生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOX、NOX较少；l广泛广泛分布性分布性l缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能源； l总量丰富总量丰富l生物质能源是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。生物质能源现状生物质能源现状l人类对能源的需求趋势改变人类对能源的需求趋势改变 ，生物质能源具有资源丰富、可再生、低污染等，生物质能源具有资源丰富、可再生、低污染等优点

3、。优点。l与传统燃烧方式相比，现代生物质能源的利用更多的是借助热化学、生物化与传统燃烧方式相比，现代生物质能源的利用更多的是借助热化学、生物化学等手段，通过一系列先进的转换技术，生产出固液气等高品位能源来代替学等手段，通过一系列先进的转换技术，生产出固液气等高品位能源来代替化石燃料，为人类生产生活提供电力、交通燃料、热能、燃气等终端能源产化石燃料，为人类生产生活提供电力、交通燃料、热能、燃气等终端能源产品。品。l生物质能源占世界能源消耗的生物质能源占世界能源消耗的14%14%。生物质能源利用技术生物质能源利用技术v(1)(1)农林业废料、秸秆、玉米秸、不成材的木头、动物粪便等具有能源利用价农林

4、业废料、秸秆、玉米秸、不成材的木头、动物粪便等具有能源利用价值的废物、造纸行业的富含纤维素的废水，其他生物燃料工艺所残留的生物值的废物、造纸行业的富含纤维素的废水，其他生物燃料工艺所残留的生物废渣。废渣。 v(2)(2)专门的能源作物。在一些并不适合传统农作物生长的地方，种植速生林、专门的能源作物。在一些并不适合传统农作物生长的地方，种植速生林、柳枝稷、大象草等高产的能源作物，为生产生物燃料提供原料。柳枝稷、大象草等高产的能源作物，为生产生物燃料提供原料。一、固化成型技术一、固化成型技术v固化成型技术是指以固化成型技术是指以无定形的生物质无定形的生物质（如木材屑末下脚料、植物庄稼秸秆、各（如木

5、材屑末下脚料、植物庄稼秸秆、各种糠渣谷壳等）为原料，经过一定的温度和机械压力作用下，利用固化成型设种糠渣谷壳等）为原料，经过一定的温度和机械压力作用下，利用固化成型设备挤压制成备挤压制成颗粒型、棒型、块型颗粒型、棒型、块型等燃料，便于集中利用，从而改善生物质原有等燃料，便于集中利用，从而改善生物质原有性能、提高热效率，性能、提高热效率，v进一步脱烟碳化后可制成清洁炭，达到高效、清洁、进一步脱烟碳化后可制成清洁炭，达到高效、清洁、COCO2 2 低排放的优点，是一低排放的优点，是一种简单可行的生物质能源生产技术，种简单可行的生物质能源生产技术，生物质固化成型的工艺流程生物质固化成型的工艺流程原料

6、原料 预处理预处理 粉碎粉碎干燥干燥成型成型碳化碳化木炭木炭二、生物化学加工利用技术二、生物化学加工利用技术沼气发酵沼气发酵乙醇发酵乙醇发酵发酵制氢发酵制氢生物柴油生物柴油合成合成v生物质在微生物的发酵作用下，生成的沼气、酒精等能源产品生物质在微生物的发酵作用下，生成的沼气、酒精等能源产品1.1.沼气发酵沼气发酵v沼气沼气是有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经多种微生是有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经多种微生物发酵及分解作用而产生的一种混合可燃气体。物发酵及分解作用而产生的一种混合可燃气体。20%20%- -40%CO40%CO2 250%50%- -80%CH80

7、%CH4 40%0%- -5%He5%He0.4%O0.4%O2 20.1%0.1%- -3%H3%H2 2S S1%H1%H2 2v沼气发酵工艺是指在沼气发酵工艺是指在厌氧条件厌氧条件下下, , 通过通过沼气发酵微生物沼气发酵微生物的活动的活动, , 处理处理有机废有机废物物并制取并制取沼气沼气的技术与装备的技术与装备, , 也称为厌氧消化工艺。也称为厌氧消化工艺。 v沼气发酵可沼气发酵可生产沼气作为能源生产沼气作为能源, , 又可处理有机废物又可处理有机废物( (包括废水和固废包括废水和固废) )以保护以保护环境环境, , 经沼气发酵后的经沼气发酵后的沼渣沼渣、 沼液沼液是优化的有机肥料。

8、是优化的有机肥料。 v由于开发可再生的生物质能源及环境保护的需要由于开发可再生的生物质能源及环境保护的需要, , 在科学研究的推动下在科学研究的推动下, , 沼沼气发酵工艺得到迅速发展。气发酵工艺得到迅速发展。沼气发酵工艺沼气发酵工艺v沼气发酵又称厌氧消化沼气发酵又称厌氧消化, , 是指各种有机物在厌氧条件下是指各种有机物在厌氧条件下, , 被各类沼气发酵微被各类沼气发酵微生物分解转化生物分解转化, , 最终生成沼气的过程。最终生成沼气的过程。v目前为大家所公认的沼气发酵的过程如图所示目前为大家所公认的沼气发酵的过程如图所示, , 其中共有五大类群的细菌参其中共有五大类群的细菌参与沼气发酵活动

9、。与沼气发酵活动。 他们是他们是: : 发酵性细菌发酵性细菌; ; 产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌; ; 耗氢产乙酸耗氢产乙酸菌菌; ; 食氢产甲烷菌食氢产甲烷菌; ; 食乙酸产甲烷菌。各种复杂有机物食乙酸产甲烷菌。各种复杂有机物, , 无论是固体或无论是固体或溶解状态溶解状态, , 都可以经微生物作用而最终生成沼气。都可以经微生物作用而最终生成沼气。沼气发酵原理沼气发酵原理v可作为沼气发酵原料的有机物种类繁多可作为沼气发酵原料的有机物种类繁多, , 如禽畜粪便、如禽畜粪便、 作物秸秆、作物秸秆、 食品加工食品加工废物和废水废物和废水, , 以及酒精废料等以及酒精废料等, , 其主要化学成分为多糖、

10、其主要化学成分为多糖、 蛋白质和脂类。蛋白质和脂类。沼气发酵原料沼气发酵原料发酵细菌分泌发酵细菌分泌胞外酶胞外酶将发酵原料中的将发酵原料中的大分子有机物质水解大分子有机物质水解，经过发酵作用将，经过发酵作用将它们转化为它们转化为乙酸、乙酸、 丙酸等有机酸和醇类及少量氢气、丙酸等有机酸和醇类及少量氢气、 二氧化碳二氧化碳。蛋白质蛋白质, , 细菌合成细胞物质，多余进一步被分解生成氨和硫化氢等。蛋白质细菌合成细胞物质，多余进一步被分解生成氨和硫化氢等。蛋白质含量的多少含量的多少, , 直接影响沼气中氨及硫化氢的含量直接影响沼气中氨及硫化氢的含量, , 而氨基酸分解时所生成的而氨基酸分解时所生成的有

11、机酸类有机酸类, , 则可继续转化而生成甲烷、则可继续转化而生成甲烷、 二氧化碳和水。二氧化碳和水。 脂类物质在细菌脂肪酶的作用下脂类物质在细菌脂肪酶的作用下, , 首先水解生成甘油和脂肪酸首先水解生成甘油和脂肪酸, , 甘油可进一甘油可进一步按糖代谢途径被分解步按糖代谢途径被分解, , 脂肪酸则进一步被微生物分解成乙酸。脂肪酸则进一步被微生物分解成乙酸。沼气发酵过程沼气发酵过程液化阶段液化阶段l产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类, , 除甲酸、除甲酸、 乙酸乙酸和甲醇外和甲醇外, ,均不能被产甲烷菌所利

12、用均不能被产甲烷菌所利用, , 必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、乙酸、 氢和二氧化碳。氢和二氧化碳。l耗氢产酸菌耗氢产酸菌耗氢产乙酸菌也称同型乙酸菌耗氢产乙酸菌也称同型乙酸菌, , 这是一类既能自养生活又能异养生活的混合这是一类既能自养生活又能异养生活的混合营养型细菌。它们既能利用营养型细菌。它们既能利用H H2 2+ CO+ CO2 2 生成乙酸生成乙酸, , 也能代谢产生乙酸。通过上也能代谢产生乙酸。通过上述微生物的活动述微生物的活动, , 各种复杂有机物可生成有机酸和各种复杂有机物可生成有机酸和H H2 2、COCO2 2 等。等。沼气发酵过程沼气发

13、酵过程产酸阶段产酸阶段v产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群。产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群。 由由COCO2 2 和和H H2 2 产生甲烷反应为产生甲烷反应为: CO: CO2 2+ 4H+ 4H2 2CHCH4 4+ H+ H2 2O O 由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为: CH: CH3 3COOHCHCOOHCH4 4+ CO+ CO2 2；CHCH3 3COONHCOONH4 4+ H+ H2 2OCHOCH4 4+ NH+ NH4 4+ + HCO+ HCO3 3- -沼气发酵过程沼气发酵过程产甲烷阶段产甲烷阶段v适宜

14、的发酵温度适宜的发酵温度常温发酵常温发酵10301030，在这个温度条件下，产气率可为，在这个温度条件下，产气率可为0.15-0.3m0.15-0.3m3 3/m/m3 3d;d;中温发酵中温发酵30453045，在这个温度条件下，在这个温度条件下, , 池容产气率可达池容产气率可达1m1m3 3/m/m3 3d;d;高温发酵高温发酵45604560，在这个温度条件下，池容产气率可达，在这个温度条件下，池容产气率可达2-2.5m2-2.5m3 3/m/m3 3d d左右左右。沼气发酵最济的温度条件是沼气发酵最济的温度条件是35, 35, 即中温发酵。即中温发酵。沼气发酵过程中的基本条件沼气发酵

15、过程中的基本条件发酵液的浓度范围是发酵液的浓度范围是2%30%2%30%。浓度愈高产气愈多。发酵液浓度在浓度愈高产气愈多。发酵液浓度在20%20%以上称为干发酵。以上称为干发酵。农村户用沼气池的发酵液浓度可根据原料多少和用气需要以及季节变化来调整。农村户用沼气池的发酵液浓度可根据原料多少和用气需要以及季节变化来调整。夏季料浓度为夏季料浓度为56%;56%;冬季冬季1012%; 1012%; 工艺要求发酵液浓度为工艺要求发酵液浓度为58%58%。适宜的发酵液浓度适宜的发酵液浓度沼气发酵微生物对碳素需要量最多沼气发酵微生物对碳素需要量最多, , 其次是氮素其次是氮素, , 我们把微生物对碳素和我们

16、把微生物对碳素和氮素的需要量的比值氮素的需要量的比值, , 叫做碳氮比叫做碳氮比, , 用用 “ “C: N” C: N” 来表示。目前一般采用来表示。目前一般采用C: N =25: 1C: N =25: 1。但并不十分严格。但并不十分严格, 20: 1, 20: 1、 25: 125: 1、 30: 1 30: 1 都可正常发酵。都可正常发酵。碳碳/ /氮比氮比(C:N )(C:N )适宜的酸碱度适宜的酸碱度(pH(pH值值) )沼气发酵适宜的酸碱度为沼气发酵适宜的酸碱度为pH=6.5pH=6.5 7.57.5。主要是与。主要是与pHpH值影响酶的活性。值影响酶的活性。v沼气甲烷菌要求在氧化

17、还原电位低于沼气甲烷菌要求在氧化还原电位低于 -330mv-330mv的条件下才能生长。的条件下才能生长。v在一个氧化还原系统中，氧化还原电位与氧化态物质的浓度成正比，而与还在一个氧化还原系统中，氧化还原电位与氧化态物质的浓度成正比，而与还原态物质的浓度成反比在溶液中的氧或氧化态物质愈多，氧化还原电位就原态物质的浓度成反比在溶液中的氧或氧化态物质愈多，氧化还原电位就愈高，反之愈低；而还原态物质愈多，则氧化还原电位愈低，反之愈高。愈高，反之愈低；而还原态物质愈多，则氧化还原电位愈低，反之愈高。v如果在一个氧化还原系统中，还原态物质的浓度不变，氧浓度每降低如果在一个氧化还原系统中，还原态物质的浓度

18、不变，氧浓度每降低1010倍，倍，其氧化还原电位就将降低其氧化还原电位就将降低0.0150.015伏特。伏特。v这个条件即这个条件即: : 严格的厌氧环境。严格的厌氧环境。较低的氧化还原电位较低的氧化还原电位( (厌氧环境厌氧环境) )l1. 1. 参与发酵第一阶段微生物类群参与发酵第一阶段微生物类群 纤维素分解菌、肠道细菌、变性杆菌、丁酸芽孢杆菌、反硝化细菌、假单纤维素分解菌、肠道细菌、变性杆菌、丁酸芽孢杆菌、反硝化细菌、假单孢菌、产碱杆菌等数十种细菌；毛霉、根霉、曲霉、青霉、木霉等二十多种孢菌、产碱杆菌等数十种细菌；毛霉、根霉、曲霉、青霉、木霉等二十多种真菌及鞭毛虫、纤毛虫、变形虫等若干原

19、生动物。真菌及鞭毛虫、纤毛虫、变形虫等若干原生动物。l2.2.参与发酵第二阶段微生物类群参与发酵第二阶段微生物类群 甲烷细菌为一类具有几乎所有细菌形态如球形、链球形、杆形、螺旋形弧甲烷细菌为一类具有几乎所有细菌形态如球形、链球形、杆形、螺旋形弧形等的一个类群，形等的一个类群， 甲烷菌严格厌氧，能将甲烷菌严格厌氧，能将H H2 2和和COCO2 2转化成甲烷。转化成甲烷。沼气发酵菌种沼气发酵菌种沼气发酵中菌种数量多少沼气发酵中菌种数量多少, , 质量好坏直接影响着沼气的产量和质量。质量好坏直接影响着沼气的产量和质量。一般要求菌种量达到发酵料液总量的一般要求菌种量达到发酵料液总量的1030% ,

20、1030% , 才能保证正常启动和旺盛产气。才能保证正常启动和旺盛产气。v按投料方式划分按投料方式划分v1.1.连续发酵工艺连续发酵工艺 定时补充发酵原料定时补充发酵原料 产气量均衡产气量均衡 设备大型、但利用率高设备大型、但利用率高v2.2.半连续发酵工艺半连续发酵工艺 当产气量下降后开始补充发酵原料当产气量下降后开始补充发酵原料 大多应用于农村沼气池大多应用于农村沼气池 农村沼气池大多属于此类型农村沼气池大多属于此类型v3.3.批量发酵工艺批量发酵工艺 发酵原料一次投入发酵原料一次投入 不需进行管理不需进行管理 城市的垃圾填埋处理及农村小型沼气干发酵装置城市的垃圾填埋处理及农村小型沼气干发

21、酵装置沼气发酵工艺类型沼气发酵工艺类型沼气发酵基本工艺流程沼气发酵基本工艺流程沼气发酵反应器类型沼气发酵反应器类型沼气在使用前必须经过净化，使沼气的质量达到标准。沼气的净化一沼气在使用前必须经过净化，使沼气的质量达到标准。沼气的净化一般包括沼气的脱水、脱硫及脱二氧化碳。般包括沼气的脱水、脱硫及脱二氧化碳。沼气净化沼气净化v沼气发酵是我国利用生物质资源的一种重要方式。我国利用厌氧消化技术制沼气发酵是我国利用生物质资源的一种重要方式。我国利用厌氧消化技术制取沼气开始于取沼气开始于2020世纪世纪3030年代，主要用于照明，年代，主要用于照明，9090年代以来，大中型沼气工程年代以来，大中型沼气工程

22、、厌氧消化技术的研究和推广应用迅速发展。、厌氧消化技术的研究和推广应用迅速发展。 v它是目前应用较广泛的新能源和可再生能源利用技术之一，具有显著的能源它是目前应用较广泛的新能源和可再生能源利用技术之一，具有显著的能源效益效益 、环境效益、生态效益和经济效益，受到政府的高度重视和全社会的广、环境效益、生态效益和经济效益，受到政府的高度重视和全社会的广泛支持。泛支持。我国沼气技术应用现状我国沼气技术应用现状目前国内在沼气生产利用方面，目前国内在沼气生产利用方面，主要是在农业和农村能源领域主要是在农业和农村能源领域国内沼气产业化国内沼气产业化局限性局限性沼气沼气的生产效率的生产效率低低n实验中每立方

23、米的理论产值是实验中每立方米的理论产值是2020立方米，实际农村产值为立方米，实际农村产值为0.10.1立方米。立方米。北方：四位一体北方：四位一体大棚大棚+ +猪猪+ + 厕所厕所+ +人人农民沼气池农民沼气池南方：猪南方：猪-沼沼-果果大型畜禽场沼气工程不足，发酵技术缺陷大型畜禽场沼气工程不足，发酵技术缺陷反应罐内不能形成固定的厌氧污泥颗粒，反应罐内不能形成固定的厌氧污泥颗粒，整个发酵过程菌在一个反应罐中进行，导致各个阶段互相牵制，整个发酵过程菌在一个反应罐中进行，导致各个阶段互相牵制，反应罐内物料不搅拌或搅拌不充足，反应罐内物料不搅拌或搅拌不充足，物料浓度过低（禽畜粪便清理时多用水清洗）

24、，物料浓度过低（禽畜粪便清理时多用水清洗），发酵过程温度控制等。发酵过程温度控制等。生产模式未形成生产模式未形成生产模式是指企业体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形态和运生产模式是指企业体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形态和运作方式。作方式。n缺少科技型风险企业家投入缺少科技型风险企业家投入上世纪八九十年代，在中国开始发展农村户用沼气的时候，德国与瑞典等开上世纪八九十年代，在中国开始发展农村户用沼气的时候，德国与瑞典等开发了沼气的规模化生产与工业性用途，我们叫它发了沼气的规模化生产与工业性用途，我们叫它“产业沼气产业沼气”。3030年过去了年过去了n中国农村户用沼气池从中国农村户用沼

25、气池从600600多万个发展到了多万个发展到了30003000多多万个和年产沼气万个和年产沼气120120亿立方亿立方米，我国目前沼气的规模米，我国目前沼气的规模化程度和容积产气率尚低，化程度和容积产气率尚低，分离纯化技术和设备刚起分离纯化技术和设备刚起步。步。国内沼气国内沼气产业产业国外沼气国外沼气产业产业n欧洲沼气产业由以城市污水和有欧洲沼气产业由以城市污水和有机垃圾为原料发展到以畜禽粪便机垃圾为原料发展到以畜禽粪便和专用能源作为原料，由传统的和专用能源作为原料，由传统的厌氧发酵工艺发展到连续搅拌发厌氧发酵工艺发展到连续搅拌发酵和中高温发酵工艺；由沼气发酵和中高温发酵工艺；由沼气发电到对天

26、然气的替代，由环保目电到对天然气的替代，由环保目标升级到能源环保目标标升级到能源环保目标解决解决4-54-5人家庭点灯、做饭的燃料问人家庭点灯、做饭的燃料问题。题。 国内沼气国内沼气应用应用国外沼气国外沼气应用应用德国，德国，98%98%的沼气工程是热电联产的沼气工程是热电联产(CHP(CHP），），20092009年经有年经有100100个沼气工程个沼气工程的沼气并入天然气网的沼气并入天然气网瑞典，瑞典，19961996年沼气作汽车燃料年沼气作汽车燃料20042004年年开始，火车开始也以这种方式运行开始，火车开始也以这种方式运行20072007年已有年已有1440014400辆沼气燃料交通

27、工辆沼气燃料交通工具。具。生物柴油制备技术生物柴油制备技术v柴油分子是由柴油分子是由1515个左右的碳原子组成的烃类，而植物油分子中的脂肪酸一般由个左右的碳原子组成的烃类，而植物油分子中的脂肪酸一般由14141818个碳原子组成，与柴油分子的碳原子数相近。个碳原子组成，与柴油分子的碳原子数相近。生物燃料乙醇制备技术生物燃料乙醇制备技术乙醇乙醇(ethanol)(ethanol)，俗称酒精，可用玉米、甘蔗、小麦、薯类、糖蜜等原料，经发酵，俗称酒精，可用玉米、甘蔗、小麦、薯类、糖蜜等原料，经发酵、蒸馏而制成。、蒸馏而制成。燃料乙醇是通过对乙醇进一步脱水，使其含量达燃料乙醇是通过对乙醇进一步脱水，使

28、其含量达99996 6以上，再加上适量变性剂以上，再加上适量变性剂而获得的。经适当加工，燃料乙醇可以制成乙醇汽油、乙醇柴油、乙醇润滑油等用而获得的。经适当加工，燃料乙醇可以制成乙醇汽油、乙醇柴油、乙醇润滑油等用途广泛的工业燃料。途广泛的工业燃料。燃料乙醇的生产原料可来源于生物质，它是一种可再生的清洁能源。燃料乙醇的生产原料可来源于生物质，它是一种可再生的清洁能源。此外，燃料乙醇燃烧过程中所排放的二氧化碳和含硫气体均低于汽油燃料所产生此外，燃料乙醇燃烧过程中所排放的二氧化碳和含硫气体均低于汽油燃料所产生的对应排放物，而且燃料乙醇比普通汽油更安全，使用的对应排放物，而且燃料乙醇比普通汽油更安全，使用1010燃料乙醇的乙醇汽油燃料乙醇的乙醇汽油，可使汽车尾气中一氧化碳、碳氢化合物排放量分别下降，可使汽车尾气中一氧化碳、碳氢化合物排放量分别下降30308 8和和13134 4，二，二氧化碳的排放减少氧化碳的排放减少3 39 9。燃料乙醇还可作为增氧剂以替代甲基叔丁基醚燃料乙醇还可作为增氧剂以替代甲基叔丁基醚(MTBE)(MTBE)、乙基叔丁基醚，避免对地、乙基叔丁基醚，避免对地下水的致命污染，下水的致命污染，而且，燃料乙醇所排放的二氧化碳