几种生物质原料厌氧发酵制取沼气能量转换效率的比较

1、几种生物质原料厌氧发酵制取沼气能量转换效率的比较paperscience&technology2009vo 1.28no.3几种生物质原料厌氧发酵制取沼气能量转换效率的比较张庭婷李嘉薇王双飞(1 广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004;2广西大学化学化工学院，广西南宁530004)摘耍:本文以木薯秆为原料，采用批量单相厌氧发酵的工艺,初步探讨了影响木薯 秆厌氧发酵的因素，同时在研究了几种不同生物质原料厌氧发酵制取沼气的基础上，分析了原料的热值，理论沼 气转化率及实际沼气转换率，并比较了直接燃烧与制取沼气的有效热值，及木薯秆固液分离发酵与混合发酵的有 效热值.结果表明，

2、木薯秆原料尺寸为60 100 r,ph值保持中性,温度为37°c,污泥加入量占有效池容的20% 40%为宜.几种原料制取沼气比直接燃烧的有效热值均高出1倍以上，且木薯秆经固液分离后发酵产沼气的有 效热值比混合发酵高出三分之一以上.关键词:生物质;厌氧发酵;沼气;固液分离;有效热值屮图分类号:tk6文献标识码:a文章编号:1671 4571 (2009)03-0036-061引言2试验及方法目前，现代社会赖以牛存与发展的化石能源正h渐枯竭，已成为制约未来社会发展的潜在危机，开发清洁可再生生物质能是解决能源危机，减少环境污染，走可持续发展道路的重要途径利用生物质资源生产的生物质能目前居世

3、界能源消费总量第四位，仅次于煤炭，石油，天然气至今，世界上仍 有15亿以上的人口以生物质作为生活能源有 人预测，可再生性能源到2010年将占到我国能源 利用总量的5%到8%,到2020年将会达到10%到 15%.我国是一个能源短缺的国家，也是生物质资源 大国.其屮，作物秸秆年产量约为7亿t左右，列世 界之首但大多数农作物秸秆都被用以焚烧，还 田或乱堆放】，只有少部分用作饲料，工业使用， 不但造成利用率的低下，还增加了环境污染因此， 用秸秆进行厌氧发酵制取沼气是一个生产高甜位清 洁能源的过程.本文就是在几种不同生物质原料厌 氧发酵制取沼气的基础上，研究该过程的能量转换 率，为沼气发酵提供依据.2

4、原料与装置2.1.1实验原料木薯秆:取自广西扶绥，玉米秸秆，香蕉树及芭蕉树:均取自南宁郊区，各种原料均风干粉碎后备 用接种物:木实验采用的厌氧颗粒污泥取自南宁 糖业股份有限公司制糖造纸厂该污泥为南糖废水 处理umar反应器中底部的污泥，其中含有大量的 产甲烷细菌沼液:本实验采用的沼液为厌氧污泥 的上层清液.几种不同牛物质原料的元素分析结果见表1.表1儿种不同生物质原料的元素分析结果（以干燥基 计）2.1.2实验装置与仪器作者简介:张庭婷，女，硕士研究生，主要从事可再生资源的利用方面的研究.造纸科学与技术2009年第28卷第3期 实验装置为自制的发酵装置，由250ml rfn.清瓶 （发酵瓶）,

5、1000ml锥形瓶（排水瓶）及量筒（读取产 气量）组成.恒温水浴锅发酵瓶排水瓶量简图1实验简易装置图2.2实验方法称取一定量的原料与厌氧污泥混合，调节ph 值至7左右,连接实验装置，控制发酵温度为37o【二, 每天早上9:00记录产气量，每2天测定一次甲烷含 量.2.3测定方法总固体含量（ts）和挥发性固体含量（vs）的测 定方法:常规烘干法.原料元素成分分析:德国 elementa-varioel元素分析仪.弹筒热值:恒温氧 弹式热量计gr3500型.ph值:采用精密ph试 纸（范围为5.78.5）测定.气体的计量:采用排饱 和食盐水法收集气体，每日定吋用量筒测量水的体 积记为产气量甲烷成分

6、测定的，启动后每隔3天 测定甲烷的含量,经过实验过程中的测定发现，木薯 秆产沼气的平均甲烷含量为（66 ±6）%.3结果与讨论3.1木薯秆厌氧发酵的影响因素3.i.i木薯秆破碎程度对厌氧发酵的影响 将粉碎后的木薯秆过筛，得到4种不同规格 （>40 目;4060 i;60100 目;<100 目）的木薯 秆，分别取一定量的木薯秆与厌氧污泥一起发酵，调 节ph值保持在中性，可控恒温水浴锅控制发酵温 度为37°c.1200叠 100080o6004002o000246810j214时间/fl图2木薯秆破碎程度对发酵的影响 表2发酵前后料液ts,vs,p

7、h值的变化 发酵液 发酵前ts/%vs/%ph发酵后ts/%vs/%phl#(>40 i )4.433.617.523.803.117.36 2#(4060 目)2.542.067.481.931.287.343 撑(60100 )3.873.197.461.772.817.31 4#(< 100 目)5.594.507.484.053.367.33 从图2中可以看出，当木薯秆尺寸为60100r时，其累计产气量最高，达到248.9ml/g干物质. 尺寸<100 01寸次之，为220.9ml/g干物质,40 60目时累计产气量为185.5ml/g干物质，

8、产气量 最少的为>40目的木薯秆，仅为146.3ml/g干物 质.当木薯秆粉碎的尺寸越小，其表面的腊质层就 被破坏得越多，因此，更利于微生物利用而尺寸< 100目吋，由于此吋的原料更加细小，其中木薯秆的 髓和皮的含量相对增多，故，纤维素等c源相对变 少，所以其利用率没有60100目时高.从表2中 也可以看出,4种规格的木薯秆发酵后ts,vs都有 降低,60-100目的木薯秆其ts利用率达到 54.3%,vs利用率为11.9%,为利用率最高的，故 从这也可看出,60100目是比较利于产沼气的原 料尺寸.3.1.2ph值对厌氧发酵的影响该组实验中向反应器中加入一定量60

9、100 0 的木薯秆原料及一定体积的污泥，补加沼液至 250ml,调节不同的ph值，连接好实骑装置,启动实 验.结果如下：1400.120o10130800.jl600藻4瑚00002468101214时间/d图3ph值对厌氧发酵的影响表3发酵前后料液ts,vs,ph值的变化37paperscience&technology2009vo 1.28no.3 沼气微生物的生长，繁殖，要求发酵原料的酸碱 度保持中性，或者偏碱性，过酸，过碱都会影响产气. 从图3屮可以看出，当ph值为中性的时候,累计产 气量最大，达到272.1ml/g于物质，平均每天产气 量为22.7ml/g干物质，此

10、时ts,vs利用率分别为 32.6%,34.0%.当ph值增大到8时，此时累计产 气量为253.0ml/g干物质，平均每天产气量为21 ml/g干物质，其ts,vs利用率分别为27.2%,31. 3%.当ph值增大到9时，此吋产累计气量下降到 229.4ml/g干物质，平均每天产气量为19.1 ml/g 干物质，其ts,vs利用率分别为7.4%,10.4%当 ph值增大到11时,不产气.表3屮的ph值的变化 情况说明，沼气发酵初期由于产酸菌的活动，反应器 内产牛大量的有机酸，导致ph值下降.随着发酵 持续进行，氨化作用产生的氨中和一部分有机酸，同 时甲烷菌的活动，使大量的挥发性酸转化为甲烷 (

11、ch)和二氧化碳(co),使ph值回到正常值.3.1.3温度对发酵的影响温度是影响沼气发酵产气率高低的最重要的外 因条件，发酵温度适宜则沼气微生物繁殖旺盛，活力 强，厌氧分解和生成甲烷的速度就快，产气就多.本 实验的r的在于考察厌氧发酵的合适温度实验结 果如下：2000毒 1500面唧1000酶50ooo 020304050607080 时间/d图4温度对厌氧发酵的影响通常把不同的发酵温度区分为三个范围，即把4660 °c称为高温发酵,3238°c称为中温发酵,1026°c称为常温发酵.但在不同的地方，划分的区 别有所不同.广西地处亚热带，夏季的室温一般在 29&

12、#176;c左右，故本实验将29.5oc作为常温发酵的温 度从图4中可以看出,37°c时，累计产气量明显比 其他三个温度高，达到389.1ml/g干物质，而48°c 时，累计产气量达到158.2ml/g干物质，常温下为 147.5ml/g干物质,33°c时最低，为114.6ml/g干 物质一般来说，温度越高，微牛物活动越旺盛，产 气量越高.且微生物对温度变化十分敏感,温度突 然升高或突降，都会影响微生物的生命活动,使产气 38 状况恶化.故，本实验在考虑可操作性的基础上，选 定发酵温度为37cl=3.1.4污泥加入量对发酵的影响相同规格的木薯秆，与不同量的污泥（1

13、群6# 污泥加入量依次为0ml,50ml,100ml,15onil, 200ml,250ml）混合发酵，在37c下进行发酵，考察 污泥量的多少对发酵的影响，其结果如下：删l撩+ 1#2#+3#i 卜4#一i_5#+6#051015202530354045505560时间,d图5污泥加入量对厌氧发酵的影响从图5中我们可计算出,污泥的加入量对厌氧 发酵有比较明显的影响当不加污泥时，产气量最 少,累计产气量为41.2ml/g干物质，这说明，没有 污泥的存在，就没法提供足够多的产甲烷微生物. 6和3两种情况产气量相差不大,分别为169.8 ml/g干物质和184.2ml/g干物质.原则上，污泥 越多，

14、产甲烷细菌越多，但是，对于该实验来说，污泥 过多会大量膨胀，膨胀后的体积远超出了反应器本 身的有效池容，故导致实验的可操作性不强24 和5三个的累计产气量相差不大，分别为246.6ml/ g干物质,249.2ml/g干物质和246.2ml/g干物质. 但由于污泥加入过多，伴随着污泥膨胀的可能性也 增大,实验可操作性也降低故后续实验屮选取加 人（50100）ml污泥为宜，也即此吋接种物的量为 约占有效池容的20% 40%为宜.3.2儿种生物质厌氧发酵产沼气的能量转换效率 比较3.2.1生物质的热值各类燃料最重要的特性是热值（或发热量），它 决定燃料的价值,是进行燃烧等转化的热平衡，热效 率和消耗

15、量计算的不可缺少的参数燃料热值的表 示方法有如下三种:弹筒热值，高位热值和低位热 值.弹筒热值可由专业实验室用的氧弹式热量 计测得，它较实际燃烧过程放岀的热量高，在实际应 用中,还要换算成后面的两种热值高位热值是燃 料在空气中完全燃烧时放岀的热量，能够表征燃料 的质量，评价燃料的质量时可用高位热值作为标准 伽姗咖伽姗0造纸科学与技术2009年第28卷第3期 值在测定牛物质燃烧热值的情况下，弹筒热值比 高位热值高约1225kj/kg,通常可忽略不计，即用 弹筒热值代替高位热值从燃料高位热值中扣除了 水的汽化潜热后所净得的值，就是低位热值在实 际工程应用中，燃料热值都是采用低位热值,因为低 位热值

16、符合实际情况，比较合理空气干燥基的高， 低位热值的换算关系为：hh vdlh vd+226hd( 1)式中:hhv以干燥基计的高位热值；lhv以干燥基计的低位热值；h原料中以干燥基计的h含量.由表1中的数据，通过公式(1),可计算出几种 不同原料的热值见表4.表4几种不同生物质的热值(kj/kg绝干原料) 评价牛物质直接燃烧时的能量转换效率采用低 位热值.由于厌氧发酵制取沼气是一种不经过直接 燃烧的中间转换过程，故在评价它的能量转换效率 时，采用高位热值.3.2.2不同生物质原料厌氧发酵产沼气能量转换 的理论效率理论沼气转换率计算公式如下弓i：t 二 wt.+wptp+wltl(2)式屮:”b

17、r lkg绝于原料屮碳水化合物的含量,kg; w 一 lkg绝干原料中蛋白质的含量,kg;w-lkg绝干原料中类脂化合物的含量,kg;】kg绝干原料中碳水化合物的理论沼气 转换率(lkg碳水化合物能产生沼气的最大 值),m/kg;t- lkg绝干原料中蛋白质的理论沼气转换 率,m/kg;t- 1kg绝干原料中类脂化合物的理论沼气转 换率,m/kg.而lkg碳水化合物,蛋白质，类脂化合物的理论 沼气转化率分别为:0.75m./kg,0.98m/kg,1.44 m/kgn .因此，由式(2)可计算出几种生物质的 理论沼气转换率，见表5.表5几种不同生物质的理论沼气转化率乂知，每立方米沼气的热值约为

18、21520kj,根 据沼气理论热值和能量转换的理率效率的计算公 式,可计算得到表6中的数据.沼气理论热值=21520xt,kj/kg绝干原料(3) 能量转换的理论效率二塑素xi.%表6儿种不同生物质的理论沼气转换率3.2.3不同生物质原料厌氧发酵产沼气能量转换 的实际效率该组实验分别用六种不同的生物质原料同一定 量的污泥混合，置于恒温水浴锅中，调节ph值至中 性，在37”c下静态发酵，发酵采取单相发酵工艺，实 验共进行35天.实验结果如下：据l!+玉米秸秆：+芭蕉树秆+香蕉树秆i+点蕉叶梗-.it.-香蕉叶梗木薯秆061218243036时间,d图6几种不i司生物质原料厌氧发酵的累计产气量由图

19、6可以看出，几种物质都能发酵产生沼气， 其累计产气量从高到低依次为:玉米秸秆>木薯秆>香蕉树秆>芭蕉叶梗>芭蕉树秆>香蕉叶梗.由 累计产气量计算出实际沼气转换率后，便可根据公式(3)和(4)计算出沼气的实际热值和能量转换的39枷釉瑚姗0,2;paperscience&technology2009vo 1.28no.3实际效率，见表7.表7几种不同生物质原料发酵的实际效率发酵实际沼气转换率沼气实际热值能量转换的原料/m?kg绝干原料/kj?kg实际效率/%3.2.4不同生物质原料发酵产沼气的总效率与直接燃烧的比

20、较生物质发酵产沼气的总效率是指沼气发酵和沼气燃烧两次转换过程中能量转换的最终效率沼气 发酵的能量转换效率前已讨论，沼气燃烧的效率取 决于沼气灶的使用性能在正常情况下，沼气灶燃 烧的热效率一般可达到60 3.故沼气技术两次能 量转换过程的总效率可按如下公式计算： 能量转换的总效率二沼气发酵能量转换的实际效率x沼气燃烧的热效率(5)而旧式柴灶直接燃烧时热效率通常仅有10%14，其能量转换效率仅取决于柴灶的热效率.牛物质直接燃烧与制成沼气的计算结果见表&表8几种不同生物质直接燃烧与制成沼气的有效热值的比较 3.3木薯秆固液分离后发酵产沼气的能量转换效率331木薯秆固液分离发酵产沼气能量转换的

21、实 际效率该组实验是将一定量粉碎后的木薯秆,按照一定的固液比，经纤维素酶水解48h后,将酶解液加入 到发酵装置屮，与厌氧颗粒污泥混合发酵.实验的 累计产气量如图7.皿劉芷:亡量ii；0246810121482022242628时间,d图7木薯秆固液分离后厌氧发酵的累积产气量变化 由图7的累计产气量计算可得出固液分离后厌 氧发酵产沼气的实际转换效率,然后根据公式(3) 和(4)计算出沼气的实际热值和能量转换的实际效 率，见表9.表9木薯秆固液分离后厌氯发酵产沼气的实际效率 发酵实际沼气转换率沼气实际热值能量转换的 原料/m?kg绝干原料/kj?kg实际效率/%木薯秆 0.22614865.672

22、8.453.3.2木薯秆i占i液分离后厌氧发酵与混合发酵的比较由于木薯秆固液分离后发酵是将酶解液过滤后用于发酵，而酶解后的残渣风干后可用于直接燃烧 作为锅炉等的动力，故固液分离发酵过程的能量转 换的总效率是指残渣燃烧，酶解液制取沼气和沼气 燃烧三个过程的最终效率.实验屮测得残渣的低位 热值为14682.62kj/kg,残渣燃烧供热过程按照省 柴灶的效率20%计算，因此，残渣直接燃烧过程中 有效热值为2936.52kj/kg.由公式(5)可计算出制 取沼气和沼气燃烧过程中的最终效率，对比结果见 表10.表10固液分离发酵和混合发酵产沼气的有效热值的比较 姗呆鲫枷姗瑚0造纸科学与技术2009年第2

23、8卷第3期4结论4通过对木薯秆厌氧发酵制取沼气的影响因素 的探讨，得岀了厌氧发酵的最佳工艺:木薯秆粉碎至 60100目,ph值保持中性，温度37c【二，接种物加入 量占有效池容的20%40%为宜.4.2几种不同的生物质原料经过厌氧发酵制取沼 气后,其实际转换效率在为20% 35%左右，经发 酵制成沼气燃烧后其有效热值均比直接燃烧增加1 倍多以上，玉米秸秆甚至几乎达到了 3倍因此，这 类生物质原料可通过这种厌氧发酵产沼气的途径来 提高利用率，同时述能减少述田，焚烧等带来的环境 问题.4.3对比木薯秆混合发酵和固液分离发酵可看岀， 固液分离发酵不但能将分离后的液体送至专门的水 处理设备(如ic厌氧

24、反应器)中使用，还能将分离 后的残渣用以燃烧作动力使用，故能进一步提高木 薯秆的利用率，从而为合理利用木薯秆资源和实现 工业化生产提供依据.参考文献1肖波，周英彪,李建芬生物质能循环经济技术m.北京:化 学工业出版社,2006,207218杜祥琬.生物质能源是最具前景的可再生性能源卩应用能 源技术,2006,(3):22阮文权，郁丹，邹华，等小城镇废弃物沼气生产技术进展j. 中国沼气,2006,24(4):2831a.isci,g.n.demire ubiogasproductionpotentialfromcotton waste|j.renewableenergy | j ).2007,3

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27、ijiaweiwangshuangfei(lcollegeoflightindustryandfoodengineering,guangxiuniversitynanning,5300049g uangxi,china;2.collegeofchemistryandchemicalengineering,gua ngxiuniversity,nanning530004,g uangxi,china)abstract:theinfluencingfactorsofanaerobicfermentationwithcassavastemwereapproac hedelementarilywiththetechnologyofbatchsingle一phaseanaerobicfermentationinthispaper.