[发明专利]一种秸秆多级利用固态发酵沼气联产发电的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质能源领域，特别涉及一种秸秆多级利用固态发酵沼气联产发电的方法。

技术背景

沼气的传统原料是禽畜粪便，但由于现在养殖业也都采取规模化养殖的方式，粮食涨价等各种原因导致农户散养畜禽的积极性受到影响。因原料不足影响了沼气的产量，有的因无发酵原料，沼气池常年不产气，甚至出现弃池现象。

因此，人们把目光投向了廉价而丰富的秸秆原料，然而秸秆发酵沼气目前并不成功，在工程实践上遭受了严重的挫折，主要存在以下几个问题：1、秸秆纤维素、半纤维素和木质素的结合紧密，难以被微生物降解，造成产气周期长，效率低下；2、原料易于漂浮在料液上面，不能与微生物充分接触，减缓反应速度，同时，漂浮原料的结壳阻止沼气及时逸出；3、大多采用传统的地窖池发酵，无法控制发酵温度和产气速率，造成夏天产气多，冬天产气少或不产气的尴尬局面。

针对以上问题，本发明吸收过程工业的思路，首先，采用汽爆技术对秸秆进行预处理，打破秸秆纤维素、半纤维素和木质素的紧密结构，使原料疏松，羟基暴露，不仅使秸秆易于被微生物降解，而且增加了秸秆的吸水性，这样便缩短产气周期，而且原料沉底，解决了原料漂浮的问题；其次，在沼气发酵方面，本发明采用先进固态发酵技术，减少发酵体系水的含量，提高发酵罐单位体积的发酵效率，从而减少发酵罐体积，同时，本工艺能有效控制沼气发酵温度，提高产气速率和稳定性。再次，发酵产生的废渣主要为木质素和纤维素，且含水量低，与秸秆原料相比燃烧性能好、易成型。

随着各国政府对节能减排的高度重视及一系列措施的出台，秸秆燃烧发电技术逐渐产业化，在我国，国家电网公司旗下的国能生物发电集团有限公司在2006年率先实现了产业化，现已在全国各地建立的几十个秸秆发电厂，国电龙源电力技术工程有限责任公司也已经建立了3个秸秆发电厂。由于秸秆直接燃烧发电存在灰熔点低，造成易结焦和腐蚀等问题，即锅炉燃烧室温度可达1000℃以上，此时秸秆灰分软化(熔化)形成各级受热面积灰、受热面结渣、沾污，严重影响使用寿命和传热性能。

目前只能使用昂贵的进口锅炉才能进行正常的生产。这就大大增加了发电设备和设备维护成本，导致秸秆直接燃烧发电很难产生经济效益，只能在国家补贴的情况下勉强维持。

秸秆中较高的K、Na(共1％左右)含量是造成其灰熔点低的主要原因。在高温时生成KCl和NaCl腐蚀锅炉和管道的金属表面。去除秸秆中的K、Na和Cl能提高秸秆燃烧灰熔点，减少结焦和对锅炉的腐蚀。“黄色”秸秆放置于农田一段时间经雨淋后，其中的腐蚀性物质(氯化物和钾)含量会降低，秸秆变成“灰色”，这种“灰色”秸秆更适合作为锅炉燃料，且热值也有所提高。大麦秸秆浸泡经验表明：降雨量达到15mm时，氯化物含量从0.49％下降至0.05％以下，钾元素含量从1.18％下降至0.22％，灰熔点可提高到950-1100℃。雨淋的方法虽然有一定的效果，但品质难以控制，不能适应工业化生产。必须寻经济实用的秸秆制备固体成型燃料的方法。

本发明将秸秆汽爆后发酵沼气，去除了秸秆中的钾离子、钠离子和氯离子，减少秸秆中纤维素和半纤维素的含量，提高木质素含量，提高热值和灰熔点，减少了燃烧过程结焦和对锅炉的腐蚀，大大提高了秸秆的燃烧性能。本方法制备的秸秆成型燃料可用作普通国产锅炉的燃料用于发电或供热。大大减少了生物质发电的设备投资。

总之，本发明针对秸秆发酵沼气效率低、易形成死窖等问题，采用汽爆预处理技术和固态发酵技术相结合，提高了沼气发酵效率和稳定性；针对秸秆生物质发电存在设备成本高、秸秆供应不稳定的问题，将秸秆固态沼气后的残渣用于发电，由于发酵渣中碱金属和氯离子大幅度降低，提高了燃烧性能和热值，可以用普通锅炉发电，大大降低设备成本，在操作模式上以自然村或农场为单位发酵沼气，发酵渣集中到大的乡镇或县城发电厂发电。自然村发酵的沼气，稳定供给村民，解决农村的生活用气和我国天然气管道难以普及到农村的问题，村民以秸秆换沼气或换电，实现秸秆取之于民，用之于民，这样就保障了农民的切身利益，使他们愿意收集、储存并提供秸秆，解决了生物质发电秸秆原料供应不稳定、储存困难的问题。本发明不仅提供秸秆利用新技术，而且提供秸秆利用的新模式，有利于新农村建设，提高农民的生活水平，同时有利于生物质发电的推广，为节能减排，减少温室效应作出贡献。

发明内容