[发明专利]一种木质纤维素物料高效产甲烷装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种木质纤维素物料高效产甲烷装置及方法。

背景技术

我国木质纤维素资源极其丰富，但目前还远未达到高效利用的水平，如秸秆焚烧和粪污排放带来的一系列环境污染问题仍广泛存在。在我国雾霾天气日益严重和天然气供需缺口不断扩大的情况下，开发生物天然气(甲烷含量＞95％的沼气)对于缓解清洁能源短缺、减排除霾和实现经济转型发展意义重大。资源量丰富的天然木质纤维素是生产生物天然气的重要原料，但与国外专用生产清洁能源的木质纤维素原料相比，我国农作物秸秆、林业废弃物等原料具有干物质含量高(＞70％)、木质纤维素含量高(＞75％)等特性，在实际产甲烷工程中现有的装置均不同程度存在物料转化利用效率低(＜30％)和容积产甲烷效率低(＜1.0m³/m³/d)的问题，而且大量沼液的排放会带来二次污染，针对我国木质纤维素原料目前还缺乏一种容积产甲烷效率高、沼液量排放少、能耗和成本低、便于操作的高效产甲烷装置。

木质纤维素物料厌氧产甲烷是一个由多种代谢功能不同的微生物群协同作用的生化过程，包括水解阶段、产酸阶段、乙酸化阶段和产甲烷阶段，这四个阶段是一个相对独立又紧密联系的有机整体，其中水解、酸化阶段是木质纤维素物料产甲烷的限速步骤。目前已经报道或申请专利的木质纤维素原料产甲烷装置主要包括批次反应器、单相连续反应器、两相或多相连续反应器，但各自均有较明显的缺点，限制了该工艺的产业化、规模化、高效化推广应用。

(1)批次反应器。优点：操作简单，启动速度快，成本低，处理物料的含固率最高可达50％，运行模式为“好氧预处理—厌氧发酵产甲烷—好氧堆肥”；缺点：全进全出的间歇式进出料工艺难以实现连续性进出料，不便于自动化操作和控制，产气量和甲烷含量波动较大，效能低，能量损失严重。例如我国研制的“覆膜槽生物反应器”和德国的车库式干发酵反应器。

(2)单相连续反应器。优点：能实现物料的连续进出料，便于自动化操作和控制；在搅拌的作用下，能实现物料与活性污泥的充分混合，沼气产量和甲烷含量较稳定。缺点：有机负荷承载能力小，容积甲烷产率低；适宜低含固率(TS＜10％)物料，沼液排放量大，二次污染严重；如用秸秆作为主要发酵原料，易在反应器上部形成结渣层，进而影响发酵效率和沼气的正常输出。目前我国大部分大型养殖场采用这种工艺处理禽畜粪便。

(3)两相或多相连续反应器。优点：根据有机物厌氧发酵过程的产甲烷原理，将水解、酸化、乙酸化和甲烷化等多个生化反应独立分别在不同操作单元进行，并可根据每个阶段生化反应特点分别进行发酵条件优化，适宜处理物料含固率较高(TS＞20％)、水解速度较快的餐厨垃圾和禽畜粪便，产气效率高，反应过程易调控。缺点：占地面积大，能耗高，装置结构复杂且制造成本高，操作复杂。例如上流式厌氧固态反应器(upflow anaerobic solid-state reactor，UASS)和厌氧渗滤床反应器。

总体而言，针对农作物秸秆、禽畜粪便等木质纤维素含量较高的物料，低含固率(low total solid content，TS＜10％)物料发酵工艺存在结渣严重、有机负荷和容积产气率低、沼液排放量大以及能耗高等一系列缺点，而高含固率(high total solid content，TS≥10％)物料发酵工艺不仅能解决上述问题，而且发酵出料经简单处理后可作为堆肥原料或直接作为优质肥料使用，基本上能达到“零排放”效果。近年来，现有针对高含固率木质纤维素物料的发酵装置，无法实现机械搅拌和连续进出料，存在启动速度慢、固体滞留时间长、发酵性能不稳定、自动化操作性能低等一系列问题，不适宜产业化、规模化的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种木质纤维素物料高效产甲烷装置及方法，所述装置具有占地面积小、进出料自动化操作性能高、容积产甲烷效率高、启动速度快、产气性能稳定等优点。

本发明所提供的木质纤维素物料高效产甲烷装置，包括发酵罐、连续进出料系统、搅拌系统、温度控制系统、沼气输出和监测系统；所述产甲烷装置还包括微好氧供给与监测系统以及物料分区动态监测系统；

所述微好氧供给与监测系统包括氧气输送管和氧浓度在线监测仪；

所述氧气输送管从所述发酵罐的顶部延伸至其内部，其游离端上设有若干通孔，且为水平设置；

所述氧浓度在线监测仪包括探杆和设于其两端的显示器和探头，所述探杆从所述发酵罐的顶部延伸至其内部，所述探头和所述显示器分别设于所述发酵罐的内部和外部；