秸秆气固燃料二元联产的可行性与经济性研究.doc
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1、秸秆气固燃料二元联产的可行性与经济性研究摘要:以玉米秸秆和水稻秸秆为研究对象,通过测定二者厌氧发酵后的沼气、沼渣产量及热值,探讨秸秆气固燃料二元联产的综合能源利用效率与经济效益。结果表明,由于发酵后秸秆沼渣中木质素含量增大,沼渣热值也有所增大;沼渣成型燃料密度、机械耐久性等特性均优于原秸秆;秸秆气固燃料二元联产综合能源利用效率较秸秆直接燃烧可提高40%50%(以发电量计);因免除收集、运输和粉碎等成本,秸秆沼渣生产成型燃料的综合成本较秸秆压块单独生产模式可节省46.4%。引言在众多秸秆处理方向中,能源化处理一直倍受关注,这主要源自于化石能源的不可再生和全球日益紧张的能源危机问题。利用厌氧发酵法
2、将秸秆转化成甲烷和直接将秸秆压缩成型作为固体燃料均是秸秆能源化的重要途径1,2。然而,因秸秆中半纤维、纤维素与木质素三者在植物细胞壁中以相互缠绕的聚集体形式存在,很难被微生物降解利用。因此,秸秆在进行沼气发酵后仍残留进料质量约50%的残渣(俗称秸秆沼渣),其成分以木质素和结晶纤维素为主。秸秆沼渣的处理及应用一直是影响秸秆沼气工程快速发展的重要问题之一。目前对秸秆沼渣的处理及利用方式多种多样,如与畜禽粪污混合堆肥、制作育苗基质和栽培食用菌等。然而,这些对秸秆沼渣的处理方式受地域、资源及生产需求的影响,处理能力十分有限,均难以满足大规模沼气工程秸秆沼渣的处理需要。生物质固体燃料是在一定物理条件下,
3、将农林废弃物压缩成型,制成热值高、燃烧充分的环保原料2。秸秆也可用于成型燃料的生产,但因收集、运输和粉碎等过程的复杂性和高成本,秸秆成型燃料的发展一直较为缓慢。近些年,有研究学者提出利用厌氧发酵方式改性秸秆,获得的秸秆沼渣成型特性更优。杨世关等3研究表明,玉米秸秆经厌氧发酵后木质素含量有所增大,这不仅使秸秆沼渣热值有所提高,同时也更利于压块成型。国外研究学者也提出4,沼渣燃料燃烧后,灰渣中含有大量的P、K、Ca等无机元素,可将其制作成高营养含量的颗粒肥料。此外,还有研究发现5,沼渣燃烧后,重金属元素主要分布在粗、气旋和过滤灰当中,从而可对重金属元素起到分离作用,特别是Cd.Pd.Zn和Hg等重
4、金属元素已被发现是高挥发性的,再冷凝后主要停留在过滤灰中。综上所述,因生物质成型过程中机械化程度较高,如将秸秆沼渣用于生产固体燃料,可实现秸秆气固燃料联产和秸秆沼渣高效处理的双重目的。然而,目前国内关于秸秆沼渣用于生产固体燃料的研究还较少。秸秆沼渣从产出后,需经过脱水、干燥及成型等多个环节,其可行性和经济性还缺乏论证。鉴于此,本研究选择玉米与水稻两类代表性秸秆为研究对象,通过沼气发酵、沼渣挤压脱水、沼渣成型、热值测定及能量转化效率等过程的研究分析,试探索秸秆气固燃料二元联产的关键问题及其可行性和经济性。旨在推动沼气发酵与生物质成型两类秸秆能源化方式的有机结合。1材料与方法1.1材料玉米秸秆与水
5、稻秸秆均收自华中农业大学校内试验田,秸秆经晾晒后,切碎至3cm以下。其中,玉米秸秆的茎部需纵向劈裂成48份。厌氧发酵接种物取自实验室厌氧发酵中式装置(有效容积400L;发酵底物为猪粪;运行温度(351);pH值7.580.15;悬浮物固体浓度浓度(47.51.71)g/L。1.2沼气产量测试沼气产量测试采用瑞典AMPTS-II全自动甲烷潜力测试系统,每个反应器容积为500mL。为了考察某种物料的最大产气潜力,一般采用湿法批式厌氧发酵方式进行测试,发酵周期为1530d。测试前,每个反应器中装入400mL接种物和10g秸秆,混合后反应器内物料的干物质浓度在7%8%之间,接种物与秸秆的比例约为2:1
6、(以干物质计)。发酵温度设定为(351)。1.3沼渣产量测算将秸秆发酵后的剩余物进行固液分离,然后再用清水将秸秆发酵残渣洗净(洗去秸秆表面附着的污泥)。洗净后的秸秆经风干和烘干后,测其干重。沼渣产率r()可由式计算得出:1.4秸秆能量利用效率计算秸秆经生物发酵制气和沼渣制备固体燃料后,其气固燃料联产的总热量得率Q(MJ/kg)可由式(2)式(4)计算得出:1.5分析方法干物质含量(DM)采用电热鼓风干燥箱、箱式电阻炉,并根据标准方法测定6;pH值采用实验室用数显酸度计PHS-3C测定;纤维素、半纤维素和木质素含量采用美国ANKOM200纤维素分析仪按照范氏法(Van Soest)测定切;生物质
7、固定碳、灰分和挥发分的含量根据GB/T2122008中缓慢灰化法进行测定7;沼渣热值分析采用HYHW-8A弹热式量热仪(河南,鹤壁)测定;生物质成型采用试验型成型机进行,条件为6MPa,100成型燃料的机械耐久性测试,包括抗铁碎性测试和抗渗水性测试,其测试方法参照文献8。2结果与分析2.1秸秆发酵特性本研究采用批示厌氧发酵方式分别对玉米秸秆和水稻秸秆的产气潜力进行测试,发酵试验共计进行30d,秸秆的沼气与沼渣产率以及主要组成成分的变化如表1所示。由表1可知,获得的玉米与水稻秸秆最大累计产气量分别为0.324m3/kg和0.350m3/kg,沼渣产率分别为53%和48%。发酵前后,玉米和水稻秸秆
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- 秸秆 燃料 二元 联产 可行性 经济 研究
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