秸稈的不同預處理方法生物制氫的能值比較

陳鳴岐,馬 濤

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院城市水資源與水環境國家重點實驗室,哈爾濱 150090;2.哈爾濱工業大學經濟與管理學院,哈爾濱 150090)

生物制氫中的發酵產氫與光合產氫相比,更具發展潛力.從產氫的原料來看,除了葡萄糖、淀粉外,纖維素類物質也可以作為生物產氫的原料.木質纖維素是一個巨大的可通過微生物發酵作用將其轉化為能源的可再生糖類資源,對其進行預處理是成本最高的步驟[1].因此,本研究采用能值分析方法,以稻草和麥桿作為秸稈的代表物,對物理、化學以及物理化學預處理法進行了能值分析與比較.

1 預處理方法的分類

機械粉碎法:機械粉碎通過剪切或研磨減小原料顆粒尺寸,提高反應面積,同時在一定程度上破壞植物纖維的高級結構,將結晶態纖維素轉化成無定形態,使整個大分子結構松散,易于反應[2].

酸處理法:酸處理多采用稀硫酸(0.5%～1.0%),在 130～200℃與原料反應數分鐘,處理后,半纖維素幾乎全部水解為單糖(主要為木糖).

氨纖維爆破法:氨纖維爆破法是將木質纖維原料在高溫和高壓下用液氨處理,然后突然減壓使原料爆破.

2 能值理論與基本評價指標

能值(Emergy).能值是指流動或貯存的能量中所包含的另一類別能量的數量.多以太陽能值(Solar Emergy)來衡量某一能量的能值大小,其單位為太陽能焦耳(Solar emjoules),即 sej[3].

能值分析 (Emergy Analysis).能值分析以同一客觀標準—太陽能值衡量不同類別不同能質的能量的真實價值和數量關系.假設某個工藝流程需要進行 n個階段,由于能值分析具有溯源性,如圖1所示,從最左邊輸入的可再生、不可再生資源開始,到后來經濟社會的參與,貨幣、其他商品和服務等被投入到生產系統中去,最后形成最終產品.

能值轉換率 (Emergy Transformity).即形成每單位物質或能量所含有的另一種能量之量.用公式可以表達為:

A種能量(或物質)的太陽能值轉換率 =應用的太陽能焦耳/1J(或 1g)A種能量(或物質)

b)能值基本評價指標

能值置換比(Tr).產品或者服務的量與產品或者服務能值的比值.在產品或者服務形成過程中需要轉換的能量越多,其能值置換比也就越大.

能值產出率(EYR).系統總產出能值 Y與社會經濟投入能值 F的比值.較小的 EYR值說明工藝的競爭力不強,規模生產的回報效益較低[4].

環境負荷率(ELR).系統不可更新能源投入能值總量(F+N)與可更新能源投入能值總量 R之比,該指標可以指示出生物制氫系統的生產活動對當地生態系統產生的壓力.

能值可持續發展指數(EIS).EYR與 ELR的比值稱為能值可持續發展指數.在將生態和經濟指標都考慮在內的情況下,較高的 EIS數值代表了高水平的工藝可持續發展能力.

圖1 工藝系統能值分析圖

3 三種纖維素預處理工藝的能值分析與比較

能值分析的關鍵是確定系統范圍的邊界,根據N,R,F的定義,本文嚴格限定了工藝系統的范圍,原材料和能量的輸入以及預處理產物的輸出,包括能值分析的計算結果列于表1～3中.

在圖表中,每一項消耗量都是從研究文獻的數據中得到的確實數值,能值轉化率是直接或者間接從相關參考文獻中查得,圖表中數據的計算結果都是以理想狀態下預處理水平為基準的.

表1 機械粉碎法的能值分析

表2 酸處理法的能值分析

表3 氨纖維爆破法的能值分析

4 結果與討論

能值分析的相關指標涉及到社會效益,環境影響和可持續性,結果見表4.可見氨纖維爆破法能值置換比最低,酸處理法的數值高于其他數值,這說明為了達到相同的預處理目標,酸處理法需要的能值最多.

表4 不同秸稈預處理方法生物制氫能值指標比較

氨纖維爆破法的能值產出率最高,機械粉碎法最低.對比表中化學藥品的消耗,可以看到稀酸由于價格低廉,而且可以得到 90%的木糖,所以很多研究還是使用稀酸,但是設備材料、高壓并且水解液需要進行酸的中和,提高了能值投入.

[1] 朱核光,史家樑.生物產氫技術研究進展[J].應用與環境生物學報,2002,8(1):98-104

[2] NOIKE T,TAKABATAKEH,MIZUNO O,et al.Inhibition of hydrogen fermentation of organic wastes by lactic acid bacteria.Hydrogen Energy,2002,27(11):1367-1371.

[3] GLAZER A,NIKAIDO H.Microbial biotechnology-fundamentalsof appliedm icrobiology[M].New York:New York and Basingstoke copyright,2002:12-19.

[4] 韓 博,李永峰,焦安英,等.Ethanoligenens harbinense R 3的培養特性與產氫機理[J].哈爾濱商業大學學報:自然科學版,2009,25(6):681-684.