農業固體廢棄物轉化為車用燃氣(B-CNG)技術研究

摘 要:本研究內容是利用各種農業固體廢棄物(如蔗渣、玉米秸稈、農產品加工垃圾等)，通過運用數控超音速蒸汽爆破預處理技術、數控高效兩相中溫厭氧發酵技術、數控全系統零排水技術、數控純物理分壓脫碳提純技術、數控液壓無桿式沼氣壓縮儲運系統等五大關鍵技術及設備集成創新，實現連續均衡生產生物質燃氣，其中主要成分甲烷含量≥95%，可供燃氣汽車作為燃料使用。

關鍵詞:農業固體廢棄物車用燃氣技術研究

中圖分類號:X7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(a)-0015-02

針對當前國際油價猛漲、我國油氣資源短缺的嚴峻局面，本項目利用各種業固體廢棄物(如木糖渣、蔗渣、玉米秸稈、玉米芯、農產品加工垃圾等)，通過運用數控超音速蒸汽爆破預處理技術、數控高效兩相中溫厭氧發酵技術、數控全系統零排水技術、數控純物理分壓脫碳提純技術、數控液壓無桿式沼氣壓縮儲運系統等五大關鍵技術及設備集成創新，實現連續均衡生產生物質車用燃氣(B-CNG)，其中主要成分甲烷含量≥95%，可替代汽油供汽車行駛。

1 國內外現有技術現狀

1.1 農業固體廢棄物預處理技術現狀

1928年美國學者W.H.Muson提出將農產品加工固體廢棄物通過汽爆分解為液態進入高效厭氧發酵。但至今在世界上僅出現了一些不符合爆物理概念的偽汽爆設備，并沒有真正實現W.H.Muson設想的汽爆設備。在物理界當爆發速度超音速時定義為爆，在商界把爆發速度大于音速幾百倍的噴放稱為汽爆。真正汽爆后會將爆前260℃左右的溫度在0.00875秒內降為室溫，完成膨脹做功，將農業固體廢棄物內纖維素、半纖維素、木質素分離，為厭氧發酵提供基本的介質條件。而有的熱噴放技術在物料噴放完畢后沒有實現溫度驟降，如同用高壓鍋蒸煮食品開鍋后其食品還是接近100℃一樣，僅僅是完成了煮熟過程。在國內以中科院過程所陳洪章發明的《雙路進氣快開門汽爆反應罐》為代表，它是一種由人工添料，斷續工作的熱噴罐，整個噴放過程依壓力高低、單罐容積大小而變化，大至在10s左右噴放完畢。而真正的汽爆設備其爆出時間與罐容積、工作壓力無關。通俗的講手榴彈的爆發時間與重磅炸彈的爆發時間是一致的，不應因爆體的大小而改變爆發時間。由于現有技術不能實現真正的汽爆，缺乏工程熱力學絕熱膨脹做功基礎條件，故無法將農業固體廢棄物液化，進入厭氧發酵。

另一種技術是加拿大Stake Tecnnology公司生產的連續式汽爆反應器，擁有多項專利。該技術將造紙行業連續蒸煮器與底部裝有閥門的噴放裝置組合在一起，其入料部分采用鉸龍式草塞密封原理，將物料從大氣壓連續壓進汽爆機。鉸龍驅動功率200kW。由于耗電巨大且入料鉸龍由于與物料高壓接觸磨損嚴重，一般連續生產一周便更換，每根鉸龍采用特種合金制造價格昂貴約3萬元/根。由于其物料的高壓釋放時間大于音速百倍，物料“爆”出后，不具備降溫特征，故同樣不是一種真正的汽爆設備。目前國內外均未有將農業固體廢棄物通過純物理汽爆使其水解的預處理設備。

1.2 農業固形廢棄物兩相法厭氧發酵技術

農業固形廢棄物兩相法厭氧發酵技術以首都師范大學的“固體廢棄物兩步(相)發酵法”為代表。其過程為先將固體物置于噴淋固體床內進行酸化，淋洗出的酸液進入甲烷化發酵器產生沼氣。利用甲烷化UASB的出水再循環噴淋固體床，固體床經一段產酸發酵后即自動轉入干發酵而產生沼氣。其最終產物為沼氣和固體有機肥，并且沒有多余的污水產生。但由于現有技術其入料與出料均為人工操作，沒有先進自動化設備保障，產氣率波動較大，不能實現大規模連續穩定自動高效生產。

1.3 沼氣除雜、提純和高值利用技術

農業固體廢棄物經厭氧發酵氣體處理沼氣產出后，目前應用技術均是將沼氣中的CO2去除而不是以低成本分離、低成本液化后加以利用。目前廣泛采用的是蒸汽再生的G-V法，空氣再生G-V法、氨水法等。它們都無一例外的以高耗能、耗材為代價將CO2從沼氣中分離出來，排向大氣污染環境，并增加溫室效應。

在高值利用方面是將分離CO2及H2S后的沼氣，將甲烷含量提高至95%以上，壓縮至25Mpa達到國家CNG標準進入車載能源。但目前用于CH4壓縮機造價高昂、耗電過大不能支持沼氣高值利用。例如國內有名廠家生產的壓縮機其造價均在百萬之巨并耗電300kW以上。

2 研究目標的主要技術難點分析

2.1 汽爆預處理設備的超音速爆速實現及產量放大

固體生物質廢棄物高速厭氧發酵的關鍵技術過程在于預處理。當前國內外在液體生物質原料的高速厭氧發酵方面均具備了比較成熟的技術基礎，但對于固體物料進行有效充分的預處理仍較為困難。在現有預處理手段中，化學法對環境產生嚴重污染，單純物理法耗能高、效果差，只有蒸汽爆破(Steam Explosion)技術被國際上公認為當前最佳的預處理手段。而汽爆預處理技術難度大，難以運用于大規模生產。由于汽爆過程是在短時間爆破釋放大量能量，在控制爆破能量、連續進出料方面對裝備提出十分苛刻的技術要求，實現難度大。目前，國內外均未研發出實現連續化汽爆的工業設備，使纖維類生化生產難以進入規模階段。連續汽爆設備是汽爆裝備最終的發展方向，也是當前國際上汽爆裝備的一個研究焦點。目前，加拿大、日本兩國僅研發出了連續擠壓設備來近似模擬連續汽爆設備，但生化物理指標差，對提高發酵效率收效不明顯。只有研制出真正的達到超音速爆速的連續汽爆設備，才能滿足日產百噸級以上的發酵預處理要求。

2.2 兩相厭氧發酵的全流程數學模型及相應數字化控制方案

在完成超音速汽爆預處理后，使固體生物質外觀漿化、微觀細胞組織爆碎的目標得以實現，為高效兩相厭氧發酵提供了前提。本項目通過前期大量的汽爆工藝試驗，對在汽爆處理工藝下的各類型生物質原料的酸化周期、酸化液COD與HRT之間相關關系、干物質降解率、酸化液中固型顆粒物大小等關鍵參數均進行了量化測定，使建立兩相厭氧發酵的全流程數學模型成為可能。為保證項目工程能夠全年連續化穩定運行，基本排除人為操作因素，結合各流體控制機構，建立一套基于數學模型的全數字化控制方案成為可能。其難點在于，一要保證大量全時在線測量數據與抽樣檢測數據的完整、準確、可靠，二要結合專家綜合模糊判斷系統與數學模型定量比例關系，三要對固體物料的進出實現連續化、定量化、可控化。

2.3 以純物理分壓方式實現高純脫碳，使甲烷含量≥95%

本項目研究目標是以純物理分壓方式實現高純脫碳，不單純去除二氧化碳，而是分離兩種氣體，實現經濟效益最大化。由于項目最終要使甲烷進入高壓(20MPa以上)儲運系統，使純物理分壓方式不需要額外升高氣體壓力，只需附加低溫制冷系統，利用高壓儲運過程順帶完成了兩種氣體的分離過程。這一過程類似于從空氣中分離氮氣與氧氣的過程，只是由于二氧化碳易液化，所需壓力及溫度實現成本都較低。該項技術在以往國內外沼氣提純、脫碳技術中均未見提出。其主要問題在于首先要避免混合氣體在壓縮過程過度升溫，其次要設計特殊結構的多層換熱設備，使分離過程的冷量得到充分回收循環。

2.4 以液壓無桿式壓縮機實現低發熱高效B-CNG壓縮儲運一體化方案

為了能夠使沼氣中分離得到的甲烷順利接入商業CNG體系，有針對性的設計適于沼氣混合氣體性質的壓縮機組，可以避免一般壓縮機溫升大、濾油難度大、與儲運單元及物理分壓單元難于配合等技術問題。這一課題目標的主要難點在于根據氣體溫升狀態精確控制氣體在不同壓力段的壓縮速度，使壓縮機組與其他功能單元配合緊密，不僅僅完成氣體壓縮這一單一功能，而是要一次性解決氣體分壓提純、CNG商業儲運系統的快速裝車、氣體存儲空間波動范圍大、B-CNG氣體存儲系統在銷售時能夠與運輸車輛間實現全裝全卸等技術要求，完全適應CNG商業儲運系統的商業化要求。

3 本項目研究的技術路線和創新點

3.1 主要技術路線

利用以往不易利用的各種農產品加工固體廢棄物，通過運用數控超音速蒸汽爆破預處理技術、數控高效兩相中溫厭氧發酵技術、數控全系統零排水技術、數控純物理分壓脫碳提純技術、數控液壓無桿式沼氣壓縮儲運系統等五大關鍵技術及設備集成創新，實現連續均衡生產生物質天然氣(B-CNG)，其中主要成分甲烷含量≥95%。

3.2 創新點

①實現汽爆設備的超音速爆速及連續化生產技術。

②兩相厭氧發酵系統中各物流數控自動化進出技術。

③以純物理分壓方式實現甲烷與二氧化碳高純分離技術。

④無桿式壓縮機完成氣體壓縮儲存一體化系統。

3.3 與同類工程技術的分析比較

(1)與農產品加工廢水厭氧發酵技術相比，本項目實現了對固體廢棄物的高效處理，極大擴展了農產品加工廢棄物的處理范圍，使占絕大多數比例的固體農產品加工廢棄物得到轉化及高值利用;

(2)與常規秸稈類發酵技術相比，由于汽爆預處理技術的運用，為兩相法發酵奠定了高效的基礎，實現了發酵效率數量級的突破，同時固體物料進出實現連續化、自動化;

(3)與農產品加工廢棄物常溫發酵技術相比，采用先進的發酵罐區一體化保溫設計，大大降低了漏熱面積，以較低的能耗實現了中溫恒溫厭氧發酵全年連續生產，使發酵效率高而穩定，使沼氣生產成為一種全年穩定連續化的工業生產過程;

(4)與一般沼氣提純技術相比，對于沼氣脫碳采取了分離的思路，在不增加運行成本的前提下增加了二氧化碳副產品的經濟收入，使沼氣的綜合效益提高40%。此外，兩相發酵還使產生的固體渣成分單一，可以用于更廣泛的工業用途，并進一步提高了項目的整體盈利水平;

目前，我國對可再生能源發展非常重視，以風能、太陽能、水能為代表的可再生能源在我國發電能源領域得到快速發展。但在移動能源領域，以纖維素乙醇、生物柴油技術為代表的生物質能源一直因成本門檻而止步不前。該項目技術研究一旦研發成熟并得以推廣，將解決我國機動車保有量持續增長與城市尾氣污染日益嚴重的尖銳矛盾，使可再生能源更快進入移動能源領域。

參考文獻

[1]張全國.ISBN7-5025-6936-7，沼氣技術及其應用.