干濕耦合厭氧發(fā)酵制氣技術(shù)在中國生物質(zhì)沼氣產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

中圖分類號：TQ920.6 文獻標(biāo)志碼：A

0引言

中國生物質(zhì)廢棄物資源豐富且分布廣泛，每年產(chǎn)生總量約為45.3億t，其中：農(nóng)作物秸稈約為7.9億t，畜禽養(yǎng)殖糞污約為30.5億t，林業(yè)剩余物約為3.4億t，生活垃圾約為3.0億t，其他有機廢棄物約為0.5億t。廢棄物總沼氣生產(chǎn)潛力可達到5000億 ，碳減排潛力可達9.6億t[1-3]。大量的有機廢棄物若不進行有效處理，會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

沼氣技術(shù)作為典型的分布式能源生產(chǎn)技術(shù)4，是處理有機廢棄物的重要方式。目前，在中國普遍應(yīng)用的沼氣技術(shù)包括濕式發(fā)酵技術(shù)和干式發(fā)酵技術(shù)。濕式發(fā)酵技術(shù)主要包括完全混合式厭氧反應(yīng)器（CSTR）、高濃度推流式反應(yīng)器（HCPF）、升流式固體反應(yīng)器（USR）、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC）和顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器（EGSB）等；干式發(fā)酵技術(shù)具有代表性的工藝主要包括德國的Bekon、Bioferm和GICON工藝，法國的SPI車庫式和Valorga工藝，比利時的Dranco工藝，瑞典的Kompogas工藝，以及芬蘭的BioGTS工藝等[57]。其中，車庫式干發(fā)酵技術(shù)憑借其原料適應(yīng)性強、可模塊化擴展、出倉沼渣無需固液分離且可實現(xiàn)沼液零排放等特點[8]，成為各類有機固體廢棄物能源化、資源化利用的重點研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化突破方向[-1]。

于2020年5月投資建設(shè)了河北華電豐寧生物質(zhì)沼氣綜合利用項目（下文簡稱為“華電豐寧項目”），并于2021年10月建成投產(chǎn)運營。該項目是車庫式干發(fā)酵及CSTR濕發(fā)酵耦合厭氧制氣技術(shù)（下文簡稱為“干濕耦合厭氧發(fā)酵制氣技術(shù)”）在中國的首次產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，也是在生物質(zhì)沼氣領(lǐng)域的首例應(yīng)用。基于此，本文對該項自的核心工藝及主要建設(shè)情況進行闡述，并分析干濕耦合厭氧發(fā)酵制氣技術(shù)在中國生物質(zhì)沼氣產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用情況。

1項目簡介

1.1基本情況

華電豐寧項目位于河北省承德市豐寧縣，其建設(shè)規(guī)模如下：發(fā)電裝機容量為 1.2MW ，建設(shè)總投資為7000萬元，總占地面積為 （其中：總建筑面積為 ，廠區(qū)道路及硬化面積為 ，綠化面積為 。項目設(shè)計年處理農(nóng)作物秸稈為 2920t ，年產(chǎn)沼氣量為438萬 ，年發(fā)電量為900萬 kWh ，年產(chǎn)固態(tài)生物有機肥為1.4萬t。

1.2核心工藝

華電豐寧項目干濕耦合厭氧發(fā)酵制氣的核心工藝分為4個處理工段，具體為：原料預(yù)處理工段、干濕耦合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼工段、沼渣制肥工段、沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工段。該項目鳥瞰圖如圖1所示。

華電豐寧項目的主要生產(chǎn)原料是畜禽糞污（主要為牛糞）和農(nóng)作物秸稈（主要為玉米秸稈）。原料經(jīng)過預(yù)處理后，分別進入車庫式發(fā)酵倉及CSTR厭氧發(fā)酵罐，CSTR厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼液作為噴淋液，用于干式發(fā)酵調(diào)配；整個項目厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)凈化增壓后實現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)；干式發(fā)酵及濕式發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣進入好氧制肥系統(tǒng)生產(chǎn)生物有機肥料，通過干式、濕式發(fā)酵調(diào)配，最終實現(xiàn)沼液零排放。

1.2.1原料預(yù)處理工段

原料預(yù)處理工段分為干式發(fā)酵原料預(yù)處理及濕式發(fā)酵原料預(yù)處理。

干式發(fā)酵原料預(yù)處理重點在于牛糞、秸稈及沼液三者的調(diào)配混合。利用混料機，按照3：1：1的質(zhì)量比進行調(diào)配，最終實現(xiàn)混合物料的干物質(zhì)濃度大于等于 30% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可利用鏟車運送該混合物料至車庫式發(fā)酵倉。

濕式發(fā)酵主要通過除砂及增溫調(diào)質(zhì)對含水率較高的流動性糞污進行預(yù)處理。采用外部平流除砂裝置減少原料的含砂量，隨后利用發(fā)電余熱對原料進行增溫，并通過攪拌器混合均勻，最后利用螺桿泵將混合原料泵送至CSTR厭氧發(fā)酵罐。

1.2.2干濕耦合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼工段

干濕耦合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼工段的工藝主要是針對可以處理堆積態(tài)有機固體廢棄物的干式發(fā)酵系統(tǒng)和可以處理流動態(tài)糞污的濕式發(fā)酵系統(tǒng)，并在二者間實現(xiàn)沼液內(nèi)部循環(huán)利用、沼渣協(xié)同處理，其具體工藝流程如圖2所示。

干式發(fā)酵系統(tǒng)由6座單倉容積為 的車庫式發(fā)酵倉組成，發(fā)酵倉采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同時設(shè)置沼氣收集、倉頂噴淋、倉底回流、空氣注入脫硫、廢氣排放及密封門系統(tǒng)等裝置。密封門系統(tǒng)采用規(guī)格為 4m×4m×0.150m 型法國SPI進口裝置，可保障倉內(nèi)的厭氧環(huán)境。利用鏟車將經(jīng)過預(yù)處理的干式發(fā)酵原料送入發(fā)酵倉中，將物料堆存至 3.5m 的高度，隨后安裝擋板并關(guān)閉密封門，經(jīng)過30天倉內(nèi)生物降解后，開啟密封門，最后用鏟車將沼渣鏟運至翻拋車間。

濕式發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)置了兩座CSTR厭氧發(fā)酵罐，單罐容積為 。由螺桿泵將預(yù)處理后的濕式發(fā)酵原料送入CSTR厭氧發(fā)酵罐，然后利用出料泵將厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣、沼液輸送到出料池，其中：一部分沼渣、沼液會回流給干式發(fā)酵系統(tǒng)用于物料調(diào)配；另一部分經(jīng)過固液分離，分離后的沼渣用于生產(chǎn)固態(tài)生物有機肥，沼液則回流至沉砂池用于調(diào)配進料濃度，同時也作為干式發(fā)酵系統(tǒng)頂部噴淋液的定期補充。

1.2.3沼渣制肥工段

在沼渣制肥工段，由于干式發(fā)酵工藝的出倉沼渣和濕式發(fā)酵工藝固液分離后的沼渣的含水率均約為 75% ，需采用混合有機質(zhì)含量較高且含水率約為 20% 的糠醛渣作為輔料，將混合物料的含水率降至 65% 左右后建堆；然后利用鏈板式翻拋機及好氧發(fā)酵槽底部的曝氣管道實現(xiàn)物料的好氧發(fā)酵，好氧發(fā)酵周期為3～4周；好氧發(fā)酵后的原料再經(jīng)過30天左右的陳化腐熟；最后經(jīng)過破碎、篩分、混配、制粒、包裝等流程，生產(chǎn)出生物有機肥產(chǎn)品。

1.2.4沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工段

在沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工段，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣經(jīng)過緩存、凈化、增壓后進入兩臺發(fā)電裝機功率為 600kW 的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行發(fā)電。發(fā)電過程產(chǎn)生的余熱用于給干式發(fā)酵及濕式發(fā)酵工藝過程中的物料增溫，從而實現(xiàn) 中溫厭氧發(fā)酵；產(chǎn)生的電能除滿足項目自身用電外，其余全部并入國家電網(wǎng)。

1.2.5工藝物料平衡

華電豐寧項目的主要生產(chǎn)原料為玉米秸稈及牛糞，干濕耦合厭氧發(fā)酵制氣中主要工藝的物料平衡情況如圖3所示。圖中：TS為總固體含量；其他數(shù)值均為每天進入本項目及項目生產(chǎn)過程中的物料質(zhì)量。

從圖3可以看出：厭氧系統(tǒng)中，玉米秸稈的處理量為 天、牛糞的處理量為 天，一部分玉米秸稈與牛糞混合后進入干式發(fā)酵系統(tǒng)，另一部分牛糞經(jīng)過沼液調(diào)配后進入濕式發(fā)酵系統(tǒng)。濕式發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生的沼液全部在干濕耦合厭氧發(fā)酵制氣系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)利用，從而實現(xiàn)了工藝沼液零排放的目標(biāo)。

2項目建設(shè)情況

從功能分區(qū)的角度來看，華電豐寧項目整體可分為車庫式干發(fā)酵單元、CSTR濕發(fā)酵單元、有機肥生產(chǎn)單元、沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)單元，下文分別對這4個單元進行介紹。

2.1車庫式干發(fā)酵單元

車庫式干發(fā)酵單元是華電豐寧項目新工藝、新技術(shù)的主要產(chǎn)業(yè)化實施部分，共設(shè)置6座車庫式發(fā)酵倉，單座尺寸（長 × 寬 × 高）為 6.5m×5.3m ，整體配套1座直徑 ？15.0m×6.9m 的滲濾液回流池。每座車庫式發(fā)酵倉的設(shè)計混合物料進倉的干物質(zhì)濃度大于等于 30% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用 中溫厭氧發(fā)酵，物料滯留期為4～5 周；設(shè)計日總產(chǎn)氣量大于等于 ；實測發(fā)酵倉出口硫化氫濃度小于等于 100ppm ，沼氣中甲烷含量為 50%～60% 。車庫式干發(fā)酵單元的實景圖如圖4所示。

2.2CSTR濕發(fā)酵單元

CSTR濕發(fā)酵單元采用傳統(tǒng)的畜禽糞污厭氧發(fā)酵工藝，共設(shè)置兩座CSTR厭氧發(fā)酵罐，單座的尺寸為 ？22.15m×8.40m ，整體配套1座 的沼液存儲罐。每座厭氧發(fā)酵罐的設(shè)計進料干物質(zhì)濃度大于等于 10% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用 中溫厭氧發(fā)酵。CSTR濕發(fā)酵單元的實景圖如圖5所示。

2.3有機肥生產(chǎn)單元

有機肥生產(chǎn)單元主要包括1座尺寸（長 × 寬 × 高）為 90m×24m×7m 的有機肥好氧發(fā)酵車間和1座尺寸（長 × 寬 × 高）為 75m×27m×7m 的陳化及制肥車間；配置了1套處理能力為 的鏈板翻拋機和生產(chǎn)能力為 5t/h 的有機肥生產(chǎn)線（生產(chǎn)線設(shè)備包括喂料器、輸送機、粉碎機、篩分機、混合機、制粒機、自動打包秤等），并配套了處理能力為5萬 的生物洗滌過濾除臭系統(tǒng)。有機肥生產(chǎn)單元的實景圖如圖6所示。

2.4沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)單元

華電豐寧項目的設(shè)計沼氣日產(chǎn)量為12000 ，全部用于發(fā)電；配置了兩臺Powerlink-600kW 的沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)機組，單位沼氣發(fā)電量可達 2.342kWh/m3"，年總發(fā)電量可達到1025.79萬kWh，年發(fā)電利用小時數(shù)達 8000h 以上。沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)單元的實景圖如圖7所示。

3項目實施的重要意義

3.1助力鄉(xiāng)村振興與人居環(huán)境整治

中國城鎮(zhèn)和農(nóng)村的能源系統(tǒng)存在投入和統(tǒng)籌規(guī)劃滯后、能源基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、用能方式粗放的問題。華電豐寧項目通過開發(fā)生物質(zhì)資源生產(chǎn)生物燃?xì)饧坝袡C肥料，可以從根本上改變項目所在地傳統(tǒng)的農(nóng)作物秸稈和糞便的利用方式，提高農(nóng)村環(huán)境的衛(wèi)生水平；生物燃?xì)獾母碑a(chǎn)品沼肥，可有效改善土壤理化性質(zhì)[12-13]，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量；同時，項目對技術(shù)人員的需求可增加農(nóng)村就業(yè)機會，促進當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，助力鄉(xiāng)村振興。

3.2推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色生態(tài)循環(huán)

華電豐寧項目通過對農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)有機廢棄物的有組織收集，到廢棄物的厭氧產(chǎn)沼、好氧制肥協(xié)同處理，最終通過生物質(zhì)沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)利用及有機肥料土壤改良[14，有力促進了項目所在地設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，保障了農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色生態(tài)循環(huán)完整產(chǎn)業(yè)鏈。

3.3實現(xiàn)溫室氣體減排提升經(jīng)濟效益

華電豐寧項目具有雙重減排潛力，可通過甲烷回收和綠色電力輸出實現(xiàn)溫室氣體減排。項目利用厭氧技術(shù)，年可處理養(yǎng)殖廢棄物及秸稈約為5萬t，同時有效減排了大量甲烷和氧化亞氮，并生產(chǎn)了可用于土壤固碳的有機肥料；再通過輸出綠色電力及施用生物有機肥，生成多重的溫室氣體減排效益。

華電豐寧項目采用聯(lián)合國清潔發(fā)展機制中的動物糞便管理系統(tǒng)甲烷回收（AMS-III.D-V14）和可再生電力生產(chǎn)電網(wǎng)接入（AMS-I.D-V13）方法學(xué)進行初步測算[14-15]，基準(zhǔn)線設(shè)定為：開放式厭氧塘，新建 10kV 架空線路就近T接至 35kV 九龍變電站，發(fā)電并入華北電網(wǎng)；項目年可處理養(yǎng)殖廢棄物為4.75萬t、裝機容量為 1.2：MW 。測算結(jié)果顯示：華電豐寧項目可實現(xiàn)年減排二氧化碳約3萬t，減排的溫室氣體進入碳市場交易也可有效提升項目經(jīng)濟效益。

4結(jié)論及建議

本文闡述了干濕耦合厭氧發(fā)酵制氣技術(shù)在河北華電豐寧生物質(zhì)沼氣綜合利用項目中的應(yīng)用，對其核心工藝及主要建設(shè)情況進行了介紹，同時分析了該項目的物料平衡及實施的重要意義，主要得出以下結(jié)論及建議：

1）該項目結(jié)合了車庫式干發(fā)酵及CSTR濕發(fā)酵技術(shù)，可以有效處理堆積態(tài)的農(nóng)業(yè)廢棄物和流動態(tài)的養(yǎng)殖糞污類農(nóng)業(yè)廢棄物，對不同狀態(tài)的厭氧發(fā)酵原料有較強的接納性。

2）該項目作為中國首例干濕耦合厭氧發(fā)酵制氣技術(shù)在生物質(zhì)沼氣領(lǐng)域的應(yīng)用，可以助力鄉(xiāng)村振興與人居環(huán)境整治、推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色生態(tài)循環(huán)，在資源化處理農(nóng)業(yè)廢棄物的同時實現(xiàn)年減排二氧化碳約3萬t。

3）干濕耦合厭氧發(fā)酵制氣技術(shù)對農(nóng)業(yè)廢棄物原料有較好的適應(yīng)性，通過厭氧發(fā)酵沼液內(nèi)循環(huán)的方式使整個系統(tǒng)實現(xiàn)了沼液零排放，可為中國生物質(zhì)沼氣產(chǎn)業(yè)提供1種創(chuàng)新性農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處理模式。

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APPLICATIONOFDRY-WETCOUPLEDANAEROBIC FERMENTATIONDIGESTIONTECHNOLOGYIN CHINA'SBIOMASSBIOGASINDUSTRY

Zhang Zhongliang'，LiJian1，Ma Zonghu’，Chen Guanying'，Liu Fan2 （1.China Huadian Engineering Co.，Ltd.，Beijing 1oo16o，China； 2.National EnergyRamp;DCenter forProductionandUtilizationof Biomass Gas，Beijing10o16o，China）

Abstract：This paper takes the Hebei Huadian Fengning biomass biogas comprehensive utilization project as an example to elaborates on the application of dry-wet coupled anaerobic fermentation digestion technology， introduces the core process and main construction situation of the project，and analyzes the material balance and implementation significance of the project. The installed power generation capacity of this project is 1.2：MW ， using two biogas CHP units with an installed power of 600kW. It is designed to process 47500 t of livestock waste and 2920 t of crop straw annually，with an annual biogas production of ，an annual power generation capacity of ， and an annual production of 140oo t of solid bio organic fertilizer.By combining garage style dry fermentation and CSTR wet fermentation technology， it can efectively treat accumulated agricultural waste and dynamic livestock manure agricultural waste，and has strong acceptance for different states of anaerobic fermentation materials.As the frst application of dry-wet coupled anaerobic fermentation digestion technology in the feld of biomass biogas in China，this project can helprural revitalization and improve the living environment，promote green ecological cycles in agriculture and rural areas，and achieve an annual reduction of about 30000t of emissions while resourceful treating agricultural waste. This project has good adaptabilityto agricultural waste raw materials in diferent states，and achieves zero discharge of system biogas slurry through anaerobic fermentation and internal circulation of biogas slurry. It can provide an innovative agricultural waste resource treatment mode for China's biomass biogas industry.

Keywords： dry-wet fermentation coupling； biogas；anaerobic fermentation；industrial application