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不同沼氣預處理沼氣發酵原料和設備選擇

2018-03-01

由于發酵產物沼氣、沼液和沼渣等能在農業生態農業工程的建設中發揮作用,所以近年來以沼氣為紐帶的各種農業生態工程技術模式得到快速發展,尤其在減少畜禽養殖業污染物排放等方面產生了良好的效果。為了追求沼氣池更好的產氣,沼氣工程的每個步驟都需要重視,其中原料預處理是保障厭氧發酵系統穩定運行、提高產氣率和工程效益的重要環節,由于沼氣工程中各種原料的收集渠道和理化性狀不一,各種消化工藝對原料的處理要求和輸送方式不一,使得原料預處理環節不僅復雜而且難度大。因此,針對沼氣工程不同發酵原料采用不同預處理技術與設備就十分必要了。下面介紹幾個歐洲典型沼氣工程原料預處理工藝技術和裝備技術,以供大家借鑒參考。


預處理技術

歐洲沼氣工程技術多以高濃度有機廢棄物聯合消化工藝(CSTR)為主,該工藝是先對各類畜禽糞便及其他高產氣量的有機廢棄物進行預處理,調整進料濃度在8%~13%范圍內,再進入帶有機械攪拌的CSTR反應器。沼氣進入熱電聯產系統后,產生的電能并網外賣,熱能用于加熱原料。

在歐洲,大約有94%的農業廢棄物沼氣工程采用混合原料發酵,基于原料來源(秸稈、畜禽糞便和有機垃圾)的不同,原料預處理技術可以分為以下幾種類型。

1、以秸稈為主的原料預處理技術

以秸稈為主的原料預處理技術主要包括物理法(機械粉碎、高溫熱解)、化學法(酸法預處理、堿法預處理、臭氧處理法)以及物理化學法(結合物理法和化學法)。

以德國Nawaro沼氣工廠為例,Nawaro沼氣工廠采用物理法預處理原料,每年原料需求量總計達45萬噸,其中:青貯玉米秸稈38萬噸,其他整稈植物6萬噸,青草0.8萬噸,谷類0.2萬噸。該沼氣工廠每小時可生產出10000m3沼氣,并經過提純后向天然氣管網輸送,相當于每小時可產生22MW的電能。


以秸稈為主的原料預處理工藝圖

以上所示流程適合規模較大的沼氣工廠,秸稈原料和其他配料經過調漿池調節濃度和加熱料溫,再向各個發酵罐輸送。為了防止零星的長草引起堵塞,可加一道切割裝置。對于規模小一點的沼氣工程,可把調漿池直接用作發酵罐,借助攪拌裝置,碎秸稈直接在這個罐中與其他物料混合完成產氣過程。

其中,從貯料箱到調漿池之間的碎秸稈的輸送裝置主要有刮板輸送鏈、螺旋輸送器(有軸和無軸二種)和皮帶輸送機等幾種形式,這一過程中的技術關鍵是確保貯料箱的原料要自動定量、穩定順暢地輸送出去,不能產生結垢、堵塞等現象。


2、以畜禽糞便為主的原料預處理技術

規模化禽養殖業發展迅速,伴隨而來的是大量的動物糞便(主要是雞糞、豬糞和牛糞)和相關的廢棄物,沼氣工程作為一項多項技術優化組合實用工程系統,目標是追求較高的能源、經濟和環境效益。

以丹麥Blaabjerg沼氣工廠為例,Blaabjerg沼氣工廠每年處理原料110萬噸,其中:80%是牛糞,20%是其他的廢料,有20萬噸的液態原料用管道輸送到工廠,另外90萬噸固態原料通過專用車運送。該沼氣工廠每天可以生產出8500m3的沼氣。

以畜禽糞便為主的原料預處理工藝圖

在Blaabjerg沼氣工廠中,首先是將糞便和其他廢料在勻漿池中攪拌、勻漿。為了防止原料結塊以及纖維狀物質給泵、閥、外部設備和中心控制以及其他下游設備帶來問題,采用切碎機對勻漿后的原料進行切割破碎。有的工程中在勻漿池和調漿池后分別配備一臺粗切碎機和細切碎機。第一道切碎機控制原料粒度在40mm左右,第二道在10mm左右。混合原料在調漿池中經過調節濃度和加熱料溫后,即可送入發酵罐。

3、以有機垃圾為主的原料預處理技術

以有機垃圾為主的原料預處理技術針對生活垃圾中餐廚和果蔬類生物質垃圾非均質、半流態等特點,集除雜、破碎、均質、漿化于一體的成套預處理技術。

以有機垃圾為主的原料預處理技術可以將有機垃圾及無機垃圾進行有效分離,分離后的有機質漿液存儲在儲罐中,可進一步采用厭氧發酵技術處理;分選后的無機物如塑料、紙屑及金屬等可回收利用或送到填埋場填埋。通過對垃圾進行分類和對無機質回收利用,改善物料的輸送及混合特性,保障處理系統的連續穩定運行。結合有機質厭氧發酵產沼氣等技術,將垃圾“各個擊破”,充分體現在低碳經濟、循環經濟發展模式下的理念創新。

以德國Leonberg有機垃圾處理廠為例,Leonberg有機垃圾處理廠采用Dranco工藝,可把原始的生活垃圾殘渣收集并運送到厭氧消化處理廠,該項目使用了1臺排量達150m的液壓固體輸送泵。



以生活垃圾為主的原料預處理工藝圖

由于垃圾中含有大量的非有機成分,垃圾需要經過破碎、轉鼓篩分和磁力分選等預處理工序。經過預處理后的有機垃圾與蒸汽及消化后物料經混合后采用液壓驅動固體泵通過密封的管道從上方輸送到消化罐內,物料的TS濃度超過20%。這種消化罐的底部呈錐形,便于消化物料的流出。

預處理設備

1、收獲技術設備

目前,歐洲大型沼氣工程原料的收獲主要使用的是聯合收割機。它能夠實現作物收割、脫粒,完成籽粒與穎糠、碎屑、莖稈和其他雜物分離,還能進行作物籽粒清選、干燥和包裝加工。按照行走系統劃分,聯合收割機分為輪式和履帶式二種;根據方向操縱系統劃分,分為方向盤式和操縱桿式二種。

2、切碎技術設備

在沼氣工程中,原料來源廣泛,主要是能源作物秸稈、青草、谷類、動物的糞便、垃圾等,它們中混有各種粒度較大的雜物,如雞糞中的雞毛、牛糞中的長草和沙礫等。因此,要采用切碎機對其進行切割、破碎,以保證下游泵和其它機械設備的運行安全,提高使用壽命。

切碎機通常設置在混料勻漿池和調漿暫貯池(發酵罐)間的輸送環節,通過管道安裝在輸送泵前,依靠泵的抽吸作用使漿料通過切碎機。為了防止比重大的物料損壞切碎機工作部件,有的把切碎機進料側容腔設計得較大,此處的介質流速較低,比重大的物料就會沉降,并可定期由人工取出。

按照切碎機工作部件結構不同,目前歐洲沼氣工程中常用的切碎機主要有:刀片——孔盤組合式切碎機和對滾剪切式切碎機。刀片——孔盤組合式切碎機適用于細長纖維性雜物的切割,而對滾剪切式切碎機更適用于對個體較大的塊狀類雜物的破碎。

3、輸送技術設備

在原料輸送方面,包含液態的漿料輸送和固態的碎秸稈輸送兩個層面。我國現有的沼氣工程多是利用畜禽糞便或污水等液態原料,所以螺桿泵是目前國內沼氣工程中應用最廣泛的輸送泵。但是螺桿泵也存在維修費用高、能耗高的缺點,對于TS濃度超過25%的原料輸送也無能為力。針對這些情況,目前在歐洲有的沼氣工程中采用了凸輪轉子泵和高密度固體泵。

凸輪轉子泵可輸送各種黏稠或含顆粒物的介質,結構緊湊,對介質剪切小,運行震動小。凸輪泵完全對稱設計允許在任何情況下逆向運轉,只需要改變轉子的轉向這樣就可以實現一臺泵完成儲罐的裝和卸兩項工作。

高密度固體泵適應原料廣,可以正常輸送2/3管徑大小的雜物;物料濃度高,輸送物料的TS可達到25%~ 40%;輸送距離長,可達200m。