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1、生物质发电成套设备国家工程实验室 2012.10,第四讲 气体生物燃料技术,杨世关,主要内容,一、生物质转化为气体燃料的技术途径 二、生物质厌氧发酵产沼气技术 三、生物质热化学气化技术,一、生物质转化为气体燃料的技术途径,二、生物质厌氧发酵产沼气技术,1、沼气技术概述,由CH4 、CO2、H2 和H2S组成的可燃性气体,1.1 沼气的组成及热值,属于中热值气体，20MJ/m3 左右,1.2 沼气技术的特点,（1）原料来源具有广泛性,畜禽粪便：各种动物粪便 农作物秸秆：玉米秸秆、小麦秸秆等 高浓度有机废水：酒精废水、啤酒废水、味精废水等 水生生物：水葫芦、蓝藻等 有机垃圾：垃圾填埋气 食品加工废
2、弃物：屠宰加工废弃物等,我国目前禽畜粪便总排放量约为21亿吨，这些粪便每年可产沼气400多亿立方米，发电约800亿度，装机容量可达1000万千瓦。根据畜牧业发展规划，2020年，中国畜禽粪便量将达到40亿吨。中国沼气资源潜力将进一步增加，预计装机容量可达2000万千瓦以上。,1.2 沼气技术的特点,（2） 能量转化具有高效性,同样的土地面积生产的生物质转化为生物乙醇、生物柴油、生物质液体燃料和沼气这些不同形式的燃料相比，转化为沼气获取的能量最多。,1.2 沼气技术的特点,（3） 能源、环境与生态友好性,沼气发酵强化了自然界中物质的循环利用。发酵过程不仅产出了能量，而且发酵剩余物还具有很好的肥料
3、价值，此外，沼气利用过程能够实现二氧化碳零排放。因此，沼气技术的应用可以促进环境保护和生态农业的发展。,1.2 沼气技术的特点,（4） 与现有天然气利用设施之间易于衔接性,沼气的主要可燃成分和天然气一样都是甲烷。因此，通过物理或化学吸附方法脱除沼气所含的二氧化碳后就可制成生物天然气，生物天然气完全可替代天然气进行使用，因此天然气的一些成熟的使用设施，如储气罐、燃烧器、输气管网等均可被生物天然气使用。这一特性使降低了该技术推广的成本。,1.2 沼气技术的特点,（5）与生物质适度规模化利用的匹配性,生物质资源的分散性决定了其能源化开发应该走“适度规模化”之路。 沼气技术以其规模适度、能实现物质和能
4、量的梯级开发利用而成为生物质开发利用的一个重要发展方向。,2、沼气发酵原理与工艺,2.1 沼气发酵原理,2、沼气发酵原理与工艺,2.2 沼气发酵工艺,（1） 工艺流程,2、沼气发酵原理与工艺,2.2 沼气发酵工艺,工艺类型,温度,中温发酵,常温发酵,高温发酵,进出料方式,批量发酵,连续发酵,半连续发酵,料液浓度,湿发酵,干发酵,反应器类型,CSTR,UASB,ASBR,（2） 工艺类型,2.3 影响沼气发酵的工艺因素,1） 温度 （1）常温发酵，指在自然气温或水温条件下的沼气发酵工艺，适宜的温度范围为1030。 （2）中温发酵，指发酵温度在3040条件下的沼气发酵工艺，适宜温度为3538。 （
5、3）高温发酵，指发酵温度在5060条件下的沼气发酵工艺，适宜温度为5255。,2） C/N 厌氧发酵微生物适宜的C/N范围为2030:1,3）pH值 厌氧处理过程中，水解菌和产酸菌对pH的适应范围相对较广，大多数该类细菌可以在5.08.5的pH范围内正常生长繁殖。但对于产甲烷菌，适宜其生长的pH范围相对较窄，在6.57.8之间，这也是通常情况下厌氧处理过程所应采用的pH值范围。,4）接种污泥 活性污泥对厌氧发酵过程的影响突出表现在两个方面，其一是它的活性，常用污泥比产甲烷活性表示，其二是其沉淀性能，它是影响反应器内污泥浓度的最为重要的因素。,5）容积负荷 反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有
6、机物量，称为容积负荷率，单位常用kgCOD/m3d或kgBOD/m3d表示。,6）搅拌 搅拌的主要作用：增加微生物与有机物的接触，消除反应器内存在的浓度梯度和温度梯度，从而加快发酵速度，提高产气量。此外还可起到破坏浮渣层，便于气体排出的目的。搅拌强度要根据反应器的实际运行效果来确定，适度的搅拌有利于提高反应器运行效率和沼气产率，而剧烈的搅拌则会产生相反的效果。,3、厌氧反应器,三个废油桶做成的沼气池,3.1 全混厌氧反应器(CSTR),3、厌氧反应器,600m3一体化气柜,进料装置,搅拌装置,能很好的适应固含率原料发酵的需要 由于通过强制搅拌来实现发酵原料与微生物的混合，因此，CSTR可以很好
7、的适应秸秆、粪便类原料厌氧发酵的需要。 抗负荷冲击能力强，适应半连续发酵的需要 搅拌作用可以将进入的原料很快与反应器内的发酵液进行均匀的混合，因此改工艺具有很强的抗冲击负荷的能力。 全混合降低了发酵效率 由于混合降低了发酵液的浓度，从而降低了厌氧发酵生化反应的推动力。,CSTR反应器的特点：,3.2 塞流式反应器（HCPF),特点： 进料TS浓度高 由于畜禽粪便与配兑污水不需“预处理”而分别直接加入沼气池，可人为控制进料TS浓度的提高。 没有浮渣去除的难题 由于进料TS浓度高，悬浮物难以上浮形成浮渣；即使有少量浮渣也会被不断旋转的叶片将其破碎且压入发酵液中而被消化去除。 能量输出率高 高浓度发
8、酵节约了加热能耗如果采用“热电联产”其工程能量输出率可达60。由于进料总量减少一半以上，故沼液外运的能耗大为降低。,3.3 升流式固体床反应器（USR）,特点： 不需搅拌，节省了运行能耗 与CSTR相比，USR没有搅拌装置，因此不仅使反应器结构得以简化，而且运行能耗也较低。 靠污泥的自重下沉，增加了污泥滞留时间 未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期(SRT)和微生物滞留期(MRT)，从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。,3.4 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）,进料装置,三相分离器,3.5
9、内循环厌氧反应器（IC),3.6 膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB),Biothane公司的UASB和EGSB反应器设计对比,3.7 厌氧滤器（AF),3.8 厌氧塘（Lagoon),3.9 厌氧干发酵设备,DRANCO反应器,VALORGA发酵罐,4 户用沼气池池型,圆 筒 型 沼 气 池,4.1 圆筒型沼气池,曲 流 布 料 沼 气 池（B型）,4.2 曲流布料沼气池,特点： 、池底由进料口向出料口倾斜,把池底部最低点设在出料间底部,在倾斜池底作用下形成一定的流动推力,实现主发酵池进出料自流。 、原料进入池内由分流板进行布料,形成多路曲流,增加新料扩散面,充分发挥池容负载能力,提高池容产气率
10、。 、扩大池墙出口,并在内部设隔板,塞流固菌。 、天窗盖下部设吊笼,利用内部气压、气流产生搅拌作用,缓解上部料液结壳。,椭 圆 型 沼 气 池,4.3 卵圆形沼气池,强 回 流 沼 气 池,设计特点是: (1)在池型结构上,改长方形水压箱为顶置式半环形水压箱(草相酸化池),增设搅拌出料管、手动搅拌出料器和单向阀; (2)在发酵工艺上,改半连续发酵为连续发酵,改粪草混合发酵为粪草两相分离发酵。 优点： (1)容积产气率高。 (2)解决了出料难的问题。 (3)全年产气均衡稳定。 (4)容积小,投资和占地少。,点 盖 槽 式 沼 气 池,4.4 点盖式沼气池,特点： 1、改大盖为小盖，可以避免大活动
11、盖笨重安放不便，密封时要求技术较高的弱点，而且盖口小不仅增强了池体的整体性，可延长使用时间，还可限制人入池，增强了安全性，导气管从点盖口嵌入，可避免积水并便于检修； 2、将原削球型池底改为槽式池底，以便于出料； 3、扩大直径，减少池子的深度，增加发酵菌种与原料的接触面，以利于提高产气量和减轻出料的劳动强度； 4、增加出料间的长度，扩大宽度，并在出料间后增设台梯； 5、改平挡为“刀口”型挡墙，方便提取沉渣。,自 动 排 渣 沼 气 池,4.5 自排渣沼气池,分 离 浮 罩 沼 气 池,4.5 分离浮罩式沼气池,商品化沼气池,5、沼气工程安全,6、沼气工程案例介绍,资料来源：德国WELTEC BI
12、OPOWER GmbH,德国大型农场沼气工程,养鸡场沼气工程,中丹生物能源大型车用沼气工程是由河南安阳贞元集团与丹麦（IFU基金/CSR Capital/NIRAS）联合体合资兴建的国内首座大型商业化车用沼气工程。该项目由青岛天人环境股份有限公司以EPC方式总包建设，技术支持方为丹麦NIRAS公司。 位于河南省安阳市西南郊，总投资5500万元，占地50亩。,城市有机垃圾沼气工程,投加原料公厕粪污,原料预处理、调配系统,其他原料牛粪、餐厨垃圾、污水厂污泥、秸秆,CSTR反应器与二次发酵池、沼气储气柜,沼气脱碳净化单元,车用燃气压缩、加气单元,CNG高压压缩、分子筛脱水技术,储气柜与CNG撬装车,沼液利用,利用方式：1、用于葡萄园施肥，200元/车； 2、周边农户取用； 3、农田做水肥灌溉。,养猪场废水处理沼气工程,食品废弃物处理工程,酒糟废液沼气工程,