一种利用能源草高效转化沼气的制备方法

文档序号:10679934阅读:318来源:国知局
一种利用能源草高效转化沼气的制备方法
【专利摘要】本发明提出了一种利用能源草高效转化沼气的制备方法,包括以下步骤:S1破碎:将能源草投入高效破碎机破碎成颗粒状物料;S2物料混合:将颗粒状物料投入预混池中,加入纤维素酶,混合均匀,得到混合物料;S3水解:将混合物料投入水解罐中进行水解;S4发酵:将水解后的物料全部投入发酵罐完成发酵和产生沼气,发酵过程采用植食性动物的粪便或胃液作为初次启动用厌氧发酵菌种。本发明从原料破碎、水解、发酵等工艺过程中上严格控制,增加能源草产气率和资源的利用率,且降低发酵副产物对环境的污染。
【专利说明】
-种利用能源草高效转化沼气的制备方法
技术领域
[0001] 本发明设计生产沼气的方法,尤其设及一种利用能源草高效转化沼气的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 能源是人类社会生存的必要资源和重要战略物资,是国民的经济命脉。但是按照 目前的存储量和开采能力测算,世界上的煤炭、石油、天然气的可采年限分别是230、45、61 年,随着常规能源的日益枯竭W及大量利用化石能源所排放的二氧化碳和二氧化硫对人类 生存环境的严重威胁,必须寻找可持续的能源道路。生物质能具有资源最大、无污染W及可 再生等优点,草本能源植物被认为是最有发展前景的生物质原料之一。沼气,是各种有机物 质,在隔绝空气(还原条件),并在适宜的溫度、PH值下,经过微生物的发酵作用产生的一种 可燃烧气体。沼气属于二次能源,并且是可再生能源。沼气热值高,是生物质能源中较具开 发和利用前景的一类可再生能源。
[0003] 能源草并不是一种植物草的名称,为多年生高大草本植物或半灌木,包括甜高梁、 柳枝稷、芒属作物等高大草本都是理想的能源草。目前厌氧发酵生产沼气是利用木质纤维 素材料转化为生物能源的最有前景的方法之一。能源草"作为生物能源的原材料成本 低、效率高,燃烧后产生的污染物也很少,可有效减轻溫室效应、降低环境污染。能源草的主 要有机成分经化验得知为纤维素(29.66%)、半纤维素(20.53%)、木质素(36.81%)。利用 能源草作为沼气生产原料是利用其中纤维素和半纤维素水解后的产物作为原料进行的生 物厌氧反应。传统生产沼气的工艺方法由于设备原始,工艺不规范,导致能源草中有机物降 解少,产气率低,资源利用率不高,造成能源浪费。

【发明内容】

[0004] 鉴W此,本发明的目的在于提出一种能源草高效转化沼气的生产工艺方法,该方 法提高了能源草中纤维素、半纤维素发酵生成沼气的转化率,提高能源草产气率。
[0005] 为了达到上述的目的,本发明的技术方案是运样实现的:
[0006] -种利用能源草高效转化沼气的制备方法,包括W下步骤:
[0007] S1破碎:将能源草投入高效破碎机破碎成颗粒状物料;
[000引S2物料混合:将颗粒状物料投入预混池中,加入纤维素酶,混合均匀,得到混合物 料,每吨能源草物料用纤维素酶量为100~120g;
[0009] S3水解:将混合物料投入水解罐中进行水解;
[0010] S4发酵:将水解后的物料全部投入发酵罐完成发酵和产生沼气,发酵过程采用植 食性动物的粪便或胃液作为初次启动用厌氧发酵菌种。
[0011] 进一步的,所述步骤S4发酵产生沼气后的消化液进行脱水,脱水后的消化液重新 进入步骤S2,与能源草物料和纤维素酶进行混合。
[0012] 进一步的,所述步骤S1破碎过程中,能源草经高效破碎机破碎至颗粒粒径为5~ T rniTi 〇
[0013] 进一步的,所述步骤S2物料混合过程中,每吨能源草物料用纤维素酶量为100~ 120g〇
[0014] 进一步的,所述步骤S3水解过程中,水解溫度25~35°C,水解时间为2~3天。
[0015] 进一步的,所述步骤S4发酵过程中,发酵体系内干物质的质量含量为6.6~7.2%。
[0016] 进一步的,所述步骤S4发酵过程中,发酵溫度38~42°C,发酵时间为4~5天。
[0017]进一步的,所述步骤S4发酵过程中,投料有机负荷为3~4.3Kg/m3 ? d。
[0018] 进一步的,所述步骤S4发酵过程中,厌氧发酵菌种的添加质量与能源草物料的添 加质量比为1:1。
[0019] 进一步的,所述步骤S4发酵过程中,固体厌氧发酵菌种用清水调配至固含量的质 量分数为4~5 %,再加入发酵罐中。
[0020] 与现有技术相比,本发明的有益效果为:
[0021] 本发明所提供的一种利用能源草高效转化沼气的制备方法,能源草中的纤维素和 半纤维素在纤维素酶的作用下高效水解成葡萄糖,进入厌氧系统后,葡糖糖和剩余的少量 纤维素半纤维素残渣被厌氧菌群利用生成生物质燃气,增加了原料中纤维素和半纤维素的 转化效率,沼气产气率达65咖^吨^上,相比传统工艺的产气率,本发明制备方法显著提高 了能源草的单位产气率。整体上,工艺简单、投资小,推广难度低,可应用于大规模农业废弃 物的处理,有效减少农业废弃物对环境的污染。
【附图说明】
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍。
[0023] 图1为本发明一种利用能源草高效转化沼气的制备方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0024] 为对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,发明人结合实施例进行说 明,但W下实施例所描述的仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例,都属于本发明保护的范围。
[0025] 参见图1,本发明一种利用能源草高效转化沼气的制备方法的工艺流程为:S1破 碎:能源草投入高效破碎机破碎成颗粒状物料;S2物料混合:将颗粒状物料投入预混池中, 加入一定配比的纤维素酶,混合均匀;S3水解:将混合物料投入水解罐中进行水解;S4发酵: 将水解后的物料全部投入发酵罐完成发酵和产生沼气,发酵产生沼气后的消化液进行脱 水,脱水后的消化液重新进入步骤S2,与能源草物料和纤维素酶进行混合。
[00%] 实施例1
[0027] -种利用能源草高效转化沼气的制备方法,包括W下步骤:
[002引 S1破碎:
[0029]将能源草放入高效破碎机进行破碎,得到颗粒状能源草物料,能源草经过高效破 碎机破碎至颗粒粒径为5~6mm。
[0030] S2物料混合:
[0031] 将能源草物料与纤维素酶投入预混池中混合均匀,得到混合物料,每吨能源草物 料用纤维素酶量为lOOg。
[0032] S3 水解:
[0033] 将混合物料放入水解罐进行水解,水解溫度25~35°C,水解时间为2天。
[0034] S4 发酵:
[0035] 将水解后的物料全部投入发酵罐中进行发酵,在一个密闭罐体内完成发酵和产生 沼气。发酵产生沼气后的消化液进行脱水,脱水后的消化液固含量为23% (质量百分数),脱 水后的消化液重新进入步骤S2,与能源草物料和纤维素酶进行混合。
[0036] 发酵过程中控制发酵体系内干物质含量(即总固体含量)为7% (质量百分数),发 酵溫度38~42°C,投料有机负荷控制在4Kg/m3 ? d,24小时连续揽拌,发酵时间为5天。在发 酵过程中,初次启动采用牛、马等植食性动物的粪便或胃液作为厌氧发酵菌种,其中菌种的 添加量与能源草物料的重量采用1:1的比例。固体菌种用清水调配至固含量为4~5% (质量 百分数),再加入发酵罐中。厌氧发酵菌种对沼气池快速启动有很好的促进作用,完全解决 了沼气初次启动难和启动慢的问题。
[0037] 实施例2
[0038] -种利用能源草高效转化沼气的制备方法,包括W下步骤:
[0039] S1 破碎:
[0040] 将能源草放入高效破碎机进行破碎,得到颗粒状能源草物料,能源草经过高效破 碎机破碎至颗粒粒径为6~7mm。
[0041 ] S2物料混合:
[0042] 将能源草物料与纤维素酶投入预混池中混合均匀,得到混合物料,每吨能源草物 料用纤维素酶量为llOg。
[0043] S3 水解:
[0044] 将混合物料放入水解罐进行水解,水解溫度25~35°C,水解时间为3天。
[0045] S4 发酵:
[0046] 将水解后的物料全部投入发酵罐中进行发酵,在一个密闭罐体内完成发酵和产生 沼气。发酵产生沼气后的消化液进行脱水,脱水后的消化液固含量为25% (质量百分数),脱 水后的消化液重新进入步骤S2,与能源草物料和纤维素酶进行混合。
[0047] 发酵过程中控制发酵体系内干物质含量(即总固体含量)为6.6% (质量百分数), 发酵溫度38~42°C,投料有机负荷控制在3Kg/m3 ? d,24小时连续揽拌,发酵时间为4天。在 发酵过程中,初次启动采用牛、马等植食性动物的粪便和胃液作为厌氧发酵菌种,其中菌种 的添加量与能源草物料的重量采用1:1的比例。固体菌种用清水调配至固含量为4~5% (质 量百分数),再加入发酵罐中。
[0048] 发酵过程中生物体主要应用的是物料水解过程中所产糖类、淀粉类、脂肪类、有机 酸类等有机物,传统工艺限于工艺和物料的局限性,水解和发酵在同一场所进行,水解运一 步骤往往不充分,运样会严重限制物料的产气率。本发明中所设及水解为单独的一个工艺 过程,在具体实施时用纤维素酶作为水解反应催化剂,将能源草中的纤维素、半纤维素水解 成单糖或多糖等生物可W直接利用的小分子有机物,最后将该水解后的全部物料直接投入 发酵罐中进行发酵和转化成沼气。
[0049] 厌氧发酵是物料发酵产生沼气的关键步骤,发酵程度的高低直接决定了物料的产 气率。本发明针对物料的特性,采用牛、马等植食性动物的粪便或胃液作为初次启动用的厌 氧发酵菌种,一次性引种,永久使用,正常运行后,不需要再引种,每天按计划投入物料即 可。
[0050] 此外,本发明沼气生产方法中,还将步骤S4发酵产生沼气后的消化液进行脱水,即 将其中的固态物料通过过滤的方式分离出,脱水后的消化液固含量为23~25%。脱水后的 消化液重新进入步骤S2,与能源草物料和纤维素酶进行混合。继续执行步骤S3、步骤S4,依 次循环。实现消化液的回收利用,节能环保。
[0化1]实施例3
[0052] 实施例3与实施例1的区别在于,在步骤S1破碎中,将能源草放入高效破碎机进行 破碎,得到颗粒状能源草物料,能源草经过高效破碎机破碎至颗粒粒径为3~4mm。其余步骤 工艺均与实施例1相同。
[0053] 实施例4和实施例5
[0054] 实施例4与实施例1的区别在于,在步骤S2物料混合中,将能源草物料与纤维素酶 投入预混池中混合均匀,得到混合物料,每吨能源草物料用纤维素酶量为90g。其余步骤工 艺均与实施例1相同。
[0055] 实施例5与实施例1的区别在于,在步骤S2物料混合中,将能源草物料与纤维素酶 投入预混池中混合均匀,得到混合物料,每吨能源草物料用纤维素酶量为120g。其余步骤工 艺均与实施例1相同。
[0056] 实施例6
[0057] 实施例6与实施例1的区别在于,在步骤S4发酵中,将水解后的物料全部投入发酵 罐中进行发酵,发酵过程中控制发酵体系内干物质(即总固体含量)含量为7% (质量百分 数),发酵溫度38~42°C,投料有机负荷控制在4.3Kg/m3 ? d,24小时连续揽拌,发酵时间为5 天。在发酵过程中,初次启动采用牛、马等植食性动物的粪便或胃液作为厌氧发酵菌种,其 中菌种的添加量与能源草物料的重量采用1:1的比例。固体菌种用清水调配至固含量为4~ 5% (质量百分数),再加入发酵罐中。其余步骤工艺均与实施例1相同。
[0058] 本发明还对发酵过程中发酵体系内干物质含量进行分析,实施例7中,控制发酵体 系内干物质含量(即总固体含量)为7.2 % (质量百分数),实施例8中,控制发酵体系内干物 质含量(即总固体含量)为6.8% (质量百分数),其余步骤均与实施例1相同。
[0059] 实施例1至实施例8制备方法得到的沼气产气率及其相关工艺性能参数如表1所 /J、- 〇
[0060] 表 1
[0061]
[
[0063] 传统工艺技术只是将能源草进行初级破碎后就投料,粒径大约为2~3cm,增加了 能源草水解的难度,有机质降解率低,影响产气率,产气率较低。从表1可看出,本发明采用 高效破碎机进行破碎,得到颗粒状能源草物料,颗粒粒径越小,沼气产气率越高,当颗粒粒 径为5~7mm时,产气率明显比传统工艺高。生产方法实验中发现5mm是一个能源草粒径的临 界值,当物料粒径小于5mm时,能源草的有机质降解率增加不明显,甚至减低,且破碎能耗增 高;运是因为能源草密度小流动性差,颗粒粒径越小越容易积聚,影响纤维素酶对能源草的 水解,影响有机质降解;因此本发明制备方法优选能源草颗粒粒径为5~7mm。
[0064] 由实施例4和实施例5的残渣纤维素含量可知,纤维素酶用量为90g/吨能源草的分 解率和产气率明显降低,随着纤维素酶用量的增加,产气率越高,但是纤维素酶用量大于 lOOg/吨能源草时,分解率和产气率增加已不太明显,因此本发明制备方法优选纤维素酶用 量为lOOg/吨能源草,即达到最佳水解效率,又可有效减少了生产资本的投入。
[0065] 有机负荷的增减,会影响到消化系统的产气量和处理程度,较高的有机负荷可获 得较大的产气量。本发明制备方法中当有机负荷为4Kg/m3 ?加寸的沼气消化系对总固体含 量、挥发性固体、化学需氧量等的去除率较高,甲烧产量也最高,且整个消化过程中,pH值一 直在厌氧菌适宜的范围内变化。但是,实施例6中,当有机负荷大于4Kg/m3 ? d,pH值可在适 宜甲烧菌活动的范围内变化,将破坏厌氧系统的稳定性,沼气产量开始下降。因此本发明制 备方法优选有机负荷为4Kg/m3 ? d。
[0066] 从实施例7和8得到的产气率可W看出发酵体系内干物质含量对发酵产生沼气的 影响也很大,当发酵体系内干物质含量较少的时候,产气率低;但发酵体系内干物质含量太 高了也会抑制发酵,导致产气率低。本发明优选干物质质量含量为7% (质量百分数)。
[0067] 综上所述,本发明制备方法采用高效破碎机对能源草进行破碎,严格控制物料颗 粒粒径,有利于促进物料的水解和提高发酵产气率;水解步骤和发酵步骤分开为单独的工 艺过程,有利于物料的充分水解,提高有机质降解率,提高沼气转化效率;且在发酵过程中, 采用植食性动物的粪便或胃液作为初次启动用的厌氧发酵菌种,解决沼气初次启动难和启 动慢的问题,提高产气效率,且一次性引种,永久使用,正常运行后,不需要再引种,每天按 计划投入物料即可。本发明从原料破碎、水解、发酵等工艺过程中上严格控制,增加能源草 产气率和资源的利用率,有效降低了发酵副产物对环境的污染。
[0068] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用W限制本发明,凡在本发明的精 神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,包括以下步骤: S1破碎:将能源草投入高效破碎机破碎成颗粒状物料; S2物料混合:将颗粒状物料投入预混池中,加入纤维素酶,混合均匀,得到混合物料; S3水解:将混合物料投入水解罐中进行水解; S4发酵:将水解后的物料全部投入发酵罐完成发酵和产生沼气,发酵过程采用植食性 动物的粪便或胃液作为初次启动用厌氧发酵菌种。2. 根据权利要求1所述的利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,所述步骤 S4发酵产生沼气后的消化液进行脱水,脱水后的消化液重新进入步骤S2,与能源草物料和 纤维素酶进行混合。3. 根据权利要求1所述的利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,所述步骤 S1破碎过程中,能源草经高效破碎机破碎至颗粒粒径为5~7_。4. 根据权利要求1所述的利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,所述步骤 S2物料混合过程中,每吨能源草物料用纤维素酶量为100~120g。5. 根据权利要求1所述的利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,所述步骤 S3水解过程中,水解温度25~35°C,水解时间为2~3天。6. 根据权利要求1所述的利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,所述步骤 S4发酵过程中,发酵体系内干物质的质量含量为6.6~7.2%。7. 根据权利要求1所述的利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,所述步骤 S4发酵过程中,发酵温度38~42°C,发酵时间为4~5天。8. 根据权利要求1所述的利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,所述步骤 S4发酵过程中,投料有机负荷为3~4.3Kg/m3 · d。9. 根据权利要求1所述的利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,所述步骤 S4发酵过程中,厌氧发酵菌种的添加质量与能源草物料的添加质量比为1:1。10. 根据权利要求9所述的利用能源草高效转化沼气的制备方法,其特征在于,所述步 骤S4发酵过程中,固体厌氧发酵菌种用清水调配至固含量的质量分数为4~5%,再加入发 酵罐中。
【文档编号】C12P5/02GK106047943SQ201610642138
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月8日 公开号201610642138.0, CN 106047943 A, CN 106047943A, CN 201610642138, CN-A-106047943, CN106047943 A, CN106047943A, CN201610642138, CN201610642138.0
【发明人】周长俊, 张晓琳, 刘学忠, 郑启恩, 罗浩夫
【申请人】海南神州新能源建设开发有限公司
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