秸秆的不同预处理方法生物制氢的能值比较

陈鸣岐,马 涛

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨 150090;2.哈尔滨工业大学经济与管理学院,哈尔滨 150090)

生物制氢中的发酵产氢与光合产氢相比,更具发展潜力.从产氢的原料来看,除了葡萄糖、淀粉外,纤维素类物质也可以作为生物产氢的原料.木质纤维素是一个巨大的可通过微生物发酵作用将其转化为能源的可再生糖类资源,对其进行预处理是成本最高的步骤[1].因此,本研究采用能值分析方法,以稻草和麦杆作为秸秆的代表物,对物理、化学以及物理化学预处理法进行了能值分析与比较.

1 预处理方法的分类

机械粉碎法:机械粉碎通过剪切或研磨减小原料颗粒尺寸,提高反应面积,同时在一定程度上破坏植物纤维的高级结构,将结晶态纤维素转化成无定形态,使整个大分子结构松散,易于反应[2].

酸处理法:酸处理多采用稀硫酸(0.5%～1.0%),在 130～200℃与原料反应数分钟,处理后,半纤维素几乎全部水解为单糖(主要为木糖).

氨纤维爆破法:氨纤维爆破法是将木质纤维原料在高温和高压下用液氨处理,然后突然减压使原料爆破.

2 能值理论与基本评价指标

能值(Emergy).能值是指流动或贮存的能量中所包含的另一类别能量的数量.多以太阳能值(Solar Emergy)来衡量某一能量的能值大小,其单位为太阳能焦耳(Solar emjoules),即 sej[3].

能值分析 (Emergy Analysis).能值分析以同一客观标准—太阳能值衡量不同类别不同能质的能量的真实价值和数量关系.假设某个工艺流程需要进行 n个阶段,由于能值分析具有溯源性,如图1所示,从最左边输入的可再生、不可再生资源开始,到后来经济社会的参与,货币、其他商品和服务等被投入到生产系统中去,最后形成最终产品.

能值转换率 (Emergy Transformity).即形成每单位物质或能量所含有的另一种能量之量.用公式可以表达为:

A种能量(或物质)的太阳能值转换率 =应用的太阳能焦耳/1J(或 1g)A种能量(或物质)

b)能值基本评价指标

能值置换比(Tr).产品或者服务的量与产品或者服务能值的比值.在产品或者服务形成过程中需要转换的能量越多,其能值置换比也就越大.

能值产出率(EYR).系统总产出能值 Y与社会经济投入能值 F的比值.较小的 EYR值说明工艺的竞争力不强,规模生产的回报效益较低[4].

环境负荷率(ELR).系统不可更新能源投入能值总量(F+N)与可更新能源投入能值总量 R之比,该指标可以指示出生物制氢系统的生产活动对当地生态系统产生的压力.

能值可持续发展指数(EIS).EYR与 ELR的比值称为能值可持续发展指数.在将生态和经济指标都考虑在内的情况下,较高的 EIS数值代表了高水平的工艺可持续发展能力.

图1 工艺系统能值分析图

3 三种纤维素预处理工艺的能值分析与比较

能值分析的关键是确定系统范围的边界,根据N,R,F的定义,本文严格限定了工艺系统的范围,原材料和能量的输入以及预处理产物的输出,包括能值分析的计算结果列于表1～3中.

在图表中,每一项消耗量都是从研究文献的数据中得到的确实数值,能值转化率是直接或者间接从相关参考文献中查得,图表中数据的计算结果都是以理想状态下预处理水平为基准的.

表1 机械粉碎法的能值分析

表2 酸处理法的能值分析

表3 氨纤维爆破法的能值分析

4 结果与讨论

能值分析的相关指标涉及到社会效益,环境影响和可持续性,结果见表4.可见氨纤维爆破法能值置换比最低,酸处理法的数值高于其他数值,这说明为了达到相同的预处理目标,酸处理法需要的能值最多.

表4 不同秸秆预处理方法生物制氢能值指标比较

氨纤维爆破法的能值产出率最高,机械粉碎法最低.对比表中化学药品的消耗,可以看到稀酸由于价格低廉,而且可以得到 90%的木糖,所以很多研究还是使用稀酸,但是设备材料、高压并且水解液需要进行酸的中和,提高了能值投入.

[1] 朱核光,史家樑.生物产氢技术研究进展[J].应用与环境生物学报,2002,8(1):98-104

[2] NOIKE T,TAKABATAKEH,MIZUNO O,et al.Inhibition of hydrogen fermentation of organic wastes by lactic acid bacteria.Hydrogen Energy,2002,27(11):1367-1371.

[3] GLAZER A,NIKAIDO H.Microbial biotechnology-fundamentalsof appliedm icrobiology[M].New York:New York and Basingstoke copyright,2002:12-19.

[4] 韩 博,李永峰,焦安英,等.Ethanoligenens harbinense R 3的培养特性与产氢机理[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2009,25(6):681-684.