寒冷地区沼气制造工艺研究

符艳辉

（吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022）

0 引 言

我国是农业大国，而且随着农业生产水平和农民生活水平的不断提高，对原来用作肥料和燃料的农业废弃物等废弃资源的利用越来越少，因而其累积量也越来越多。目前我国已成为世界上农业废弃物产出量最大的国家。据统计，我国每年产生农业废弃物约40多亿t，其中畜禽粪便排放量26.1亿t左右，农作物秸秆7.0亿t左右［1－2］，处理率不足25%，农业废弃物不能有效、及时地处理与转化，已成为农村环境污染的主要污染物，也是许多重要水源地、江河、湖泊严重污染和富营养化的主要原因。这不仅严重破坏了生态环境，同时对全国粮食生产基地的安全，农业的可持续发展，农民收入的提高，新农村建设构成了严重的影响。如何运用科学发展观，大力发展循环经济，科学配置、利用农业废弃资源，切实加强农业立体污染综合防治的研究已成为当务之急。

当前，利用农业废弃物的方式主要有能源化、肥料化、饲料化和材料化等。其能源化的主要技术模式包括生态农业模式和秸秆新型能源化模式。生态农业模式主要以沼气生产为核心，包括北方“四位一体”模式、南方“三位一体”模式等；农业废弃物的肥料化包括生产堆肥、液体肥料、有机生物肥等；农业废弃物的饲料化主要是以秸秆为饲料；农业废弃物的材料化是以秸秆等农业废弃物生产纸板、人造纤维板等［3］。其中，利用各种废弃物发酵制沼气的生态农业模式具有绝对优势，它不仅能够使农业废弃物得到有效处理，并获得能源物质沼气，用于照明、做饭、发电等［4］，缓解无机能源紧缺局面。同时，又能够得到优质的有机肥料，为推动中国绿色农业的发展提供可靠的物质资源。

1 沼气发酵罐的研究

利用各种废弃物发酵制沼气技术作为有机固体废物能源化与处置的最有效途径之一，已被人们所熟知，尤其近年来已逐渐成为世界各国农业固体废物资源化技术研究的热点，并得到了迅猛发展。其潜在巨大的社会、环境和经济效益得到了社会公认。但是它还存在很多弊端，如北方寒冷地区发酵温度无法保障、产气率低、耗能大等。从我国各种废弃资源的成分、物理、化学特性以及寒冷地区的气候特征等出发，针对目前沼气发酵技术和装备存在的缺点和不足，对现有的技术工艺和装置进行多次试验、改进、设计和优化，制定设计和完善了沼气发酵装备和工艺。我们自主研发的沼气发酵罐已获得国家专利（专利号为200720094120.8），其结构如图1所示。

图1 沼气发酵罐结构示意图

1.1 沼气发酵罐参数设计

沼气发酵罐即厌氧消化器的结构和运行情况的好坏直接关系到微生物的繁殖，有机物的分解转化，沼气的生成。因此，研究开发一个好的沼气发酵罐十分必要。

1.1.1 沼气发酵罐结构设计

沼气发酵罐的结构（见图1）主要由罐体、隔板、封头、支座、搅拌器、密封元件等构成，同时，罐体上设有入料口、视窗、引孔、出料口、测温孔、放水阀等。罐体外表面涂上一层阳光吸收率较高的特制黑色吸收涂层，黑色吸收涂层具有吸热能力强、抗腐蚀性和保温好等特点。整体结构采用全钢质卧式结构。由德国引进的是立式罐，从我国废弃物自身特点出发，把发酵罐由立式改为卧式结构，主要是为了降低高度，减少底部沉沙淤积，便于保温；罐体内隔板上下交错设置，使发酵罐内形成多个折流室，用以防止料液短路，延长料液厌氧发酵时间；沿着沼气发酵装置罐长方向设置搅拌器，每个折流室内都设有搅拌叶片，用以混合料液，防止料液分层、沉沙、结壳；沼气发酵罐内部底端设置有加热管，沼气发酵罐的罐体外表面设计有罐体保温层，用于在寒冷季节对罐内物料的增、保温；卧式钢质罐体、交错隔板以及搅拌器三者有机结合的独特内部结构，形成了混流、推流、折流集成技术［5］，能够保证厌氧菌与营养物质充分接触，提高产气率，沼气发酵罐顶部设有出气口，出气口主要是用来导出沼气发酵罐内产生的沼气。在沼气发酵罐沼气出口处设置一个直径为100mm粗的立管，立管顶部封死，在靠近顶部位置侧面开沼气出口，这样，料液进入较粗的立管内，由于重力作用会自然落入沼气发酵罐中，不会被带入沼气管路中，防止管路堵塞。1.1.2 沼气发酵罐气压设计

沼气发酵工艺和沼气灯炉具，都要求沼气气压相对稳定。因此，沼气发酵罐的设计气压一般为0.05～0.1MPa为宜。为安全起见，选取设计压力p为0.1MPa。

1.1.3 沼气发酵罐容积设计

沼气发酵罐设计的一个重要问题就是容积确定。沼气发酵罐容积的确定主要是根据用户发酵原料的丰富程度和用户用气量的多少以及容气空间的大小而定。

1.1.4 沼气发酵罐搅拌器设计

本研究采用的搅拌方式为卧式机械搅拌，搅拌机构主要由减速机、传动轴、搅拌叶片、支撑座等部分组成，如图2所示。

图2 搅拌器结构示意图

减速机的选用、搅拌叶片的确定、搅拌轴的设计、轴材料的选择等都要严格要求。使其结构和功能抗腐性都要适合厌氧发酵制沼气的需求。

1.1.5 密封设计

沼气发酵罐的密封包括静密封和动密封。通过一年左右的运行试验，所有静密封处没有发生任何问题，但搅拌轴与罐体动密封处出现了滴料液现象。为了保证搅拌轴与发酵罐间的密封可靠、操作方便，对搅拌轴伸出罐体处动密封进行了改进设计，采用可调整、易换填料的组合式密封结构。防止搅拌轴与沼气发酵罐间动密封填料因长期运转磨损泄漏及维修不便的问题，该密封采取双级密封，一级密封采用静密封圈与动密封圈都为O型胶圈，其中动密封圈安装在槽内预先被挤压，产生压紧力，工作时，又靠发酵原料压力挤压密封环，产生压紧力，封闭密封间隙，达到密封的目的。二级动密封采用填料密封，将密封座与轴承压盖作成一体，密封座内装密封填料，通过密封压盖压紧密封填料来调整密封。当出现密封泄漏现象时，不需停产，只要将密封压盖打开，再加入一些密封填料，然后压紧密封压盖即可。这样，当一级密封工作一段时间后由于磨损产生小的泄漏时，通过二级密封可防止泄漏。二级密封大大增加了密封的可靠性，同时也不会因为小的泄漏而停产维修。

2 沼气发酵的工艺流程

结合寒冷地区的地域情况并在以往多次试验和示范工程应用的基础上，最终确定了沼气发酵工艺流程，如图3所示。

图3 沼气发酵工艺流程图

该沼气发酵工艺流程包括：原料的收集及预处理、沼气发酵反应器、出料的后处理、沼气的净化、储存以及加热增温系统等。

在进行生产之前要检验沼气发酵罐的各种性能是否符合设计要求，并能安全使用，要对其进行多项性能试验，例如：额定承压能力是否达到要求、封闭性是否良好、搅拌器转动是否灵活、旋转是否平衡、运行是否平稳。做完相应的试验后，确定都达到设计和运行要求，方可进行生产示范。

本工艺中首先将农作物秸杆进行破碎并进行化学预处理，将破碎后的秸秆用质量百分浓度为6%NaOH水溶液均匀喷洒，喷至潮湿无液体渗出，然后堆沤2d，接着用质量百分浓度为7.35%H2SO4水溶液均匀喷洒，中和至中性，堆沤1d［6］。将预处理好的秸秆与鲜猪粪按适当比例混合，并且调整干物质（TS）浓度为10%～15%，我们已经通过大量的实验和反复研究，在寒冷季节料液干物质含量和温度对产气的影响状况，并得出结论：在一定的条件下，干物质浓度在10%～15%之间产气效果好。在保证其它发酵条件不变的情况下，产气量随着温度的升高而升高，在25～35℃之间具有较高的产气量。并确定了最佳净产能温度为25℃，由此可知，适当的温度和干物质含量不仅能提高产气量，也能减少冬季产气耗能。保证C／N在25～30之间［7－8］，调整pH值为6.5～7.5。进行好氧发酵预处理3～5d，进料利用给料小车，通过减速机驱动，钢丝绳牵引，使其沿着倾斜轨道将干清粪和秸杆混合物直接送入沼气发酵罐上部的入料口，并通过养殖污水与回流沼液的冲刷混合使其进入沼气发酵罐中，这样既解决了进料堵塞的难题，同时，由于沼液的加入，使新进入沼气发酵罐内的料液能够与厌氧菌充分接触，加快沼气发酵速度，通过搅拌器的搅拌使料液混合均匀，然后将发酵罐密封进行厌氧发酵制沼气。本工艺采用中温发酵工艺，发酵温度为20～45℃之间，而寒冷地区冬季最低温度可达到零下30℃左右，温差约50℃，由于这么大温差的存在，沼气发酵罐内料液将会急剧向外扩散，为了减少散热，采用多层增、保温措施。

首先将沼气发酵罐建设在双层膜日光温室内，靠双层膜日光温室良好的增、保温效果，减少温度散失，维持反应器周围环境温度。日光温室按照地域不同而设计。

其次为了维持沼气生产正常反应温度需要对料液加热增温。在沼气发酵罐底部设置有加热水管，可通过加热水管对料液进行增温，其热源来源有3种途径：

1）晴朗的白天热量主要来源于太阳能集热器；

2）夜晚和阴天热量来源于沼气锅炉燃烧部分沼气，热量不足时采用电加热装置补充；

3）搅拌器的搅拌，带动反应器底部热量快速均匀向上传递，使底部的热气向上流动，加快传质速率，实现发酵原料快速增温，使物料温度分布均衡，提高产气率；反应器发酵罐体周边及底部设保温层，发酵罐上部覆盖保温被，减少发酵原料向外散热；从保温、增温、热量传递等多方面考虑，多种增保温措施共同作用可以实现能量互补，降低产气耗能，来保证沼气发酵冬季生产的温度。这一整套增保温设施，不仅保证了冬季沼气正常生产温度，提高了产气率，又大大减少了冬季产气耗能，保证一年四季均可生产沼气和生物有机肥。

从发酵罐里出来的沼气中含有二氧化碳、硫化氢、水蒸气及固体杂质颗粒。二氧化碳和水的存在会降低沼气的热值，阻碍沼气的燃烧；而硫化氢的存在，不仅加速输送管路及配件的腐蚀，还会对人身安全造成极大的威胁。因此对出来的沼气首先进行了脱水、脱硫处理，然后进行存储。最后对沼渣、沼液进行深加工入库待售。

3 本成果推广的意义和作用

本成果推广必定能使畜禽养殖场的粪污和各种农作物秸杆以及各种餐饮厨余垃圾等得到有效处理，减少养殖场及周边环境污染，消除畜禽粪便等对地表水、地下水、大气环境污染以及微生物污染，提高农村环境质量，保护农村环境；生产的沼气能够缓解无机能源紧缺的局面；生产的沼肥为种植业提供大量优质有机肥料，推动中国绿色农业的发展，最终实现畜禽粪便的无害化、资源化综合利用。总之，此项技术不仅可以改善农村能源结构，有效利用资源，延伸产业链条，增加农民收入，促进节能减排，还是建设社会主义新农村的一项重要举措，对推动中国“两高一优”农业的发展具有重大的意义和深远的影响。

综上所述，在保护好生态环境的前提下，利用畜禽粪便无害化处理的产物，大力发展沼气、沼液、沼渣的综合利用技术，必定能将资源优势转化为经济优势，加快农村经济的飞速发展。

［1］ 孙永明，李国学，张夫道，等.中国农业废弃物资源化现状与发展战略［J］.农业工程学报，2005，21（8）：169－173.

［2］ 孙振钧，孙永明.我国农业废弃物资源化与农村生物质能源利用的现状与发展［J］.中国农业科技导报，2006，8（1）：6－13.

［3］ 李长生，杨正礼.我国农业废弃物污染与利用现状及对策研究［C］／／循环农业与新农村建设——2006中国农学会学术年会论文集.2006：491－494.

［4］ 程绍明，马杨晖，姜雄晖.我国畜禽粪便处理利用现状及展望［J］.农机化研究，2009（2）：222－224.

［5］ 赵国明，张重.基于一种混流、折流、推流相结合的沼气发酵工艺创新研究［J］.价值工程，2012，31（23）：22－24.

［6］ 徐泽敏，赵国明，牟莉.秸秆沼气工程湿法发酵工艺参数优化研究［J］.农机化研究，2014（11）：218－221.

［7］ 李莉，刘鸿雁.沼气干发酵技术在畜禽粪便处理中的应用研究进展［J］.贵州化工，2009，34（1）：13－16.

［8］ 李楠，倪培涛，郭莹莹.浅谈畜禽粪便的综合利用［J］.现代农业，2007（12）：78－79.