秸秆沼气反应器材料比较与结构优化

黄海龙， 沈 飞， 罗 涛， 梅自力

(1.农业部沼气科学研究所， 四川 成都 614100； 2.四川农业大学 环境学院， 四川 成都 614100)

秸秆沼气反应器材料比较与结构优化

黄海龙1,2， 沈 飞2， 罗 涛1， 梅自力1

(1.农业部沼气科学研究所， 四川 成都 614100； 2.四川农业大学 环境学院， 四川 成都 614100)

我国是农业大国，每年大量的农作物秸秆露天焚烧导致严重的环境问题。秸秆沼气化利用可有效处理废弃物，并生产清洁能源—沼气。但现有秸秆发酵装置，在建筑技术和反应器设计等方面存在诸多问题，使其容易出现建设质量不高、进出料堵塞、发酵效率低、不能长期稳定运行等问题。文章从发酵装置入手，比较选出适于农村大面积推广的反应器制作材料—玻璃钢塑料；分析比较现有农作物秸秆厌氧发酵装置，认为“高浓度大颗秸秆沼气发酵装置”性能更好，适合于农村推广，对其结构提出改进意见，以期提高秸秆发酵效果。

秸秆； 发酵装置； 材料； 沼气； 结构优化

据统计，2014年我国秸秆年产量已达8亿吨，其中2亿多吨被直接露天焚烧，不仅浪费资源，而且产生大量的有害气体和颗粒物，已成为雾霾形成的最主要可疑原因之一。相关调查表明，仅京津冀及周边地区，每年秸秆焚烧向大气排放的颗粒物数量约为10万吨；2015年10月5日～17日，环保部卫星遥感巡查监测数据统计显示，在全国范围内，除了北京、上海、福建、广东、西藏等11省(区、市)未监测到疑似秸秆焚烧火点，在其他20省(区)共监测到疑似秸秆焚烧火点862个，比2014年同期增加54个，增幅为6.68%；其中山东的火点数最多179个；从平均每千公顷耕地面积火点强度最高的是辽宁、山西、山东、河南、吉林，这些地方期间均出现过严重的雾霾天气[1]。秸秆焚烧带来的一系列环境问题使得秸秆的合理处理需求变得越来越紧迫。

中国从20世纪70年代开始建设发展沼气工程，1999年开始在总结了北方“四位一体”、南方“猪—沼—果”、西北“五配套”等卓有成效的沼气能源生态建设经验，提出了 “生态家园富民工程”计划，中国沼气工程进入全面提升和快速发展阶段。政府每年对沼气工程建设也投入了大量资金，“十一五”期间，我国曾累计投入212亿元，在全国农村地区推广沼气项目[2]。其中主要是畜禽粪便沼气工程项目得到大力推广建设。农作物秸秆作为一种生物质进行厌氧消化处理，将所产沼气用于农户炊事，沼肥用于农业生产被认为是最适合我国农村需求和农业生产方式的循环发展模式。

然而农作物秸秆厌氧发酵不同于畜禽粪便发酵，其堆积密度大，质量轻，在水中上浮等特点，使其在发酵反应器中容易堵塞，和厌氧微生物接触效率低，发酵产气效果差。本文结合沼气工程发酵装置进行分析讨论，得出适宜的发酵装置建设材料，并针对农作物秸秆发酵特点，优选高浓度大颗粒秸秆沼气发酵装置，并对发酵装置的结构进行优化，以期解决农作物秸秆发酵问题。

1 农作物秸秆产沼气性能分析

如表1所示，农作物秸秆富含木质素、纤维素、半纤维素等有机质，但富含这些有机质的农作物自然降解所需时间很长，水稻秸秆在土壤中自然降解半衰期达两年，同时农作物在农田中降解则会产生大量的温室气体[3]。

表1 主要农作物秸秆干物质的有机质组成[3-7] (%)

厌氧消化技术被认为是一种较好有机物降解技术，可实现秸秆在厌氧反应内的加速降解，并伴随产生高品质的能源—沼气， 常用农作物秸秆的产气潜力约为0.3～0.5 m3·kg-1TS。同时，沼肥也是很好的有机肥，可提高土壤肥力，改善土壤品质，且经过厌氧消化后还能杀死很多病原菌，降低农产品发病率，有利于提高农产品品质和产量，可有效的促进农业生态系统物质的高效循环。

农作物秸秆资源化利用的关键在于高效、稳定的适宜厌氧反应器。在我国现阶段的秸秆沼气工程建设中，也多采用以PFR(VPF也属于该类反应器)和CSTR反应器为代表的连续流动式发酵装置[8]。这些反应器多由处理畜禽粪物的厌氧消化器改进而成，需对秸秆进行粉碎预处理，设备投资大，能耗高，且发酵物料进入消化器后，秸秆容易上浮结壳，若的总固体含量(TS)过高，便会造成发酵物料堵塞、无法正常进出料。

此外，农作物秸秆堆积密度大，收集和运输难，在没有政策的支持下，多数农户不愿主动收集处理，而采用露天焚烧——灰渣直接还田。秸秆沼气化利用在没有出现便捷的转化装置之前，节能的投入产出比不高，经济效益也不显著，即使有少量的政府补贴，也很难确保工程的长期稳定运行。

因此，解决现有工程建设与运行维护中存在的实际问题，优化厌氧发酵装置，简化操作流程，提高产气效率，是农作物秸秆沼气化利用在农村大面积推广的前提之一，其重点在于选择适宜的发酵装置材料和结构。

2 厌氧反应器的材料

厌氧反应器作为沼气工程建设的关键构筑物之一，罐体材料应该具有足够的承载力、防渗透能力、抗腐蚀性和良好的气密性。根据建造主要材料主要可分为钢筋混凝土沼气池、利浦罐(Lipp)、搪瓷钢板罐、红泥塑料沼气池和玻璃钢发酵罐。

2.1 钢筋混凝土反应器

钢筋混凝土厌氧反应器多采用圆筒结构，具有较好的防裂、抗压性能，此外，还具有耐久性好，维修费用低等优点，但建设、设计单元构件多、施工工序较多、建设周期较长[9]。钢筋混凝土厌氧反应器内壁一般要做到防腐防渗处理，且定期还需对内壁层进行补涂和修复，防止裂缝。随着沼气工程的新型材料不断研发，钢筋混凝土厌氧反应器的使用比例也层现逐渐降低的趋势。

2.2 利浦罐厌氧反应器

Lipp罐是应用金属塑性加工工艺中的加工硬化原理和薄壳原理，采用螺旋、双折边、咬口工艺和专用滚压、咬合、压紧成型设备来建造的圆形容器或罐体。利浦罐建造周期为同容量钢筋混凝土反应器的1/4～1/3，而且制作技术相对成熟，可现场建造，造价相对低，质量较好[9]。

利浦发酵罐采用机械化加工，罐体各项质量能达到相应的标准，工作强度小，施工难度比钢筋混凝土反应器低。但需要专用设备进行制作，对钢材的质量要求高—需要具有一定的塑性和抗腐蚀能力，现多应用于畜禽粪便沼气工程厌氧反应器，且建造池容不易过大，一般不超过5000 m3[10]。

2.3 搪瓷钢板厌氧反应器

搪瓷钢板是将无机玻璃质材料通过熔融凝于基体金属上，使其与金属牢固结合在一起的一种复合材料。其中，钢板起到主体框架的支撑作用，反应器表面的无机玻璃层作用为抗腐蚀和防止渗漏。

与传统的混凝土厌氧反应器相比，搪瓷钢板反应器具有施工周期短，造价低、质量高、易于设备化、产业化，其缺点是在螺栓连接处容易出现渗漏，施工现场的调整不便，整体强度较差[9]

2.4 红泥塑料沼气池

红泥塑料是在聚乙烯树脂中添加电解铝废渣后热压成型的，所含的氧化铁、氧化铝等在特定条件下还能够有效改善PVC耐老化和热稳定性[9]。红泥塑料沼气池的制作通常会在红泥塑料中间设置一层纤维夹网，形成红泥夹网膜，这样能增加红泥塑料的力学性能，同时，还可提高其抗拉和抗撕裂强度。根据其材料的特性，红泥塑料沼气池具有气密性好、强度高、伸长率高、易焊接、抗老化、耐酸碱、阻燃性良好、使用寿命长，易修补等特点。

2.5 玻璃钢厌氧发酵罐

玻璃钢即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体。以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料。玻璃钢是以玻璃纤维及其制品(玻璃布、带、毡、纱等)作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。其有以下优点：轻质高强、耐腐蚀、电性能好、热性能良好、可设计性好、工艺性优良。

玻璃钢厌氧发酵罐是采用多向纤维缠绕玻璃钢技术制作，具有优良的耐腐蚀性、耐热抗冻性，使用寿命长、安全可靠，且材料的强度和刚度优良，可承受高内压，解决轴向拉伸及弯曲问题，相对于传统玻璃钢材料更容易实现等强度和等刚度设计。

2.6 不同材料比较

随着沼气工程的建设增加和材料技术的发展，在反应器的施工和建设质量上都取得了很大的进展，各种材料反应器的优劣性有逐渐突显出来，如表2所示。

表2 不同材料构筑厌氧发酵反应器比较

由表2可知，沼气工程发展中出现的典型反应器制作材料和制作方法呈现多样化趋势。从加快沼气工程建设进度和推广难易程度来看，选择红泥塑料沼气池和玻璃钢发酵罐优势较为明显。首先，建设成本低；其次，罐体可批量化生产，产业化程度高，现场组装建设，可降低工程量；再则，易维修，寿命长。

3 秸秆沼气发酵装置

在此基础上，许多学者结合秸秆流动性差、易漂浮的物料特性，研究提出一些方法或发酵装置，以期提高秸秆发酵效果。其中具有代表性的反应器有：魏福友[11]等研制出的“压渣抗浮沼气池”，在秸秆物料上浮过程中设置隔板，使其浸没在料液中，而防止失水结壳，但对是发酵残渣的出料问题仍有待改进。吕建强[12]等发明了一种PJ-240型液壳破碎搅拌器，在沼气池里安装搅拌器，搅拌破坏结壳层，不仅破壳，还能使微生物与物料均匀混合，从而提高产气效率，但其运行能耗仍相对较高。张心才[13]等研制出了一种新型隧道式发酵装置，发酵原料放于料箱内，料箱内设有隔板进行分层，料箱在发酵池内处于悬浮状态，料箱壁为网格，料箱内的原料能与料液完全接触，气体通过网格排出来，这种发酵方式不仅能防止结壳，还利于沼渣外排，但该类反应器的进出料过程相对复杂，且传质效果仍有待改进。罗涛[14]等结合农作物机械化收割的趋势，开发了消化3～5 cm切割秸秆的高浓度沼气发酵装置，采用沼液循环回流方式破坏结壳层，混合原料与料液，提高产气效果。以防止浮渣结壳、提高物料传质和发酵效果、降低运行能耗投入、进出料顺畅、便于操作等方面为考虑依据，综合比较认为：“高浓度大颗粒秸秆沼气发酵装置”是现阶段较为可行的技术。

3.1 颗粒秸秆沼气发酵装置介绍

图1为高浓度大颗粒秸秆沼气发酵装置，通过发酵装置内部设计上、下两块筛板，把发酵装置分割为3个发酵区域。固体秸秆发酵物料停留在反应器中部，下部发酵区和上部发酵区为液体发酵区域，该结构可有效的防止浮渣上浮结壳，并使得秸秆完全浸泡在发酵液中，有效提高了发酵效率。回流底部发酵液至顶部喷淋，使发酵液在发酵物料内均匀渗透，实现厌氧微生物与发酵物料充分接触，同时通过发酵液在中部秸秆发酵床内的流动，带走秸秆酸化产生的有机酸，最终，在上、下两个发酵区域得到有效的转化，可有效防止中部秸秆发酵床内的有机酸积累；通过回流发酵微生物与新物料进行充分的接触，提高物料的消化效率。利用重力驱动装置，使固体发酵物料在重力和进料推动力的作用下，从上往下自行流动，而液体发酵物料则通过回流在反应器内快速的流动，以实现固体与液体的差速连续发酵。

1.贮液单元； 2.循环泵；3.排液管； 4.连通管； 5.回流管口； 6.重力推料器； 7.排渣口； 8.溢流管； 9.沼气管口； 10.进料管； 11.发酵罐； 12.水封区； 13.贮气区； 14.挡渣板环； 15.主发酵区； 16.液渣分离板； 17.次发酵区图1 高浓度大颗粒秸秆沼气发酵装置

秸秆原料(切割秸秆，粒度3～5 cm)通过重力推料器进入主发酵区，主发酵区和次发酵区设有液渣分离板将大颗粒秸秆截留在主发酵区，主发酵区里的沼液将秸秆原料中可溶有机物和细小有机颗粒带入次发酵区进行发酵，发酵完成后由排液管排出沼液；颗粒大的沼渣通过排渣口排出。由分析可知，该反应器可直接消化利用3～5 cm机械化收割的秸秆，与农业生产的结合度较高，且进出料相对方便，适合于我国农村发展的现在。但是，该装置通过液渣分离板对发酵残渣进行固液分离，液体容易排出，固体却具有较大的粘滞力，因此，通过斜板自流作用仍很难做到自动出料。

3.2 装置的改进设计

结合“高浓度大颗粒秸秆沼气发酵装置”的结构，进行出料系统优化，如图2所示。主要改进意见有两点： 1)设计为V型斜板，使得发酵固体残渣汇集于罐体底部(先放出部分沼液于循环液收集池，使沼渣沉淀到V型板的沟槽内)，再在V型沟槽安装的单向或者双向螺旋出料系统，待排出发酵液后，通过螺旋出料系统的携带力实现沼渣出料； 2)设计罐体为细高型，延长料液在罐体里的渗滤时间，提高固液分离效果。

图2 高浓度大颗粒秸秆沼气发酵优化装置

4 总结与展望

(1)农作物秸秆沼气工程在农村推广不仅可以减少秸秆焚烧所带来环境问题，还能转化成清洁的能源—沼气，发酵完成后的沼液沼渣也是优质的有机肥。所以农作物秸秆进行沼气发酵是防治环境污染，节约能源的有效方法。

(2)厌氧反应器材料由钢筋混泥土、钢板到搪瓷，再到玻璃钢塑料，不断在质轻，耐腐蚀，特定条件下可塑性强，易修理等方面突破，玻璃钢质轻、制作简单、耐腐蚀、易于批量化生产，有利于实现产业化发展和农村沼气工程的快速推动。

(3)农作物秸秆自身质轻，体积大，易上浮结壳，严重影响了其发酵效果，高浓度大颗粒秸秆沼气发酵装置采用带筛孔斜板分离固液，沼液循环回流，增加水力滞留期，料液多次循环提高传质效果。可提高整个系统的发酵效率和缓冲能力。

(4)随着科学技术的发展，农作物秸秆发酵装置材料和设计结构更加优化，运行问题得到更好的解决，农作物秸秆厌氧发酵沼气工程可普遍被农户接受，农作物秸秆的沼气化利用比例也将逐渐提高。

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[2] 谭万能"沼气大跃进"反思:10年投千亿 遭不同程度弃用[J/OL]http://biz.xinmin.cn/2014/12/25/26311133.html,2014-12-25.

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Construction Material Comparison and Structure Optimization of Straw Anaerobic Fermentation Device /

HUANG Hai-long1, 2, SHEN Fei2, LUO Tao1, MEI Zi-li1/

(1.Biogas Institute of Ministry of Agriculture, Chengdu 610041, China; 2. College of environmental Sciences, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China)

As a great agricultural country, there are serious environmental problems causing by large amount of straws. Biogas utilization of straw could effectively solve the problem. But the straw fermentation device exist many problems in terms of construction technology and reactor design. In this paper, different construction materials for straw anaerobic device were compared and analyzed, and glass fiber reinforced plastic was selected as suitable material for straw anaerobic device construction in rural area.

crop straw; fermentation device; material; biogas; structural optimization

2016-10-14

项目来源： 四川省科技计划项目(15ZC1450)； 中国农业科学院科技创新工程和国家科技支撑计划课题(2015BAD21B03)

黄海龙(1992-)，男，硕士，主要从事农作物秸秆的资源化利用研究工作，E-mail：948056064@qq.com

罗 涛，E-mail：327062574@qq.com

S216.4

B

1000-1166(2017)02-0086-04