秸秆气固燃料二元联产的可行性与经济性研究.doc

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1、秸秆气固燃料二元联产的可行性与经济性研究摘要：以玉米秸秆和水稻秸秆为研究对象，通过测定二者厌氧发酵后的沼气、沼渣产量及热值，探讨秸秆气固燃料二元联产的综合能源利用效率与经济效益。结果表明，由于发酵后秸秆沼渣中木质素含量增大，沼渣热值也有所增大；沼渣成型燃料密度、机械耐久性等特性均优于原秸秆；秸秆气固燃料二元联产综合能源利用效率较秸秆直接燃烧可提高40%50%（以发电量计）；因免除收集、运输和粉碎等成本，秸秆沼渣生产成型燃料的综合成本较秸秆压块单独生产模式可节省46.4%。引言在众多秸秆处理方向中，能源化处理一直倍受关注，这主要源自于化石能源的不可再生和全球日益紧张的能源危机问题。利用厌氧发酵法

2、将秸秆转化成甲烷和直接将秸秆压缩成型作为固体燃料均是秸秆能源化的重要途径1,2。然而，因秸秆中半纤维、纤维素与木质素三者在植物细胞壁中以相互缠绕的聚集体形式存在，很难被微生物降解利用。因此，秸秆在进行沼气发酵后仍残留进料质量约50%的残渣（俗称秸秆沼渣），其成分以木质素和结晶纤维素为主。秸秆沼渣的处理及应用一直是影响秸秆沼气工程快速发展的重要问题之一。目前对秸秆沼渣的处理及利用方式多种多样，如与畜禽粪污混合堆肥、制作育苗基质和栽培食用菌等。然而，这些对秸秆沼渣的处理方式受地域、资源及生产需求的影响，处理能力十分有限，均难以满足大规模沼气工程秸秆沼渣的处理需要。生物质固体燃料是在一定物理条件下，

3、将农林废弃物压缩成型，制成热值高、燃烧充分的环保原料2。秸秆也可用于成型燃料的生产，但因收集、运输和粉碎等过程的复杂性和高成本，秸秆成型燃料的发展一直较为缓慢。近些年，有研究学者提出利用厌氧发酵方式改性秸秆，获得的秸秆沼渣成型特性更优。杨世关等3研究表明，玉米秸秆经厌氧发酵后木质素含量有所增大，这不仅使秸秆沼渣热值有所提高，同时也更利于压块成型。国外研究学者也提出4，沼渣燃料燃烧后，灰渣中含有大量的P、K、Ca等无机元素，可将其制作成高营养含量的颗粒肥料。此外，还有研究发现5，沼渣燃烧后，重金属元素主要分布在粗、气旋和过滤灰当中，从而可对重金属元素起到分离作用，特别是Cd.Pd.Zn和Hg等重

4、金属元素已被发现是高挥发性的，再冷凝后主要停留在过滤灰中。综上所述，因生物质成型过程中机械化程度较高，如将秸秆沼渣用于生产固体燃料，可实现秸秆气固燃料联产和秸秆沼渣高效处理的双重目的。然而，目前国内关于秸秆沼渣用于生产固体燃料的研究还较少。秸秆沼渣从产出后，需经过脱水、干燥及成型等多个环节，其可行性和经济性还缺乏论证。鉴于此，本研究选择玉米与水稻两类代表性秸秆为研究对象，通过沼气发酵、沼渣挤压脱水、沼渣成型、热值测定及能量转化效率等过程的研究分析，试探索秸秆气固燃料二元联产的关键问题及其可行性和经济性。旨在推动沼气发酵与生物质成型两类秸秆能源化方式的有机结合。1材料与方法1.1材料玉米秸秆与水

5、稻秸秆均收自华中农业大学校内试验田，秸秆经晾晒后，切碎至3cm以下。其中，玉米秸秆的茎部需纵向劈裂成48份。厌氧发酵接种物取自实验室厌氧发酵中式装置(有效容积400L；发酵底物为猪粪；运行温度(351)；pH值7.580.15；悬浮物固体浓度浓度(47.51.71)g/L。1.2沼气产量测试沼气产量测试采用瑞典AMPTS-II全自动甲烷潜力测试系统，每个反应器容积为500mL。为了考察某种物料的最大产气潜力，一般采用湿法批式厌氧发酵方式进行测试，发酵周期为1530d。测试前，每个反应器中装入400mL接种物和10g秸秆，混合后反应器内物料的干物质浓度在7%8%之间，接种物与秸秆的比例约为2：1

6、(以干物质计)。发酵温度设定为(351)。1.3沼渣产量测算将秸秆发酵后的剩余物进行固液分离，然后再用清水将秸秆发酵残渣洗净(洗去秸秆表面附着的污泥)。洗净后的秸秆经风干和烘干后，测其干重。沼渣产率r()可由式计算得出：1.4秸秆能量利用效率计算秸秆经生物发酵制气和沼渣制备固体燃料后，其气固燃料联产的总热量得率Q(MJ/kg)可由式(2)式(4)计算得出：1.5分析方法干物质含量(DM)采用电热鼓风干燥箱、箱式电阻炉，并根据标准方法测定6；pH值采用实验室用数显酸度计PHS-3C测定；纤维素、半纤维素和木质素含量采用美国ANKOM200纤维素分析仪按照范氏法(Van Soest)测定切；生物质

7、固定碳、灰分和挥发分的含量根据GB/T2122008中缓慢灰化法进行测定7；沼渣热值分析采用HYHW-8A弹热式量热仪(河南，鹤壁)测定；生物质成型采用试验型成型机进行，条件为6MPa，100成型燃料的机械耐久性测试，包括抗铁碎性测试和抗渗水性测试，其测试方法参照文献8。2结果与分析2.1秸秆发酵特性本研究采用批示厌氧发酵方式分别对玉米秸秆和水稻秸秆的产气潜力进行测试，发酵试验共计进行30d，秸秆的沼气与沼渣产率以及主要组成成分的变化如表1所示。由表1可知，获得的玉米与水稻秸秆最大累计产气量分别为0.324m3/kg和0.350m3/kg，沼渣产率分别为53%和48%。发酵前后，玉米和水稻秸秆

8、的理化参数和工业分析参数均发生一定变化。发酵后秸秆中纤维素与木质素的含量均有所升高，这是由于二者在厌氧发酵过程中难以被降解而易降解物质被大量去除而导致的；由于木质素的热值远高于碳水化合物，因此秸秆沼渣的热值均有所提升，玉米与水稻秸秆沼渣的热值分别提升了6.5%和5.1%，固定碳含量升高也表明单位质量沼渣的放热量更大。沼渣灰分含量较原秸秆有所上升，这在燃烧过程中可能更易出现结渣现象。此外，研究表明，生物质中木质素含量越高，成型特性越好9，因此沼渣中木质素含量升高也有利于其成型压块。2.2秸秆沼渣成型燃料特性分析将发酵获得的玉米和水稻秸秆沼渣分别进行压块成型试验，与未发酵的秸秆进行对比。重点考察秸

9、秆沼渣成型燃料松弛密度、热值及机械耐久性等指标的变化情况，其结果如表2所示。如表2所示，无论是玉米秸秆还是水稻秸秆，发酵后沼渣的成型密度均有所升高。这与杨世关等3的研究结果类似，厌氧发酵能提高秸秆的成型密度，且发酵得越彻底，沼渣的成型密度越高。机械耐久性试验也符合此规律，即沼渣的机械耐久性能更优。在抗铁碎性实验中，所有实验组的失重率均小于5%，般认为，失重率大于10%的成型燃料不易于反复搬运及长途运输8。秸秆沼渣成型后的失重率更小，这主要由于其成型密度更大和木质素含量较高。研究表明9，木质素在高温高压状态下会改变其自身的分子排列结构，从而达到使生物质重新塑形的目的，因此木质素含量越高越有利于生

10、物质成型。在抗渗水性测试中，所有实验组的成型燃料完全分解所需时间均在5h以上，且秸秆沼渣的抗渗水性优于秸秆直接压块。以上实验结果表明，秸秆经厌氧发酵后，秸秆沼渣成型燃料的物理特性更优。2.3秸秆气固燃料二元联产能量利用效率将表1中秸秆产气率、秸秆沼渣产率和固体燃料热值等数据代入式（2）式（4），可得1kg干基秸秆直燃和气固燃料二元联产所释放的总热量和发电量。如表3所示，如果直接对比发热量，1kg干基玉米和水稻秸秆的直燃发热量均高于气固燃料二元联产的总发热量，但如果换算成发电量，秸秆气固燃料联产则更具优势。1kg干基玉米秸秆气固燃料联产的总发电量为1.11kWh，比直燃发电高约42%；而水稻秸秆

11、气固燃料联产发电为1.09kWh，比直燃发电高约50%。这是由于燃气发电机组的转化效率远高于“锅炉+汽轮机组”模式的热电转化效率，因此在秸秆气固燃料联产过程中，产气越多其整体发电量也越高。2.4秸秆气固燃料二元联产的经济性分析在过去十几年中，单纯的秸秆沼气或秸秆成型燃料的能源化利用已被大量推广应用。秸秆沼渣压块与秸秆直接压块的最大不同是，前者的含水率较高，需干燥处理，这是秸秆气固燃料联产与传统能源化方式的主要差异环节。因此，在经济性分析中，重点讨论秸秆沼渣压块前的干燥成本。秸秆沼渣的含水率一般约为90%，需经固液分离、风干和机械干燥3个主要环节。以日消耗10t秸秆的能源站为例，每天产秸秆沼渣约

12、为50t（含水率约为90%），经螺旋挤压式固液分离机处理后可得沼渣12.5t（含水率60%）。因生物质压缩成型前含水率一般要求保持在20%以下，挤压脱水的沼渣仍需进一步干燥处理，则每天产12.5t脱水秸秆沼渣的干燥过程（初始含水率按60%计，终含水率按20%计）需去除水量y可由式（5）计算得出，据文献报道，每去除生物质中1kg水所需的热量约为3349.6KJ10，则干燥12.5t脱水沼渣（含6.25t待去除水）所消耗的总热量约为2.1104MJ。对秸秆沼渣烘干热源的选取上一般有2种方案：1）利用沼气发电烟气余热回收对沼渣进行烘干；2）采用生物质或沼气热风炉作为烘干的热量来源10。每日消耗10t

13、秸秆，平均约可产沼气3000m3，按沼气热值20MJ/m3和35%尾气可回收热量占比计，可从燃气机组尾气回收2.1104MJ/d的热量，刚好可满足机械烘干能量需求。如沼气不用于发电，干燥沼渣的热源可选择工程自产生物质成型燃料或沼气。此外，挤压脱水后的沼渣自由水含量高，且比表面积较大（已呈蓬松状态），此时纤维中的水分向环境解析速度也较快（气固界面湿差大）。因此，实际生产中，在机械烘干前可对高湿度沼渣先进行自然风干或晾晒处理，节约干燥能耗。表4为脱水沼渣经自然风干或晾晒后含水率降至50%和40%，再进行机械烘干所需的热量及消耗生物质或沼气燃料量。由表4可知，如在烘干前将沼渣自然风干至含水50%和4

14、0%，则所需机械干燥的热量可分别减少40.48%和66.67%，即烘干前物料的初始含水率每下降10%，机械干燥的能量需求减少约40%。无论是采用生物质还是沼气作为热源，其消耗量都会随干燥前初始含水率的降低而大幅减少，且完全可由工程本身产出的气固燃料供给。以风干到含水率50%为例，所需消耗生物质成型燃料或沼气的量分别为919kg/d和694m3/d（表4），分别约占到工程自身所产各自总量的1/5。因此，在实际生产中，可根据项目所在地的气候和场地等条件，对挤压脱水后的秸秆沼渣进行适当自然风干，可大幅降低后续机械干燥的成本。2.5秸秆直接压块和秸秆沼渣压块的经济效益秸秆直接压块，其成本因素一般包含收

15、集、运输、粉碎、干燥、压块电耗以及人工费用等。与之不同的是沼渣压块是在秸秆沼气工程的下游，可在沼气工程所在地建立压块车间，因此可免除前期收集、运输和粉碎等前处理工序。由于以上构成秸秆压块成本的主要因素大多为可变成本，因此测算依据主要参考文献报道11,12和实际调研成本的平均水平。秸秆直接压块与沼渣压块的主要成本构成如表5所示。秸秆直接压块成本约合280/t，其中秸秆收运及粉碎成本约占68%，而秸秆沼渣压块成本仅150/t，其中沼渣干燥费用约占40%。综合分析，沼渣压块较秸秆直接压块可节省46.4%的成本，节省的成本主要来自于秸秆前期的收运及粉碎过程（计入沼气生产工段）；按生物质成型燃料400/t的市场价格计，秸秆沼渣压块的净利润比秸秆直接压块高1倍以上，优势显著。以上成本分析是假定玉米秸秆收获后，其初始含水率在20%以下的情况。实际上，在收获季节，玉米秸秆的初始含水量大多在30%50%之间，同样在压块或燃烧前需进行机械干燥处理13,14。因此，如果与高湿秸秆原料对比，由于沼气发酵无需提前干燥秸秆，故而沼渣压块的成本优势更为明显。此外，因秸秆收获期较为集中，收储量较大，短时间内很难干燥大量秸秆，但直接储存易产生霉变，使秸秆热值下降，进而不利于秸秆直燃发电和生产成型燃料。而秸秆轻微霉变，某些真菌类微生物产生的纤维分解酶反而会改善秸秆纤维的生物利用效率。因此，如