基于沼气化利用的生物质原料跨季节贮存方法和过程调控策略研究进展.docx
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1、基于沼气化利用的生物质原料跨季节贮存方法和过程调控策略研究进展摘要:作物秸秆等植物源生物质是生物天然气(沼气)生产的重要原料,但因其固有的收获季节性、时效性等特点无法满足可持续供给的生产要求,必需进行跨季节贮存。为更好地衔接生物质原料贮存与沼气化利用环节,有效整合沼气工程的上下游关系,评述了生物质常见的干法保存和湿法保存方法,并根据原料形态特征差异性着重总结了常规青贮、半干青贮、黄贮、混合贮存等湿法贮存技术的研宄现状,从乳酸菌剂、生物酶制剂、化学添加剂、复合添加剂等角度探讨了贮存过程的调控策略。最后,总结比较了青贮过程以及多元化调控策略对生物质原料产沼气(甲烷)性能的影响。目前,有关生物质青贮
2、和青贮原料厌氧消化工艺的研宄较为广泛,但由于生物质原料种类繁多,组分复杂多变,二者上下游之间的具体关联机制尚不完全明确,未来需要根据不同物料特性来揭示这种联系机制,并从源头上实现基于沼气生产的贮存过程调控,以期获得能量保存和能源转换的最大化。总之,湿法贮存是生物质原料长时间保存的重要方法,对生物天然气产业快速健康发展具有重要的科学价值和实际意义,沟通贮存与沼气发酵过程上下游之间的衔接机制是该领域未来的研宄发展方向。随着我国化石能源的日益枯竭和能源消费需求量的不断增加,低碳清洁的生物天然气(沼气)已成为能源与环境领域持续关注的研宄热点。生物天然气是有机废弃物原料经厌氧发酵和净化提纯产生的绿色可再
3、生、非常规天然气。我国作物秸秆、农产品加工剩余物、能源作物等农业剩余物资源丰富,是生产生物天然气的重要原料。根据全国农业和农村经济“十二五”五年规划、全国粮食生产发展规划(2006-2020年)和全国优势农产品区域布局规划(2008-2015年),综合考虑农业机械化水平明显提高造成秸秆可收集资源量的增长,以及秸秆综合利用率的变化,预测我国2020年、2030年、2050年可做能源化利用的农业剩余物资源量约合2.04亿吨、2.03亿吨、2.02亿吨标准煤,资源禀赋和利用潜力巨大。若将林业剩余物和能源作物等生物质资源计算在内,全国可作为能源利用的生物质资源总量每年约4.6亿吨标准煤。另一方面,生物
4、天然气产业发展己被纳入我国能源发展战略。国家能源局规划到2020年,我国生物天然气年产量超过20亿立方米,年处理农作物秸秆超过1000万吨、畜禽养殖废弃物超过2500万吨,其他城乡有机废弃物超过500万吨。到2025年生物天然气形成可再生燃气新兴产业,年产量规模超过150亿立方米,年处理农作物秸秆超过7500万吨、畜禽养殖废弃物超过1.8亿吨、其他城乡有机废弃物超过3000万吨。到2030年,生物天然气规模位居世界前列,年产量超过300亿立方米,年处理农作物秸秆超过1。5亿吨、畜禽养殖废弃物超过3.5亿吨、其他城乡有机废弃物超过4000万吨。生物天然气产业迎来了广阔的市场发展机遇。然而,作物秸
5、秆等农业生物质的获得具有明显的季节性与时效性,常导致原料累计收获总量远超过即时转化利用量的结构性矛盾,而且多数农业废弃物极易腐败变质而遭废弃、无法使用,给生物天然气的可持续生产带来挑战1。以我国北方地区为例,小麦、玉米等农作物的收获季节通常在7-9月份,季节性明显,时效性强。如果短期内无法科学及时地收割贮存,这些作物秸秆极易在氧气、游离糖和水分存在的条件下,因萎蔫、呼吸作用和附着微生物等因素引起大量的营养物质消耗,甚至腐败变质,致使秸秆难以转化利用。另一方面,收获粮食后的作物秸秆常被留置田间地头,自然风干过程会导致严重的木质纤维化,影响木质纤维结构解聚和大分子碳水化合物分解,进而导致能源转化效
6、率降低,生产成本升高。只有将季节性集中“上市”的生物质原料进行跨季节贮存,并根据原料状态差异性而选择不同的贮存方式,使其具备良好的贮存特性和贮存品质,才能保证生物能源开发过程中高质量原料的稳定供给。而且,贮存过程中还蕴藏有一定的生化预处理功效,有利于提高后续的生物质能转化效率2-3。因此,除了关注生物质原料的厌氧消化工艺优化之外,还应关注天然气工程中原料储(跨季节贮存)、用(沼气化利用)环节的衔接问题。原料贮存环节是保障原料能否可持续、高质量稳定供给的关键因素。一般而言,收获季节的作物秸秆中初始含水量通常都在50%以上,不易长时间保质贮存,而且原料的大量集中“上市”势必要求短时间内完成贮存,避
7、免延迟操作带来的水分、养分等损失,进而影响秸秆的利用质量。同时,作物秸秆易燃、易霉、易发生腐烂变质,贮存过程中存在热值损失和存料风险,所以贮存过程的要求也较为严格。另外,秸秆原料还具有亲水性强、能量密度低、产地分散等缺点,造成其在运输、处理、贮存以及作为能源利用的成本偏高,进而限制了秸秆的规模化利用。传统的生物质原料保存方法一般分为干法贮存和湿法贮存。本文综述了目前作物秸秆、农产品加工废弃物等常见植物源生物质贮存技术现状,介绍了干法贮存、湿法贮存的基本原理,着重分析了湿法贮存的类型、贮存过程调控策略及其对产沼气性能的影响,期望通过适宜调控方法的选择来实现高能源产出,为生物质原料的跨季节贮存和沼
8、气化利用提供参考。1生物质原料的贮存方法1.1干法贮存干法贮存是指借助自然通风、日照晾晒等自然风干方式降低生物质含水量的方法,当原料含水率低于15%-20%,才能置于室外或室内长时间保存。玉米秸秆(含湿量67%)晾晒50dd后含湿量才能降至15%,棉花、小麦秸秆约晾晒40dd左右;当秸杆含湿量降到临界值17%时,需耗用10dd(或更长)才能再下降1%-2%叭秸秆在遮雨通风条件下风干1个月,玉米秸秆含水率能从49.5%降到16.7%,油菜秸杆含水率从75.5%降到11.2%,棉花秸秆含水率从53.7%降到21%可见,传统的风干方式效率很低,无法满足秸秆的规模化利用,而且还存在依赖收获时间、气候或
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