利用沼液堆沤预处理改善秸秆热解气化燃气质量及气化效率的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用沼液堆沤预处理改善秸秆热解气化燃气质量及气化效率的方法，取自然风干玉米秸秆粉碎过筛，按固液比(即秸秆质量(kg)与沼液体积(L)之比)1:9～2:3加入沼液并混合，配成相对湿度90～60％的物料；将秸秆质量1～2％的尿素加入混合物料，使混合体系C/N为25～30；将混合物料容器密封，温度25～35℃，静置1～4d；将预处理后的物料取出固液分离，固体烘干得秸秆粉末并置于气化炉中气化，在气化炉尾部收集气化燃气。相比原秸秆，预处理后秸秆气化燃气热值提高0.35～1.93MJ/Nm

【技术实现步骤摘要】
利用沼液堆沤预处理改善秸秆热解气化燃气质量及气化效率的方法
本专利技术属于新能源
，具体涉及一种利用沼液堆沤预处理改善秸秆热解气化燃气质量及气化效率的方法。
技术介绍
生物质能是继煤、石油、天然气之后的第四大能源。我国生物质资源丰富，利用方式多样：一是热化学转化技术，获得木炭、生物油和生物质气化燃气等高品位能源产品，该方法又可按操作方法不同，分为高温干馏、热解液化、热解气化及水热液化等；二是生物化学转化法，主要指生物质在微生物的发酵作用下，生成沼气、乙醇等能源产品；三是化学转化技术，利用酯化法制备生物柴油；四是燃烧技术，包括炉灶燃烧技术、锅炉燃烧技术、压缩成型技术等。近年来，雾霾等环境问题受到政府高度重视，能源结构变革迫在眉睫，清洁燃气需求旺盛。从技术发展与应用推广角度，热解气化制备生物质气化燃气正逐渐受到广泛关注与重视。热解气化是一种现代化生物质能利用方法，能够快速、高效地将低品位的秸秆等生物质原料转化为高品位的生物质气化燃气。现阶段在热解气化技术的研究和生产利用过程中，存在燃气热值低、焦油含量高及气化效率低等问题，以上问题可从生物质特性优化(生物质预处理)、新型气化装置研发及气化工艺开发等几个方面进行克服。其中，生物质预处理技术可在源头优化原料特性，最为直接有效，研究较为广泛。目前，热解气化过程生物质预处理技术主要有干燥、热解、成型及烘焙。美国密西西比州立大学JinHu等指出，干燥预处理最为常用，生物质经干燥后含水率通常可以降至10％-15％。但预处理后的样品易受到外界环境的影响而再次受潮，且生物质自身低能量密度和堆积密度、不易研磨、高氧含量等特性仍未得到改善，气化特性改善不明显。荷兰乌德勒支大学的AylaUslu等计算评估表明，生物质热解、成型及烘焙预处理技术的处理效率分别为64％、84％及94％，处理每吨生物质所需费用分别为75-104、54及58€，三种技术比较，烘焙预处理技术具有很好的优势。浙江大学陈青等研究表明，烘焙预处理可以使生物质深度脱水，并且木质纤维素结构被破坏，有利于原料能量密度的提高及含氧量降低，该方法在一定程度上可改善合成气的品质及气化效率。但烘焙预处理会使原始生物质挥发分部分析出，造成较大的能量损失，烘焙固体产物的气化效率低于原始物料的气化效率。因此，开发新型高效且低成本的生物质热解气化预处理技术是非常有必要的。沼液是厌氧发酵后的残留液体，目前其应用多集中在肥用和饲料添加剂。但沼液应用存在一定问题，如沼液中的抗生素可能会对环境及人体健康造成潜在危害，故新型的沼液利用途径亟待开发。沼液富含多种酶及发酵微生物，可用于秸秆等生物质的堆沤预处理。沈阳农业大学李建等在文章《响应面法优化沼液预处理玉米秸秆条件的研究》中指出，沼液预处理显著降低了秸秆纤维素的结晶度，并通过扫描电镜发现，预处理破坏了秸秆表层结构，孔洞增加。印度GandhigramRuralUniversity的V.Kirubakaran等指出，生物质结构对其气化特性具有较大影响，高孔隙率可促进气化反应的持续进行，改善气化特性。北京化工大学方文杰在论文《通过堆沤预处理提高稻草厌氧消化产气量的实验研究与机理探讨》中指出，沼液堆沤预处理可破坏木质纤维素结构，并降解部分木质素和半纤维素。东华大学李梦洁等在文章《沼液预处理对玫瑰秸秆厌氧发酵产气特性的影响》一文中明确指出，沼液预处理对秸秆的纤维组分降解效果非常明显，木质纤维素的总降解率为9.36～22.10％。天津农学院的鲍振博指出，焦油主要是纤维素、半纤维素及木质素的裂解产物。因此，根据上述文献研究成果判断，沼液预处理可破坏秸秆表层结构，降低纤维素结晶度，使其更容易发生裂解气化反应，并有助于降低后续热解气化工艺副产物焦油的含量，从源头降低二次污染风险。秸秆的堆沤技术近年来发展日趋成熟，但通常采用催腐剂或速腐剂，且主要应用于堆肥还田。沼液堆沤预处理还处在实验室研究阶段，且常作为厌氧发酵产甲烷的前处理。截至目前，沼液堆沤预处理尚未见作为秸秆热解气化的预处理工艺。沼液堆沤预处理作为一种生物预处理技术，基本无成本投入，无需特殊设备且操作简单，具有较好的推广应用前景。沼液堆沤预处理的应用对促进热解气化工艺的工业推广具有很好的作用。将沼液堆沤预处理与热解气化工艺进行结合，并且这种结合对秸秆的热解气化燃气质量及气化效率改善产生了有益效果，是本专利技术的创新性所在。制备的生物质气化燃气可用于居民炊事、供暖及工业燃气锅炉供热或发电。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用沼液堆沤预处理改善秸秆热解气化燃气质量及气化效率的方法。通过沼液堆沤这一生物预处理方法，破坏秸秆的大分子结构及有机构成，有效提高热解气化燃气热值，降低气化焦油含量，提高气化效率。解决了现有热解气化预处理技术能耗高、成本高、效率低等难题。该方法以工业应用最广泛、成本最低廉的空气为气化剂，不限制气化炉形式，操作简单，制备的生物质气化燃气可直接用于居民炊事、供暖及工业燃气锅炉燃烧供热或发电，适合大规模推广应用。实现本专利技术的技术方案概述如下：一种利用沼液堆沤预处理改善秸秆热解气化燃气质量及气化效率的方法，包括步骤：1)机械粉碎：取自然风干的玉米秸秆，用粉碎机粉碎并过筛，小于0.9mm粒径的秸秆用于沼液堆沤预处理；2)沼液添加：取步骤1)粉碎过筛后的玉米秸秆按照固液比1:9～2:3的比例加入沼液，此处的固液比是自然风干玉米秸秆的质量(kg)与所加沼液的体积(L)比。将秸秆与沼液混合均匀，配制成相对湿度90～60％的堆沤物料；所述沼液为正常运行的厌氧发酵工程的液态排出物或堆沤预处理完成后固液分离后的液态产物；3)营养调节：取步骤1)粉碎过筛后玉米秸秆质量1～2％的尿素加入步骤2)的混合堆沤物料中，并搅拌均匀，使得混合体系的C/N达到25～30；4)密封保存：将装有混合物料的容器加盖或覆膜密封，温度25～35℃，静置1～4d；所述温度25～35℃实现可以但不限于水浴、恒温室、恒温摇床等。5)烘干并气化：将步骤4)堆沤预处理完毕的物料取出，进行固液分离，并将固体置于100～110℃烘箱烘干得到秸秆粉末。将收集得到秸秆粉末置于气化炉中气化，在气化炉尾部收集净化得到的气化燃气。所述固液分离包括但不限于离心、真空泵抽滤、手动挤压等。所述固液分离液体可继续用于其它批次的秸秆沼液堆沤预处理。所述气化炉包括但不限于固定床气化炉、管式炉等。所述气化炉气化温度为800℃，但在实际应用过程中可以进行调整，只要可以实现秸秆气化即可。与现有技术相比，本专利技术的可以达到以下有益效果：(1)本专利技术提出的利用沼液堆沤预处理改善秸秆热解气化燃气质量及气化效率的方法，操作简单，成本低廉。如图1所示，基本操作步骤包括机械粉碎、沼液添加、营养调节、密闭保存、固液分离、烘干并气化，整个过程无废物及污染物排放，具有较好的工业应用价值；(2)本专利技术提出的沼液堆沤预处理改善秸秆气化燃气热值、焦油含量及气化效率的原理在于，预处理后秸秆的表观结构及有机构成发生了变化。如图3所示，沼液堆沤预处理后秸秆的表层结构得到破坏，纤维结构坍塌，孔隙率增加，这有助于加强气化反应中传质传热效应，提高秸秆转化率。如图4所示，与原秸秆相比，沼液堆沤预处理后秸秆在衍射角2θ为22o左右的衍射峰向右偏移，秸秆的纤维结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用沼液堆沤预处理改善秸秆热解气化燃气质量及气化效率的方法，其特征是包括步骤：1)机械粉碎：取自然风干的玉米秸秆，用粉碎机粉碎并过筛，小于0.9mm粒径的秸秆用于沼液堆沤预处理；2)沼液添加：取步骤1)粉碎过筛后的玉米秸秆按照固液比1:9～2:3的比例加入沼液，此处的固液比是自然风干玉米秸秆的质量(kg)与所加沼液的体积(L)比。将秸秆与沼液混合均匀，配制成相对湿度90～60％的堆沤物料；3)营养调节：取步骤1)粉碎过筛后玉米秸秆质量1～2％的尿素加入步骤2)的混合堆沤物料中，并搅拌均匀，使得混合体系的C/N达到25～30；4)密封保存：将装有混合物料的容器加盖或覆膜密封，温度25～35℃，静置1～4d；5)烘干并气化：将步骤4)堆沤预处理完毕的物料取出，进行固液分离，并将固体置于100～110℃烘箱烘干得到秸秆粉末；将收集得到秸秆粉末置于气化炉中气化，在气化炉尾部收集净化得到的气化燃气。

【技术特征摘要】
1.一种利用沼液堆沤预处理改善秸秆热解气化燃气质量及气化效率的方法，其特征是包括步骤：1)机械粉碎：取自然风干的玉米秸秆，用粉碎机粉碎并过筛，小于0.9mm粒径的秸秆用于沼液堆沤预处理；2)沼液添加：取步骤1)粉碎过筛后的玉米秸秆按照固液比1:9～2:3的比例加入沼液，此处的固液比是自然风干玉米秸秆的质量(kg)与所加沼液的体积(L)比。将秸秆与沼液混合均匀，配制成相对湿度90～60％的堆沤物料；3)营养调节：取步骤1)粉碎过筛后玉米秸秆质量1～2％的尿素加入步骤2)的混合堆沤物料中，并搅拌均匀，使得混合体系的C/N达到25～30；4)密封保存：将装有混合物料的容器加盖或覆膜密封，温度25～35℃，静置1～4d；5)烘干并气化：将步骤4)堆沤预处理完毕...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈冠益，郭祥，马增辉，王祖琨，颜蓓蓓，程占军，马文超，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12