半干式厌氧发酵技术调研.docx

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1、一、技术背景据测算，全国每年产生农作物秸秆 10.4 亿吨，可收集资源量约 9 亿吨，尚有 1.8 亿吨的秸秆未得到有效利用，多数被田间就地燃烧；规模化畜禽养殖场每年产生畜禽粪污 20.5 亿吨，仍有 56%未得到有效利用。沼气发酵技术能够有效处理农业农村废弃物、削减温室气体排放和雾霾产生、改善农村环境“脏、乱、差”状况等，留住绿水青山，是促进生态循环农业进展的重要举措。传统湿法厌氧制沼气工艺由于产生大量沼液，工程往往需要配套大面积种植园用来消化沼液，随着国家环保政策力度的加大，这也成为现阶段沼气工程进展的瓶颈。而半干发酵在处理过程中不产生污水或产生污水很少，无沼液或少量沼液消纳，发酵剩余物更

2、利于制成有机肥料，根本上可实现零污染物排放的模式， 同时相对干发酵具有肯定的流淌性，传热传质相对好一些，经济效益较好，能量呈正效应，受到业主的广泛关注。同时，2023 年全国农村沼气“”规划提出“气肥并重，综合利用” 统筹考虑农村沼气的能源、生态效益，兼顾沼气沼肥的经济。半干式厌氧发酵技术沼液回流无排放，沼渣含固率高有利于制成有机肥，能够很好地实现气肥联产， 且对于秸秆类原料，在罐内浓度到达 12-15%时，根本可以做到无漂消灭象，可以有效解决浮渣结壳等现象，因此对秸秆以及粪污类原料的半干式厌氧发酵技术开发符合国家进展政策和现实市场需要。综上所述，半干发酵厌氧技术由于沼液产量低在躲避沼液处理方

3、面具有得天独厚的优势，对于该技术的开发不仅能够满足沼气厌氧发酵工程的现实需求，同时也符合国家对于沼气工程的战略进展规划。二、技术进呈现状通过调研，目前国外干发酵技术主要以合能环境代理的奥地利 THONI 公司、湖北绿鑫使用的德国 Biogastechnik SUD 公司以及 BIOFerm Energy Systems 公司两相厌氧为代表的技术，国内济兴 JACN 的半干发酵技术在嵩明县大型蔬菜废弃物处理案例中实现了落地。主要的争论机构有清华大学、河南农业大学、辽宁省能源所、沼科所等。2.1 国内外半干发酵技术现状1、奥地利 THO NI 公司Naturgas 半干发酵技术奥地利 THONI

4、公司半干发酵工程案例国内无，工艺路线如下：图 1 工艺流程图有机废弃物经过预处理后，通过进料箱/物料坑存储，以固态或液态的形式， 通过螺旋输送装置或泵不连续地输入发酵罐，进罐后经过专利桨式搅拌机慢速均匀地充分搅拌充分发酵。目前在欧洲已建有不到 100 座半干式发酵沼气工程，其中 THONI 公司有 80 余座。奥地利 THONI 公司目前的半干式工艺主要承受中温42发酵，水力停留时间 54 天，依据对方供给的实际案例运行状况了解到，一年处理 42023 吨TS32%，VS90%的秸秆原料，中温发酵，进料秸秆长度 10cm 以下，可到达 560m3/tVS 的产气率，56.2%的甲烷含量；厌氧罐

5、体尺寸为35*H8，总容积 7200m3，罐内TS 为 15%，配套 5 台 15kw 的搅拌机。搅拌机直径 7m，搅拌机转速为 2-6 转/分， 可到达节能、物料均一、消退分层的效果，一般承受低速连续搅拌。进料分 2 个，每天进料 24h 连续。进料系统和搅拌装置如以下图：图 2 进料系统图 3 搅拌机2、德国 Biogastechnik SUD 公司德国 Biogastechnik SUD 公司半干式厌氧发酵技术在国内有 1 处，绿鑫工艺路线如下：图 3 工艺流程图秸秆用铲车输送至进料箱，干牛粪含固率 25%和秸秆在进料箱直接混合， 通过抓料杆和螺旋输送机送入反响器，浓低度的猪粪等物料含固

6、率 7%直接泵送至反响器。厌氧为两级发酵，均为 25 天，温度 53.5，一级出料浓度 15-18%。沼气用于发电，沼液沼渣通过固液分别机后液体回流，固体经好氧发酵做有机肥。进料系统和搅拌装置如以下图：图 4 进料系统图 5 搅拌装置绿鑫工程主要技术细节和关键数据（1） 收储运系统l 原料主要为玉米皮和玉米芯，物料含水率 40%玉米秆留在田地里，腐败还田。目前收购价格为 100-150 元每吨，托付第三方收运方式。牛粪 TS25%， 购入价格为 60 元/吨。l 堆场共五个储槽，尺寸为 50*20*3，每个储存 2023 吨，共储存 10000 吨。l 玉米芯和玉米皮粉碎后直接进场黄储，进展铲

7、车压实堆存，然后进料前用旋切机进展现场粉碎，现场使用的是山东宇龙的设备，每小时处理量为 7-8 吨； 现场有个打捆机，但反响不好用，闲置状态。l 秸秆用铲车输送至进料箱，干牛粪 TS25%和秸秆在进料箱直接混合，浓度低猪粪的直接泵送至反响器现场反响猪粪含固率为 7%。（2） 进料系统：l 秸秆用铲车输送至进料箱，干牛粪 TS25%和秸秆在进料箱直接混合，浓度低的直接泵送至反响器含固率为 7%的猪粪。l 进料箱：容积 40 立方，储料约 10 吨；一端为 2.2 千瓦液压站挡板推送，液压缸为三缸二级推送；另外一端竖向设置三套 7.5 千瓦喂料机，底部一条 15 千瓦有轴螺旋进料，深入罐内约一米；

8、进料口距罐顶约2.5 米，电机减速机为诺德；进料箱底部六条腿，均设置质量传感器，两端各设置显示屏一个； 现场操作按钮盒均为进口。l 秸秆铲车至进料箱后，全自动进料，不再人为干预，目前每天进料为四箱； 每天进料秸秆 28-30 吨，进料秸秆含固率 60%，沼液回流 60 吨，含固率 5%， 折算进料浓度约 23%；一天至少 48 次进料，现场实际看自控，一级罐为进料5 分钟，间隔 15 分钟，折算每天进料 72 次；l 湿猪粪含固率为 7%，利用 wangen 螺杆泵直接顶部进料，一二级均设置进料口，猪粪池设置超声波液位计；猪粪池顶部设置黑膜塑料密封。进料泵后段没有流量计，通过螺杆泵工作时间掌握

9、。图 6 左：电机减速机为诺德；右：猪粪池顶部（3） 厌氧系统：l 罐体规格为直径 20 米，高 8 米，其中地下 5 米，壁厚 240mm；一期罐体 20 米直径，二期罐体直径22 米；罐体2400 总容器，有效容积2200 左右，液位高度 7.2 米中心设混凝土立柱，用于支撑生物脱硫床，脱硫床为 8.5 米左右橡木骨架，顶部铺设木板，可以承重人员；保温为挤塑板；l 两级厌氧发酵：一级反响器罐内及出料浓度 15-18%，二级反响器出料 11-12%，现场反响最正确温度为 53.5，中控显示 54；产气占总产气量的 50-60%；l 总停留时间 55 天，总产气 7000 立方，甲烷浓度约 5

10、0%，硫化氢 11-18；l 没有单独的破壳和沉沙排解装置，估量五年清罐一次。l 罐体搅拌机：一级反响器设置 15 千瓦搅拌机三台，搅拌轴长约 6 米，直径4.2 米，安装高度两台为 5.05 米，运行是可露出液面 0.2 米；一台为 3 米； 搅拌机罐内设置机械支撑，罐内轴承设计寿命20230 小时及罐壁的密封机构进口，搅拌机为工频软启动，转速 10r/min，现场表示 16 年 10 月开头运行至今无故障。一级搅拌工作 10 分钟，间歇 8 分钟；二级反响器设置搅拌机两台，一高一低，搅拌机搅拌 5 分钟，间隔 15 分钟；其余同一级。l 罐体保温：罐体保温挤塑板；加热盘管为预埋 PE 管道

11、，一级反响器两进两出，一级反响器一进一出，利用发电机余热产生的热水通过板式换热器换热。l 罐体细节借鉴：视镜为钢化玻璃材质，设有探照灯，设有遮光帘；转刷效果明显。l 气柜：气柜为单层膜，黑色，厚度约 2mm，较我司膜材弹性佳，手感好；气柜容积 600 立方米；气柜安装方式类似预埋凹槽，膜材用冲压式密封圈挤压密封。气柜顶部有一条限位网带，与正压保护器联动；l 其他：两个反响器之间设置两条沼气连通管；沼气管道顶部出气，汇总后地埋至发电机房，通过杭州力诺精过滤器后进去发电机。l 出料：利用 wangen 螺杆泵从一级反响器泵送至二级反响器，螺杆泵进出料口均设置数显压变；泵进口堵塞，产生负压时，螺杆泵

12、反转冲洗。冲洗三次， 三次解决不了，报警！l 空气脱硫，两个反响器均设置空气脱硫；脱离效果很好，后段硫化氢 11-18。（4） 固液分别：l 二级反响器利用螺杆泵泵送至固液分别机；l 出料口高度距池底为 2 米；l 进展固液分别，固液分别机与出料泵联动，出料沼渣 25-30%，沼渣露天堆放；l 沼液 5%浓度进入沼液储罐，其中回流 60 吨；l 固液分别机设有缓冲罐，超出负荷局部溢流至沼液管道。固液分别管道有超越管。l 沼液通过螺杆泵外排或回流。螺杆泵回流与进料系统联动。图 7 固液分别单元3. BIOFerm Energy Systems 公司BIOFerm 公司承受两相厌氧发酵技术，具体工

13、艺流程图如下：其次相 COCCUS第一相EUCO图 8 两相厌氧发酵（1） 预处理及进料系统：预处理承受锤式粉碎机和割草机，后者可加工长度达 60mm 的草料，一次可装载 10%的 100mm 草料。进料系统的料斗底部为活动地板，由液压驱动刮板组成， 用于卸料松散的原料。为了防止渗漏，削减腐蚀，降低耙子的摩擦阻力，活动地板安装在专利的耐酸、耐磨 PE 盆中。图 9左：PASCO 进料技术;右：预处理承受锤式粉碎机（2） 厌氧系统：图 10 左：第一相为 EUCO 发酵技术；右：其次相为 COCCUS 发酵技术两相厌氧发酵，第一相为 EUCO，其次相为 COCCUS。EUCO技术为卧式桨叶搅拌器

14、，可将固体原料与预发酵材料混合在一起，搅拌器由一个 3kw 行星驱动装置两端驱动，主要起到水解的作用，为其次相供给良好的中间产物，同时产生50%的沼气。第一相进料 TS 为 15-20%，平均停留时间 25-35 天。COCCUS技术作为其次相，主要作用为产沼气发酵罐，罐体容积可做到500-4000m ，罐壁加热，承受REMEX 桨型搅拌器，缓慢连续运转。TS12%，处理力量 15-30t/d。适用于一相或两相发酵，没有沉淀层和浮渣层。通过变频掌握系统可以设置最正确速度和最小能耗，承受自润滑聚酰胺轴承。为气柜、生物脱硫一体化罐体。EUCO 反响器容积净 尺寸长*宽*高气柜储存搅拌器 引入原料C

15、OCCUS 反响器搅拌技术尺寸额定功率额定电压频率额定转速电动机 驱动类型搅拌轴搅拌机速度范围2*200m34*7*625m大桨式混合机，4kw 驱动额定功率每个 不同沼渣与污泥、可再生物料、副产物、生物废弃物等组合发酵REMEX3m/3.5m/4m/5m7.5 kW (13 kW)* 230 V (400 V)* 50 Hz (87 Hz)*970 rpm (1700 rpm)*行星传动装置 219 mm2.3 10.6 rpm (approx. 6 rpm at 50 Hz)4. 济兴 JACN 半干发酵大型蔬菜废弃物处理案例嵩明县是全省 24 个重点蔬菜基地县之一，据统计，嵩明县每天要产

16、生近 1500 吨废弃菜叶，顶峰期可达 3000 多吨。工程占地 81.37 亩，分为两期建设，总投资 3.4 亿元，是国内首个全封闭厌氧处理废弃果蔬工程。已于 2023 年 6 月至 2023 年 6 月开工竣工。本工程厌氧设施占地面积约 8 亩，单个发酵罐 3300 立方米，共 4 个，中温发酵 35。承受半干式沼气发酵工艺，日处理1200 吨废弃果蔬，沼气日产量约24000 立方米，年处理 39.6 万吨废弃果蔬；每年生产约 565 万立方米生物自然气、17160 吨有机肥料、20230 吨液体肥料。整个装置包括进料系统、预处理系统、厌氧发酵系统、脱水系统、沼气净化-储存系统、污水处理系

17、统。蔬菜废料运抵工厂后，首先进入预处理系统裂开脱水。蔬菜压榨液进入液 IC 罐进展发酵处理，沼液经过净化后污水处理后进入嵩明县污水处理厂。图 11 嵩明半干发酵现场5. 三种工艺比照分析序 项 奥地利 THONI 号 目 公司集揉搓、混料、进料于一体，三个接口可选择性接入其他液德国Biogastechnik SUD 公司BIOFerm 公司进料系统由料斗、液压活动地板、提升螺旋、比照分 可借鉴点析THONI公司进进 体料或者沼液料 回流，自动化程1 装 度高，具备单个备 螺旋称重功能， 对秸秆进料尺40-76m3尺寸，固 松散螺旋、体进料，液体需要 喂料螺旋组另外管道进入，具 成，具备称备称重

18、功能，对秸 重功能秆尺寸要求 10cm寸要求低10-20cm 均可，泥土含量10%以下适应性强。四台搅拌机同三台搅拌机在不第一相承受卧式搅拌，THONI公司搅一水平面布置，同水平面布置，功其次相承受拌机刚功率 11kW/h，15率 15kW/h，10 年桨式搅拌，性强，年寿命，适应浓寿命，适应浓度连续缓慢搅功率度 15%以下，转15%以下，转速拌，转速低，造速 2-6r/min，齿10r/min，间歇搅6r/min，行价高；轮驱动，一台120 万拌，齿轮驱动，一台 50 万星驱动SUD 公司搅拌机相对以下料装备功能多样，且自动化程度高1、功能多样化2、设备布置紧凑3、智能化程度高1、可在不同水

19、平面搅上布置2 拌2、间歇搅机拌3、转速低功率小两相中温高温发酵 53，40，中温发酵 42，停留时间 55 天，第一相进料工停留时间 54 天，两级发酵，两级罐TS 为艺两级发酵，进料的停留时间一样，15-20%，第分浓度 20%以下，进料浓度 23%，罐二相进料一析罐内浓度 15%，内浓度 15%-18%，般 12%，且集沼液回流沼液回流，罐内空成气柜存储气脱硫与生物脱硫于一体简陋，造价低3均承受 1、两级发两级发 酵酵，SUD 2、停留时公司为 间 55 天高温发 3、高温发酵，沼 酵气厌氧 4、罐内罐内空 TS15%气脱硫 5、空气脱硫2.2 搅拌方式SpiraloSchwankoHy

20、dromixer垂直搅拌机 塞流搅拌机搅拌效率高黏介质低黏介质密1. STEVERDINGR HRWERKSTECHNIK 公司搅拌机类型+机械密封机械密封机械密封密封胶，带密封介机械密封封(模块化可扩展)(模块化可扩展)(模块化可扩展)质(如油)(模块化可扩展)15kW,22kW15kW,22kW15kW,22kW1 45kW2.2kW,15kW电机最7.25kN,10.55大kN桨叶推6.9kN,10kN6.9kN,10kN0.2 46kN219.2N,548N力10 /min10 /min10 /minm/h10 7186m /h1 /min400/min132m/min132m/min

21、132m/min69 10057.85m/min,m/min15.71m/min置31,800m /h12,300m /h13,180m /h2023 6350换体积/h 速度周向速1512m /h,度4m4.2m4.2m0.8-4.2m2.5-4.7m搅拌直径14,500Nm,扭21,100Nm矩14,500Nm,21,100Nm14,500Nm,21,100Nm80 45000Nm20588Nm,140375NmTS可达 11%可达 15%可达 13%可达 15%可达 25%+：格外适合2. 其他搅拌方式及比照除了上面提及到的各种水平桨式搅拌外，还有如下几种搅拌方式：图 12 多种搅拌器简

22、图A:卧式桨式搅拌器；B:立式桨式搅拌器；C: 可调螺旋桨搅拌器；D:旋转臂螺旋桨搅拌机；E:立式液力混合器 F:立式气体扰动搅拌表 多种搅拌方式比照搅拌方代表公司优点缺点式桨式搅拌泵式搅拌SUMA旋转臂螺旋桨搅拌机； STEVERDINGRHRWERKSTECHNIK；biogas-hochreiter立式桨式搅拌器； EisenmannT 型卧式搅拌器Vaughan 公司的 Rotamix承受合理的低功耗电机 电机安装在外部，使用便利 无需定期修理(只需涂油等)；搅动速度慢，大型叶片装置最大限度地降低了机械故障的风险没有移动、转动部件密封良好； 泵装置安装在 外部，便于正常使用某些物料可能

23、发生分层；安装本钱高，由于必需保持气/液密封；假设故障，则需要停顿发酵，以便拆卸或进展修理喷嘴可能会随着 时间推移而堵塞， 这将降低混合性 能并增加电力成 本；在没有清空反长矛气体搅拌气泡枪搅拌 气/液搅拌Siemens 公司的 PearthCannon 公司的 Gas BubbleLandia 公司的 GasMixTM压缩机像大多数管道一样安装在外部，降低了维护要求；在一些系统中，还供给了一个单独的混合室，可以从罐外进入进展维护应器的状况下，不得清洗内部喷嘴本钱比其他系统稍贵一些；图 13Eisenmann 公司高含固 T 型卧式搅拌机3. 专利检索欧洲专利EP2659959B1，一种可升降

24、的轮式搅拌器，见以下图：图 14 可升降的轮式搅拌器一种用于秸秆厌氧发酵的系统搅拌装置CN 205088241 U：发酵罐体上设置多个立搅拌器及多个侧搅拌器，能形成优化的轴向和周向流场，使整个发酵罐内介质混合均匀，并且无死角消灭。图 15 立搅拌器及侧搅拌器组合三、半干发酵根底争论1. 印度尼西亚 Bogor 农业大学印度尼西亚和马来西亚等热带地区盛产棕榈，棕榈经过提油后被用作菌基， 蘑菇栽培后的固体废物有机物含量达 25.56%，农业资源治理学院的 Purnomo 博士利用这些废物进展干式厌氧发酵体系 TS24%和半干式厌氧发酵体系 TS 17%的产沼气试验，经过 65 天的试验探究，得出以

25、下结果：干式发酵和半干式发酵降解后的 C/N 比分别下降 5.27%和 19.31%，半干发酵的沼气产量为 18.6L/kg 原料，131.85 LCH /kgVS，气体组成为甲烷 40.69%，二氧化碳 49.96%，氮气 7.58%；4干式发酵的沼气产量为 5.98L/kg 原料，38.71 LCH /kgVS，气体组成为甲烷 35.58%，4二氧化碳 46.12%，氮气 17.31%。菌菇渣经过半干发酵和干发酵过程后，C 含量分别降低了 26.88%和 23.44%。纤维素分析结果显示干发酵后物料的半纤维素、纤维素和木质素分别降低 6.00%、10.60%和 6.74%；经过半干发酵，物

26、料的半纤维素、纤维素和木质素分别降低 9.26%、13.02%和 9.28%。说明半干式发酵相对于干式发酵有更好的进展前景。2. 意大利半干式厌氧发酵工程1991 年，意大利学者取得了半干式发酵工艺的专利；自 1990 年至 1999 年， 威尼斯大学和维罗纳大学的争论小组通过批式和中试试验针对过程优化、运行条件和获得效果进展了长达十年的争论，其中使用半干式发酵工艺处理市政有机固废，进料TS 为 20%，产气量到达230m3/tVS，容积产气率为2.1m3/m3d，有机负荷OLR 为 9.2kgVS/m3d；1999-2023 年期间，在意大利的维罗纳开头了高温半干式发酵的工程实践，工程包含

27、4 个 2023m3 连续搅拌的 CSTR，用于处理市政固体有机废弃物，进料 TS 在 10%-20%之间，目前稳定运行，可实现 500t/d 的产能。3. 印度 Cochin 科技大学2023 年，Cochin 大学学者以市政有机废弃物为原料，通过批式试验进展高温半干式厌氧发酵工艺的运行效果及产气动力学争论，结果说明经过 45 天的发酵，底物的 VS 被降解了 66.7%，产气量到达 52.9m3/tVS。其他条件全都的状况下，半干发酵最大产气顶峰消灭的时间比干发酵产气顶峰早 1 周，同时觉察 TS 含量增大，产甲烷量反而降低，由于低含水量和高 TS 会抑制产甲烷菌的活性， TS 18时获得

28、最高甲烷产量。同时争论说明半干式发酵之后原料的纤维降解率高于干发酵，分别高出 15.6%、8.43%、13.87%。4. 发酵温度有证据说明，高温发酵可以提高发酵效率 (del Real Olvera and lopez, 2023)，近年来，高温 HS-AD 在很多全尺寸系统中被证明是牢靠的，与中温发酵相比，其沼气产生率提高了 30-50%(De Baere and Mattheeuws, 2023)。据文献报道，在美国的城市有机固体废弃物的高温厌氧发酵占现有处理力量的绝大多数(95%) ，由于高温厌氧发酵可提高的效率且有证明显示具有良好的稳定性，因此其估量仍将是主导的发酵类型Univers

29、ity of South FloridaScholar Commons, High-Solids Anaerobic Digestion of the OrganicFraction of Municipal Solid Waste State of the Art,Outlook in Florida, and Enhancing Methane Yieldsfrom Lignocellulosic Wastes。对于氮含量高C/N 低的原料，由于在高温条件下，游离氨的浓度比在中温条件下高，抑制作用更强，发酵不稳定。四、应用前景依据规划，目前，全国可用于沼气的农业废弃物资源潜力巨大。农村沼气

30、原料主要包括农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工剩余物、蔬菜剩余物、农村有机生活垃圾等。据测算，可用于沼气生产的废弃物资源总量约 14.04 亿吨，其中，秸秆可利用资源量超过 1 亿吨、畜禽粪便可利用资源量超过 10 亿吨、其他有机废弃物可利用量超过 1 亿吨，沼气生产潜力约为 1227 亿立方米。随着经济社会进展、生态文明建设和农业现代化推动，沼气生产潜力还将进一步增大。其中：农作物秸秆。主要包括玉米、水稻、小麦、豆类、薯类等作物秸秆，2023 年作物秸秆的理论资源量为 10.4 亿吨，可收集资源量约 9 亿吨，主要分布在华北平原、长江中下游平原、东北平原等 13 个粮食主产省自治区。作为肥料、

31、饲料、食用菌基料以及造纸等用途共计约 7.2 亿吨，可供沼气生产利用的秸秆资源量约 1.8 亿吨，沼气生产潜力约为 500 亿立方米。畜禽粪便。主要包括奶牛、肉牛、生猪、肉鸡、蛋鸡等畜禽的粪便。2023 年， 全国现有猪、牛、鸡三大类畜禽粪便资源量为 19 亿吨。目前，粪便堆肥化处理量约为 8.4 亿吨，可供沼气生产利用的畜禽粪便资源量约 10.6 亿吨，沼气生产潜力约为 640 亿立方米。其他有机废弃物。主要包括农产品加工副产物、蔬菜尾菜、农村有机生活垃圾等。2023 年，全国粮食加工副产物米糠、稻壳、玉米芯、糟类总量约 2.1亿吨，可供沼气生产利用的资源量约 0.2 亿吨；全国果蔬加工废弃物总量约 2.6亿吨，可供沼气生产利用的资源量约 1.14 亿吨；全国农村有机生活垃圾总量约0.8 亿吨，可供沼气生产利用的资源量为 0.3 亿吨。其他有机废弃物可利用量共 1.64 亿吨，沼气生产潜力约为 87 亿立方米。半干式厌氧发酵技术适用于秸秆、畜禽粪便等多种原料，依据以上数据该技术将消灭巨大的市场需求。依据每 100 吨有机废弃物 1000 万元的设备投资额、市场占有率 1%的保守估量，农作物秸秆 1.8 亿吨，畜禽粪便 10.6 亿吨，仅这两种原料即可达 1.24 亿元的市场规模。