秸稈的不同預(yù)處理方法生物制氫的能值比較

陳鳴岐,馬 濤

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,哈爾濱 150090;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院,哈爾濱 150090)

生物制氫中的發(fā)酵產(chǎn)氫與光合產(chǎn)氫相比,更具發(fā)展?jié)摿?從產(chǎn)氫的原料來看,除了葡萄糖、淀粉外,纖維素類物質(zhì)也可以作為生物產(chǎn)氫的原料.木質(zhì)纖維素是一個巨大的可通過微生物發(fā)酵作用將其轉(zhuǎn)化為能源的可再生糖類資源,對其進行預(yù)處理是成本最高的步驟[1].因此,本研究采用能值分析方法,以稻草和麥桿作為秸稈的代表物,對物理、化學(xué)以及物理化學(xué)預(yù)處理法進行了能值分析與比較.

1 預(yù)處理方法的分類

機械粉碎法:機械粉碎通過剪切或研磨減小原料顆粒尺寸,提高反應(yīng)面積,同時在一定程度上破壞植物纖維的高級結(jié)構(gòu),將結(jié)晶態(tài)纖維素轉(zhuǎn)化成無定形態(tài),使整個大分子結(jié)構(gòu)松散,易于反應(yīng)[2].

酸處理法:酸處理多采用稀硫酸(0.5%～1.0%),在 130～200℃與原料反應(yīng)數(shù)分鐘,處理后,半纖維素幾乎全部水解為單糖(主要為木糖).

氨纖維爆破法:氨纖維爆破法是將木質(zhì)纖維原料在高溫和高壓下用液氨處理,然后突然減壓使原料爆破.

2 能值理論與基本評價指標(biāo)

能值(Emergy).能值是指流動或貯存的能量中所包含的另一類別能量的數(shù)量.多以太陽能值(Solar Emergy)來衡量某一能量的能值大小,其單位為太陽能焦耳(Solar emjoules),即 sej[3].

能值分析 (Emergy Analysis).能值分析以同一客觀標(biāo)準(zhǔn)—太陽能值衡量不同類別不同能質(zhì)的能量的真實價值和數(shù)量關(guān)系.假設(shè)某個工藝流程需要進行 n個階段,由于能值分析具有溯源性,如圖1所示,從最左邊輸入的可再生、不可再生資源開始,到后來經(jīng)濟社會的參與,貨幣、其他商品和服務(wù)等被投入到生產(chǎn)系統(tǒng)中去,最后形成最終產(chǎn)品.

能值轉(zhuǎn)換率 (Emergy Transformity).即形成每單位物質(zhì)或能量所含有的另一種能量之量.用公式可以表達為:

A種能量(或物質(zhì))的太陽能值轉(zhuǎn)換率 =應(yīng)用的太陽能焦耳/1J(或 1g)A種能量(或物質(zhì))

b)能值基本評價指標(biāo)

能值置換比(Tr).產(chǎn)品或者服務(wù)的量與產(chǎn)品或者服務(wù)能值的比值.在產(chǎn)品或者服務(wù)形成過程中需要轉(zhuǎn)換的能量越多,其能值置換比也就越大.

能值產(chǎn)出率(EYR).系統(tǒng)總產(chǎn)出能值 Y與社會經(jīng)濟投入能值 F的比值.較小的 EYR值說明工藝的競爭力不強,規(guī)模生產(chǎn)的回報效益較低[4].

環(huán)境負(fù)荷率(ELR).系統(tǒng)不可更新能源投入能值總量(F+N)與可更新能源投入能值總量 R之比,該指標(biāo)可以指示出生物制氫系統(tǒng)的生產(chǎn)活動對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力.

能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(EIS).EYR與 ELR的比值稱為能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù).在將生態(tài)和經(jīng)濟指標(biāo)都考慮在內(nèi)的情況下,較高的 EIS數(shù)值代表了高水平的工藝可持續(xù)發(fā)展能力.

圖1 工藝系統(tǒng)能值分析圖

3 三種纖維素預(yù)處理工藝的能值分析與比較

能值分析的關(guān)鍵是確定系統(tǒng)范圍的邊界,根據(jù)N,R,F的定義,本文嚴(yán)格限定了工藝系統(tǒng)的范圍,原材料和能量的輸入以及預(yù)處理產(chǎn)物的輸出,包括能值分析的計算結(jié)果列于表1～3中.

在圖表中,每一項消耗量都是從研究文獻的數(shù)據(jù)中得到的確實數(shù)值,能值轉(zhuǎn)化率是直接或者間接從相關(guān)參考文獻中查得,圖表中數(shù)據(jù)的計算結(jié)果都是以理想狀態(tài)下預(yù)處理水平為基準(zhǔn)的.

表1 機械粉碎法的能值分析

表2 酸處理法的能值分析

表3 氨纖維爆破法的能值分析

4 結(jié)果與討論

能值分析的相關(guān)指標(biāo)涉及到社會效益,環(huán)境影響和可持續(xù)性,結(jié)果見表4.可見氨纖維爆破法能值置換比最低,酸處理法的數(shù)值高于其他數(shù)值,這說明為了達到相同的預(yù)處理目標(biāo),酸處理法需要的能值最多.

表4 不同秸稈預(yù)處理方法生物制氫能值指標(biāo)比較

氨纖維爆破法的能值產(chǎn)出率最高,機械粉碎法最低.對比表中化學(xué)藥品的消耗,可以看到稀酸由于價格低廉,而且可以得到 90%的木糖,所以很多研究還是使用稀酸,但是設(shè)備材料、高壓并且水解液需要進行酸的中和,提高了能值投入.

[1] 朱核光,史家樑.生物產(chǎn)氫技術(shù)研究進展[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報,2002,8(1):98-104

[2] NOIKE T,TAKABATAKEH,MIZUNO O,et al.Inhibition of hydrogen fermentation of organic wastes by lactic acid bacteria.Hydrogen Energy,2002,27(11):1367-1371.

[3] GLAZER A,NIKAIDO H.Microbial biotechnology-fundamentalsof appliedm icrobiology[M].New York:New York and Basingstoke copyright,2002:12-19.

[4] 韓 博,李永峰,焦安英,等.Ethanoligenens harbinense R 3的培養(yǎng)特性與產(chǎn)氫機理[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,25(6):681-684.