CSTR工藝在沼氣工程中的應(yīng)用

劉 偉，宋 震，張 霞，劉全京，郭富民

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013）

近年來，我國(guó)規(guī)?；瘏捬醢l(fā)酵沼氣工程得到快速發(fā)展。截至2016年底，全國(guó)已發(fā)展特大型沼氣工程51處、大中型沼氣工程約1.8萬處[1]。常見的厭氧發(fā)酵有HCF、USR、UASB、CSTR等，其中CSTR因?yàn)槠湓线m應(yīng)性廣、抗負(fù)荷沖擊力強(qiáng)、容積產(chǎn)氣率高等優(yōu)勢(shì)，在規(guī)?；瘏捬醢l(fā)酵沼氣項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目規(guī)模

本CSTR沼氣項(xiàng)目年處理各類農(nóng)作物秸稈1 750 t、干雞糞1 750 t、豬糞水700 t。設(shè)計(jì)能力為日產(chǎn)沼氣2 100 m3，用于熱提純制生物天然氣。項(xiàng)目產(chǎn)品及年產(chǎn)量為：生物天然氣34.98萬m3，固態(tài)沼肥1 365 t，液態(tài)沼肥1 855 t。

1.2 工藝流程

本項(xiàng)目工藝流程如圖1所示。

圖1 沼氣項(xiàng)目工藝流程

本項(xiàng)目原料主要是各類秸稈、畜禽糞便，由于原料性質(zhì)差別大，需要分開進(jìn)行預(yù)處理后再進(jìn)行發(fā)酵。秸稈通過黃貯的方式來保存，能有效地對(duì)原料進(jìn)行乳酸化預(yù)處理，之后通過送料機(jī)進(jìn)入發(fā)酵罐。雞糞的TS含量較高，直接通過固態(tài)原料進(jìn)料器輸送至厭氧反應(yīng)器，豬糞水的TS含量低，只能暫存入勻漿池，再通過螺桿泵輸入發(fā)酵罐。原料在發(fā)酵塔內(nèi)產(chǎn)生沼氣，在罐內(nèi)進(jìn)行生物脫硫，脫硫后沼氣少部分進(jìn)入沼氣鍋爐為發(fā)酵罐提供熱量，大部分沼氣進(jìn)入提純?cè)O(shè)備，進(jìn)一步提純?yōu)樯锾烊粴夂蠼尤胼敋夤芫W(wǎng)。

經(jīng)過厭氧反應(yīng)器的反應(yīng)后，發(fā)酵液通過出料螺桿泵輸送至固液分離設(shè)備，進(jìn)行干濕分離，得到沼渣和沼液。少部分沼液直接利用重力自流至沼液中轉(zhuǎn)池，其余作為液態(tài)肥通過車輛外運(yùn)，沼渣就地臨時(shí)存放。

2 主要系統(tǒng)及設(shè)備

2.1 預(yù)處理系統(tǒng)

（1）農(nóng)作物秸稈原料預(yù)處理。農(nóng)作物秸稈通過黃貯的方式來保存。黃貯能有效地對(duì)原料進(jìn)行乳酸化預(yù)處理，避免原材料在自然堆放過程中被氧化和腐敗變質(zhì)的問題，最大程度保留原料所含的生物質(zhì)能量，且在黃貯過程中的乳酸化，可提高纖維素和木質(zhì)素含量高的秸稈的厭氧發(fā)酵效率。

（2）畜禽糞便、糞尿等原料進(jìn)料。將回收的畜禽干糞便、糞水視含固率的情況，可分別通過固體原料單元及液體原料單元進(jìn)入反應(yīng)器。

秸稈黃貯池：面積660 m2，堆高約7 m，可儲(chǔ)存秸稈不低于1 386 t，黃貯后秸稈容重0.30～0.35 t/m3，可滿足10個(gè)月以上用量。

勻漿池：內(nèi)徑9 m，凈高4 m，容量254 m3，可儲(chǔ)存1個(gè)月以上用量。勻漿池內(nèi)設(shè)有潛水?dāng)嚢杵?，最大工作TS濃度12%。

封閉式干糞池：15 m×8 m，堆高約1～2 m，可儲(chǔ)存24 d的用量。池壁配有負(fù)壓風(fēng)機(jī)，收集異味進(jìn)入生物過濾器除臭后排放。

2.2 連續(xù)攪拌厭氧反應(yīng)系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用德式可連續(xù)攪拌和加熱的CSTR高效反應(yīng)器。該反應(yīng)器內(nèi)部周圍壁配有環(huán)狀加熱管道系統(tǒng)、大型臂展槳式攪拌器以及潛水式攪拌器，分別安裝在不同的反應(yīng)器以及相同反應(yīng)器不同的高度，能保證原料在反應(yīng)器內(nèi)受到徑向和周向的均勻混合，使得甲烷菌能更均勻地分布在整個(gè)體系中，大幅提高發(fā)酵效率，同時(shí)防止漂浮層的出現(xiàn)和結(jié)殼的現(xiàn)象。反應(yīng)器參數(shù)如下：

厭氧反應(yīng)器容積：924 m3。

日均進(jìn)料量：秸稈5 t/d；干雞糞5 t/d；稀糞水2 t/d。

有效容積產(chǎn)氣率：2.47 m3/（m3·d）。

日均進(jìn)料TS濃度：約25 %，反應(yīng)器平衡后TS濃度約15%。

發(fā)酵溫度：50～52℃（高溫厭氧，亦可運(yùn)行于中溫區(qū)間）。

2.3 固液分離系統(tǒng)

厭氧反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過反應(yīng)后的發(fā)酵液通過出料螺桿泵輸送至固液分離設(shè)備，進(jìn)行干濕分離，得到含固率最高30%的沼渣和含固率約1.2%～8.0%的沼液。項(xiàng)目設(shè)計(jì)1臺(tái)固液分離機(jī)，采用緩存罐式設(shè)計(jì)，氣動(dòng)加電動(dòng)螺旋擠壓，通過調(diào)節(jié)出口的氣缸壓力可控制出渣水分，最高處理量可達(dá)15 m3/h發(fā)酵液。沼液直接利用重力自流至沼液中轉(zhuǎn)池，沼渣就地臨時(shí)存放。

2.4 沼氣熱水鍋爐及供熱系統(tǒng)

為了沼氣的穩(wěn)定生產(chǎn)，需要對(duì)物料加熱和反應(yīng)器保溫，故設(shè)置沼氣熱水鍋爐及供熱系統(tǒng)。前道工序產(chǎn)生的沼氣脫硫脫水后進(jìn)入沼氣鍋爐，產(chǎn)生熱水，經(jīng)過封閉式熱水循環(huán)加熱系統(tǒng)，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的物料進(jìn)行加熱。熱水鍋爐額定熱功率120 kW。

2.5 沼氣提純系統(tǒng)

沼氣凈化提純主要是將沼氣中的二氧化碳?xì)怏w除去，膜法沼氣凈化提純?cè)O(shè)備是基于氣體膜對(duì)混合氣體中各組分滲透速率不同的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。沼氣中二氧化碳滲透速率要高于甲烷氣體，利用氣體膜選擇性滲透的特性對(duì)沼氣中的甲烷和二氧化碳等成分進(jìn)行快速分離，從而達(dá)到沼氣凈化提純的目的。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)1套膜法沼氣提純?cè)O(shè)備，主要參數(shù)如下：

沼氣處理量：83.3 m3/h（負(fù)荷范圍：30%～100%）。

甲烷回收率：≥95%。

產(chǎn)品氣體成分：CH4≥95%，CO2≤4%。

2.6 沼肥利用

本項(xiàng)目中由發(fā)酵罐排出的沼渣和沼液進(jìn)行固液分離，沼液作為液態(tài)肥，沼渣作為固態(tài)肥，都可直接還田利用。本單元設(shè)計(jì)項(xiàng)目及設(shè)備如下：

沼液暫存池：容積約924 m3，設(shè)升降式潛水?dāng)嚢杵?套，沼渣暫存池：面積約20 m2。

3 效益分析

3.1 基本數(shù)據(jù)

（1）生產(chǎn)規(guī)模：本項(xiàng)目日產(chǎn)2 100 m3沼氣，其中2 000 m3用于沼氣提純，可日產(chǎn)生物天然氣1 060 m3。每年按330 d計(jì)算。

（2）處理能力：日處理秸稈5 t、干雞糞5 t、稀糞水2 t。每年按照350 d計(jì)算。

（3）主要原料價(jià)格：秸稈按150元/t；干雞糞按50元/t；稀糞水暫按0元/t計(jì)算。

（4）銷售沼肥產(chǎn)品：沼渣肥銷售價(jià)格按200元/t；沼液肥銷售價(jià)格按照50元/t。

（5）銷售生物天然氣：按2.7元/m3計(jì)算。

3.2 效益分析

本項(xiàng)目初投資共約950萬元，通過生物天然氣、沼渣、沼液銷售年總收入131萬元/年，秸稈、糞污原料收購(gòu)成本35萬元/年，運(yùn)維、折舊等費(fèi)用20萬元/年，本沼氣項(xiàng)目預(yù)計(jì)凈收益76萬元/年。

本項(xiàng)目利用CSTR厭氧發(fā)酵工藝，每年可處理秸稈1 750 t、干雞糞1 750 t、豬糞水700 t，在生產(chǎn)清潔燃?xì)?、沼肥的同時(shí)，減輕環(huán)境污染，改善區(qū)域環(huán)境，同時(shí)帶動(dòng)當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)，有明顯的社會(huì)和環(huán)境效益。

4 結(jié)論

（1）CSTR厭氧發(fā)酵工藝可利用農(nóng)作物秸稈、禽畜糞污等生物質(zhì)廢棄物原料產(chǎn)生沼氣，并可進(jìn)一步提純?yōu)樯锾烊粴獯娉Ｒ?guī)化石能源。在對(duì)生物質(zhì)廢棄物進(jìn)行資源化利用產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，可帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提高農(nóng)民收入、改善環(huán)境質(zhì)量，社會(huì)和環(huán)境效益明顯。

（2）CSTR沼氣項(xiàng)目的收益率與項(xiàng)目規(guī)模密切相關(guān)，在資源充足的基礎(chǔ)上，盡量提高項(xiàng)目規(guī)模以減少單位投資。項(xiàng)目產(chǎn)品，尤其是副產(chǎn)物沼渣和沼液具有穩(wěn)定市場(chǎng)，才能保證項(xiàng)目有較好收益。