秸秆能源化利用的供应模式研究

原料供应是制约秸秆能源化发展的关键因素之一。针对秸秆能源化利用中存在原料供应成本高的问题,文章分析了国内外秸秆能源化利用和原料供应方式,提出4种秸秆原料供应模式,并进行优缺点和经济性分析对比。研究结果表明：收集半径小于12 km时（秸秆可收集量小于3.6万t）,模式1（田间晾晒后收集—农用车装载—能源利用）经济性最优,适合于年消耗原料小于2.5万t的应用方式;收集半径为12~26 km时（秸秆可收集量为3.6~17万t）,模式3（田间移动式打捆—收储点储存—能源利用）经济性最优,适合于原料用量较大的应用方式;为保障原料供应的经济性,收集半径不宜超过26 km;秸秆供应成本中人工成本居首,其次是原料成本,然后是收集和运输燃油动力成本。

设施园艺废弃物厌氧消化产沼气特性

为获得典型设施园艺废弃物的产沼气特性，该文分析了5种不同设施园艺废弃物-黄瓜蔓、西红柿茎叶、小白菜、西瓜蔓和青草的物料特性，并在中温条件下研究了5种原料的厌氧发酵产气特性；在38℃条件下，以西瓜蔓为例进行了分离式两相厌氧消化工艺（separated two phase anaerobic digestion，STP）回流方式比较试验，比较分析了西瓜蔓在渗滤液喷淋和浸泡2种回流方式下的产气性能，研究了不同回流方式下的渗滤液pH值、沼气产量、甲烷含量的变化，为设施园艺废弃物的资源化利用提供了有益的参考。试验结果表明：5种设施园艺废弃物的产气潜力由大到小依次为西瓜蔓、小白菜、黄瓜蔓、西红柿茎叶和青草，其中西瓜蔓的单位干物质产气量达到508.85 mL/g（干物质total solid，TS）；设施园艺废弃物对分离式两相厌氧消化工艺（STP）具有良好的适应性，渗滤液喷淋回流方式要优于浸泡回流方式，其产气量和甲烷含量更高，其中累计产气量达到506.39 L，比浸泡回流方式高出10.81%，甲烷体积分数基本稳定在53%～56%，系统稳定性更好，研究结果为设施园艺废弃物的处理与利用提供参考。

生物质炭之低碳农业

农业生产过程与全球气候变化息息相关,如何减少农业温室气体排放,并探寻土壤固炭方法已经成为当前农业与环境研究中的热点。旨在摸索一条由生物质炭化技术为基础的低碳农业发展的可能途径。从低碳这一热点问题出发,对低碳农业的定义、特征、途径进行了基本阐述,同时论述了生物质炭的基本特征,及生物质炭在应用上的农学和环境学价值,并重点讨论了如何利用生物质炭发展以低能耗、低排放、低污染为特征的低碳农业的可能模式,最后指出了当前生物质炭在低碳农业研究和利用方面所面临的问题和挑战。

干-湿联合两相厌氧发酵技术处理村镇固体废弃物研究进展

随着我国新型城镇化进程的加速推进,生态环境面临着巨大考验。工业化加速发展,但是农、林、畜牧业等作为第一产业依旧是国民生活的基础产业。当前村镇固体垃圾废弃物除了包括大量的生活垃圾,还混杂了大量农业废弃物。针对此现状,如何做到无害化、减量化、资源化垃圾处理是新型城镇化建设所面临的最为严峻的问题之一。而厌氧发酵是目前国内外处理有机废弃物较为成熟的工艺,并且在过去的十几年得到了长足发展。文章基于目前最适合处理高含固量有机废弃物的干-湿联合两相厌氧发酵技术,综述了其目前研究进展、影响因素及工艺优化等问题。

生物炭主要类型、理化性质及其研究展望

【目的】生物炭作为工农业生产副产品低碳利用的有效手段,其改善土壤及提高作物品质的有益功效已被逐步认识,但对其研究报道分散且差异较大。对已有研究进行梳理总结,可为生物炭生产施用以及形成有效的产业链提供科学依据。【主要进展】1)生物炭全碳含量在30%~90%之间,平均64%。生物炭碳含量由大到小来源依次是木质、秸秆、壳类、粪污和污泥。秸秆类生物炭碳含量大多为40%~80%,木质类生物炭在60%~85%。生物炭灰分含量在0~40%之间变动,平均15.52%。灰分含量由大到小依次是污泥、粪污、秸秆、壳类和木质。秸秆生物炭灰分含量主要在20%~35%之间,较少为15%;木质炭灰分主要在0~10%范围内。生物炭碳含量和灰分含量相关系数为–0.77。裂解温度与生物炭碳灰组分呈正相关,相关系数分别为0.17和0.28。施入生物炭可以改善土壤状况,生物炭灰分通常对养分贫瘠土壤及沙质土壤的一些养分补充作用较明显。2)生物炭比表面积绝大多数在0~520 m2/g之间,平均124.83 m2/g,壳类、秸秆、木质、粪污和污泥生物炭比表面积逐渐降低。秸秆炭比表面积集中在0~200 m2/g以内,木质炭比表面积集中在0~100 m2/g以内。制备温度与比表面积的相关系数为0.48。生物炭的孔隙结构能降低土壤容重、降低土壤密度,能较好地去除溶液和钝化土壤中的重金属。3)生物炭p H值范围在5~12,平均为9.15。秸秆、污泥、粪污、木质、壳类生物炭p H值中值逐渐降低。秸秆生物炭p H值多集中在8~11范围内,木质生物炭p H相对一致。生物炭的CEC从0到500 cmol/kg都有分布,平均为71.91 cmol/kg。秸秆类生物炭CEC值大多集中在0~100 cmol/kg范围内,木质生物炭则在5~10与15~25 cmol/kg范围内均有一定数量的分布。裂解温度与p H值和CEC的相关系数为0.58和0.30。生物炭施入土壤后可消耗土壤质子,提高酸性土壤p H值,提高酸性土壤一些养分的有效性;其巨大的表面积还可提高对阳离子的吸附,提高土壤保肥能力。4)生物炭的裂解温度大都集中在200~800℃之间,偶有达到1000℃的裂解温度。【建议和展望】目前,全世界范围内对生物炭的生产和使用还处于就近和来源方便的初级阶段,影响着生物炭功能和效益的最大化。应从以下几个方面加强研究和应用试验:首先,系统研究生物炭制造参数对理化性状的影响,研究不同原料生物炭的作用机理差异及其针对性,建立生物炭理化性质参数数据库;其次,加强应用研究,根据土壤理化性状和改良目标选择适宜的生物炭类型,根据对作物经济性状的要求,研究选择适宜的生物炭类型,实现生物炭功效的最大利用。加强不同原料的选配和组合研究,改良生物炭产品的目标性状,形成系列化产品。

生物质连续式分段热解炭化设备研究

针对目前连续式炭化设备的热解温度场难以梯级调控,不能满足多种热解温度工艺试验要求,采用分段式加热技术,设计了5段独立热解炭化炉,并结合连续式输送原理,集成生物炭循环水冷技术、热解气二次催化裂解技术和油气二级冷凝分离技术等,研发了连续式分段热解炭化设备。以粉碎的玉米秸秆为原料开展了热解炭化试验,结果表明,本炭化设备实现了连续炭化和分段加热,当5段炉温设为550℃、600℃、600℃、600℃、550℃时,生物炭得率29.97%,低位热值26.21 MJ/kg,固定碳含量55.63%,热解后的油气能较好地实现分离,达到了设计要求,实现了生物质的分段控温加热和连续热解。

自燃连续式生物质热解炭气油联产系统燃气净化分离技术工艺研究

在对自燃连续式生物质热解炭化工艺过程和特点分析的基础上,结合生物质热解粗燃气组分特征,采用协同分离和多级净化的设计思路,研究了该热解工艺条件下的燃气净化分离与高值化处理技术路线,主要包括空气富氧化处理、粉尘脱除、焦油与木醋液分离、燃气提质、深度净化等工艺环节,最后分析了该工艺系统涉及的辅助性关键技术问题。该研究可为生物质热解炭气油联产系统的开发提供重要参考。

批式与连续两相发酵的果蔬废弃物厌氧产气性能

该研究采用批式试验与连续发酵试验探讨了苹果与蔬菜废物的厌氧发酵产气性能,结果表明：38℃下苹果与蔬菜废物混合进行厌氧发酵发生了协同促进作用,显著提高了混合原料的产气能力。在苹果废物与蔬菜废物的混合比例F：V=4：1时,混合原料的产沼气潜力达到了914.6 L/kg。利用修正的Gompertz模型能够很好的模拟果蔬废物批式厌氧发酵产气的累积产气过程,拟合结果的R2在0.983～0.999之间。果蔬废物连续进出料产气过程研究结果表明在HRT=24 d、35℃中温发酵条件下,果蔬废物为原料的一体化两相（combined two phase,CTP）反应器有机负荷OLR可达2.5 g/（L·d）时,此时CTP反应器的产气量最高可达12.9 L/d,反应器内物料比产气量为390 L/kg。这表明CTP反应器可以作为果蔬厌氧发酵产气的反应器。与全混式反应器相比,CTP反应器结构简单、成本低,但对果蔬废物的发酵效率低于全混式反应器。

生物腐植酸对化学肥料的辅助作用及机理研究

通过盆栽种植油菜试验,调整化学肥料与生物腐植酸施入量及施入比例,分析油菜生长60 d后产量、品质及土壤理化性状变化情况,以此探究生物腐植酸对降低化学肥料施入量效果及其机理。结果表明,1肥料施入可显著提高油菜产量;2与减量施用化肥(60%常规用量)相比,100%化学肥料施入量及化学肥料与生物腐植酸配施处理皆可显著提高油菜产量,60%化学肥料添加生物腐植酸的处理中,产量可显著提高60%;3生物腐殖酸施入可明显促进油菜对N、P、K养分的吸收,提高肥料利用效率。其机理可能是由于施用生物腐植酸肥料除直接提供养分元素,维持土壤有机质含量,改善土壤理化性质外,还可间接调节土壤酸碱度,活化碱性土壤养分,提高土壤微生物活性等。研究结果表明生物腐植酸肥料对于降低化学肥料施入量的效果明显,为生物腐植酸部分替代化学肥料,并提高养分利用效率的推广提供依据。

FAO综合粮食能源系统可持续性和可复制性评价指标体系研究

现代生物能源技术的出现和发展,给人类解决能源问题提供了新的、可持续的绿色途径,但发展生物能源对于粮食安全来说风险与机遇并存,对于如何在发展生物能源的同时,兼顾粮食安全,FAO一直致力于研究推广生物能源与粮食安全方面的评价方法与体系。本文通过对FAO开发的综合粮食能源系统分析框架的研究,介绍了综合粮食能源系统分析框架的内容和评价指标体系,针对具体的综合粮食能源系统(IFES)进行可持续性和可复制性评价的步骤和方法,以推动中国生物能源产业的发展,促进粮食安全。

全混式厌氧发酵反应器优化研究进展

当前,国内外沼气工程中厌氧发酵普遍采用全混式厌氧发酵反应器(CSTR),并且反应器内部通过安装搅拌装置,提高混合效果,促进产气。但是目前关于反应器内部结构、搅拌方式等对混合效果的影响仍未有系统研究,并且关于搅拌装置等反应器结构优化方法仍未建立。文章重点针对国内外对于CSTR结构与搅拌装置等对混合效果、传质传热过程与流场模拟等进行系统梳理,并对结构优化方法等进行归纳,CFD方法对于混合效果的模拟直观准确,以期为其结构优化研究提供借鉴。

不同温度下热裂解芒草生物质炭的理化特征分析

芒草是一个极具潜力的生物质能源作物,为了研究了解芒草生物质炭的特征,评价其农业和与环境领域应用价值与潜力,该研究分别在和下制备生物质炭,测定其基础理化性质,以期了解芒草生物质炭特征及其随裂解温度变化的规律。结果表明,裂解温度显著地影响芒草生物质炭物理与化学性质,低温生物质炭含有比较高的水溶性成分,而高温生物质炭具有比较高的pH值、C/N比、芳香化结构、持水量和比表面积;但裂解温度对生物质炭δ值没有显著的影响。该文还讨论了芒草生物质炭在化肥利用率提高,以及污染土壤和水体修复等领域的潜在价值与工业应用前景,研究结果可为芒草生物质炭在土壤改良、固碳减排等方面的应用提供基础数据。

立式环模秸秆压块机成型过程建模与参数优化

在对立式环模秸秆压块机核心工作单元结构与工作原理分析的基础上,建立了压辊受力和物料成型能耗模型,绘制了不同技术参数下压辊载荷分布曲线和物料成型能耗曲线,并在此基础上提出了设备技术参数优化设计方法。理论分析结果表明：模孔偏心设计可改善压辊载荷分布,降低设备吨料能耗;模孔最佳偏心角和物料与辊模之间的摩擦因数、辊模直径比有关,物料与辊模摩擦因数、辊模直径比越大,模孔最佳偏心角也越大,现实技术参数条件下,模孔偏心设计可使物料成型能耗降低0.29%～3.58%。通过设备对比试验,证实了以上结论。

立式环模秸秆压块成型机作业参数优化

针对秸秆压块成型燃料生产过程中,由于作业参数不当造成的生产率低、成型燃料质量低、能耗高等问题,以玉米秸秆为原料,通过正交试验,研究原料的粒度、含水率及压块机模辊间隙3种工艺参数的不同组合对生产率、压块燃料成型率、密度、机械耐久性及吨产品能耗的影响。结果表明：从提高成型燃料质量方面来考虑,最佳工艺参数组合为原料粒度为10~20 mm、含水率为15%、模辊间隙为2 mm,从提高生产率和降低吨产品能耗方面来考虑,最佳工艺参数组合为原料粒度为10~20 mm、含水率为20%、模辊间隙为2 mm。在实际使用中,根据压块燃料成型率、密度和机械耐久性的质量要求,在能达到使用要求的情况下,可在含水率10%~20%的范围内,适当提高含水率,有利于提高生产率和降低吨产品能耗。

复合菌剂和NaOH预处理提高秸秆厌氧消化性能

为提高纤维素类原料厌氧消化性能,降低处理成本,该研究采用复合菌剂和2%、4%、6%、8%NaOH(以玉米秸秆干物质质量计)对以玉米秸秆为代表的纤维素类发酵原料进行预处理,研究不同预处理方式对纤维素等成分的含量、厌氧消化性能和生产成本的影响。试验结果表明,经复合菌剂和NaOH处理后,秸秆的木质素、纤维素和半纤维素总含量显著降低,产气量和产气效率提高,其中,添加6%NaOH的预处理方式效果最佳,复合菌剂次之,与未处理相比,单位干物质质量产气量从120.70mL/g分别提高到374.30和334.76mL/g,厌氧消化时间从大于30d缩短到18和19d。采用复合菌剂和2%、4%、6%、8%NaOH预处理生产沼气所需的可变成本分别为0.72、0.80、0.98、1.09和1.57元/m3。综合考虑产气效率和生产成本,复合菌剂预处理由于具有较低的处理成本、较高的产气效率和较短的消化时间更利于推广应用。

内加热连续式生物质炭化设备的研制

针对目前生物质炭化设备生产率较低、能源消耗大、原料适应性较差等问题,提出生物质连续炭化生产工艺路线,采用内加热热解原理,研发内加热连续式生物质炭化设备。以生物质颗粒燃料等为原料开展炭化试验,试验结果表明;设备生产率为108 kg/h,生物炭得率为31%,吨炭电耗为15 k W·h,各项性能指标均达到设计要求,可实现生物炭的连续生产。

秸秆热解炭化多联产技术应用模式及效益分析

通过秸秆热解多联产技术,能够将废弃的秸秆转化为燃气和生物炭等,既能提供清洁能源,改善用能结构,又能有效还田和固碳,具有较好的推广应用潜力。分析内加热式移动床生物质炭气联产技术、外加热式移动床生物质热解炭气联产技术、外加热式移动床生物质热解炭气油联产技术的工艺参数,提出了适宜自然村、村镇社区和规模化应用等3种不同规模用户的秸秆热解炭化生产技术应用模式,并以不同规模秸秆利用量为例,得到消耗每吨秸秆的纯利润分别为87、135和141元/t,销售利润率20%左右,温室气体碳排放交易可增加8%左右的纯收益,经济与环境效益良好。

CaO预处理提高玉米秸秆厌氧消化产沼气性能

为探索CaO预处理方法对玉米秸秆厌氧消化产沼气的影响,采用了3种不同质量百分数的CaO分别在3种不同处理时间下对玉米秸秆进行预处理,并在中温条件下进行了厌氧消化试验。试验结果表明,经过CaO预处理后,玉米秸秆的组分被不同程度破坏,厌氧消化产沼气能力有较大提高,厌氧消化时间有所缩短。综合日产气量、累积产气量、厌氧消化时间等各项参数来看,以5%CaO预处理3d的处理效果最佳,与未经预处理的效果相比,累积产气量提高了136.85%,消化时间缩短了5d,总固体(TS)和挥发性固体(VS)去除率分别提高了21.72%和7.18%,综合效果要优于其他处理组,有效地提高了玉米秸秆厌氧消化的产气量和产气效率。

卧式连续生物炭炭化设备研制

针对中国生物炭设备中存在的运行不稳定、炭产出率低、副产品回收利用难等问题,该文设计了卧式连续生物炭炭化设备,热解反应器采用双层套筒结构,内层为炭化室,内置螺旋输送机,外层为高温烟气套筒,利用炭化自身产生的高温烟气燃烧产生的热量进行炭化。选择了热解参数,开展了热工设计和可燃气燃烧器热计算,并对炭化室、高温烟气套筒等关键部件进行了结构设计。采用稻壳原料进行了炭化试验,试验结果表明,卧式连续炭化设备实现了连续稳定运行,炭化设备设计合理,原料适用性广,小时生产率为45kg/h,稻壳炭化终温为500℃,炭化得率质量分数为42%。实现了设计目标,提高了炭化得率,为中国生物炭产业的发展提供了理论基础和技术支持。

温度对生物质三组分热解制备生物炭理化特性的影响

以纤维素、木聚糖和木质素为研究对象,利用真空气氛炉热解制备生物炭,探究温度对生物质三组分热解制备生物炭理化特性的影响规律,为生物炭的性能调控和机理研究提供理论依据。结果表明:纤维素和木聚糖的热解温度范围主要集中在300~500℃,纤维素生物炭产率由35.38%下降至20.93%,木聚糖生物炭产率由46.28%下降至29.40%,木质素热解温度范围主要集中在300~600℃,木质素生物炭产率由81.22%下降至51.53%;热解温度对生物质三组分制备生物炭的C、H、O、N元素含量的影响规律基本相同,即C元素含量逐渐升高,H、O、N元素含量逐渐降低,C元素质量分数分别由69.42%、72.92%、54.75%升至96.39%、77.26%、67.97%;热解温度对生物质三组分制备生物炭的灰分、挥发分、固定碳和热值的影响规律基本相同,即挥发分逐渐降低,而灰分、固定碳和热值均逐渐升高,挥发分分别由50.67%、44.89%、39.99%降至7.63%、5.52%、14.41%,固定碳分别由47.95%、55.03%、35.41%升至90.18%、94.11%、53.70%,热值分别由25 652.58、26 681.81、21 173.29 k J/kg升至34 602.52、33 965.15、24 142.62 k J/kg;热解温度对木质素生物炭的比表面积和孔径分布影响明显,对纤维素和木聚糖生物炭的影响较小,500℃时纤维素和木聚糖达到最优的比表面积和微孔体积,600℃时木质素达到最优的比表面积和微孔体积;热解温度在500℃时,纤维素和木聚糖制备的生物炭达到最大的碘吸附值,纤维素生物炭碘吸附值为422.46 mg/g,木聚糖生物炭碘吸附值为115.06 mg/g,热解温度在600℃时,木质素制备的生物炭达到最大的碘吸附值,为460.35 mg/g。