蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用

第24卷第8期农业工程学报Vol.24No.82008年8月TransactionsoftheCSAEAug.2008189蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用王许涛1,2，张百良1※，宋安东1，罗志华1，任天宝1（1．河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室，郑州450002；2．平顶山工学院，平顶山467044）摘要：该文采用蒸汽爆破技术对秸秆进行预处理，探讨提高秸秆厌氧发酵产气量的新工艺。研究蒸汽爆破预处理的关键参数“爆破压力”和“保留时间”对秸秆厌氧发酵效果的影响。结果表明：蒸汽爆破预处理后的秸秆比未经预处理秸秆厌氧发酵的产气量提高34%～67.36%，蒸汽爆破预处理压力在3.0MPa、保留时间为90s时，每克干秸秆厌氧发酵沼气产量最大值达到304.72ml；蒸汽爆破预处理后，秸秆厌氧发酵的启动时间和发酵周期大大缩短。关键词：蒸汽爆破；厌氧发酵；爆破压力；产气量中图分类号:S216.4文献标识码：A文章编号：1002-6819(2008)-8-0189-04王许涛，张百良，宋安东，等.蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用[J].农业工程学报，2008，24(8)：189－192.WangXutao,ZhangBailiang,SongAndong,etal.Applicationofsteam-explodedtechnologytoanaerobicdigestionofcornstover[J].TransactionsoftheCSAE,2008,24(8)：189－192.(inChinesewithEnglishabstract)0引言沼气作为一种清洁高效的能源已经得到了认可，但以秸秆为主要原料的沼气工程却很少，这与秸秆的成分和结构特性有关。秸秆主要成分是半纤维素、纤维素和木质素，在纤维细胞的次生壁中，微细纤维、木素、半纤维素中组分均呈不连续的层状结构，彼此粘结又互相间断。这种结构不利于厌氧菌对纤维素的利用，从而导致消化效率和产气率较低，投入产出效益差。适当的预处理可以改善厌氧菌对秸秆的消化能力。蒸汽爆破技术最早用于纸浆生产，现正逐渐被用作生物质能源转换预处理技术[1-6]。通过化学、生物及其它方法对秸秆进行预处理来提高秸秆消化率的研究已有很多报道[7-12]，但将蒸汽爆破技术运用到秸秆的预处理发酵上还鲜有报道。本实验采用的蒸汽爆破装置的爆破脉冲宽度仅为0.00875s，在此瞬间释放高密能量完成爆破来破坏秸秆结构，实现秸秆的半纤维素、纤维素和木质素的分离，旨在提高秸秆的可降解性和利用率，为废弃秸秆的沼气化利用提供参考。1材料与方法1.1试验材料1）玉米秸秆玉米秸秆取自河南农业大学科教试验园区，挑选干净的秸秆去根自然风干后（含水率在10％以内），制备成2～4cm长的试样备用。秸秆主要成分见表1。表1玉米秸秆的主要组成成分Table1Maincompositionofcornstalk项目纤维素/%木质素/%半纤维素/%酸不溶灰分/%含水率/%TS/%VS/TS/%灰分/%C/N/%含量32.7510.3834.660.856.693.493.76.337.52）污泥污泥是取自郑州市污水处理厂的厌氧污泥，污泥的总固体（TS）含量为8.73%，pH值为7.50，呈黑色絮凝状，取回后用塑料桶密封保存备用。1.2试验装置1）蒸汽爆破试验台蒸汽爆破试验台由河南省鹤壁市正道重机厂生产的收稿日期：2007-12-11修订日期：2008-03-20作者简介：王许涛（1971－），男，河南平顶山人，博士生。郑州河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室，450002。Email:dsands@163.com.※通讯作者：张百良（1941－），男，河南汤阴人，教授，博士生导师，研究方向为可再生能源。郑州河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室，450002。Email:hauzblo@yahoo.com.cnQB-200型蒸汽爆破装置，最高蒸汽压力可达6MPa，加热功率为8kW，有效爆腔容积为0.405L。该汽爆台采用气弹技术，可以在0.00875s内完成压力释放，不同于过去所谓的汽爆方式（膨化和热喷），实现了真正意义上的爆破。2）发酵试验装置发酵装置（图1）主要有2500mL的消化瓶，2500mL的集气瓶和1500mL的收集瓶组成。消化瓶上设气体和液体取样管，便于进行发酵醪液和沼气的取样化验。1.3试验内容与方法1）秸秆蒸汽爆破预处理将秸秆分别在不同压力和保留时间下进行爆破处理，压力水平分别为：3.0、2.5、2.0MPa，保留时间分别为60、90和150s。爆破后秸秆的主要成分见表2。190农业工程学报2008年图1厌氧发酵试验装置Fig.1Experimentalsetupforbatchanaerobicdigestio