歐洲沼氣工程原料預(yù)處理裝備技術(shù)_圖文

1、收稿日期:2010 04 20 作者簡介:陳永生(1964-,男,研究員,主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物處理利用裝備技術(shù)研發(fā),E -m a i :l cys003si n a .com歐洲沼氣工程原料預(yù)處理裝備技術(shù)陳永生(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,江蘇南京 210014摘 要:文章結(jié)合歐洲沼氣工程中3種典型的原料預(yù)處理工藝分析,介紹了能源作物收獲機、漿料雜物切碎機、高固體含量物料輸送泵等幾種原料收貯、預(yù)處理裝備,指出我國的沼氣工程應(yīng)在處理模式的集中化、原料來源的多元化、收集作業(yè)的機械化、原料粒度控制的精細化等方面積極借鑒和吸收歐洲的先進技術(shù),提高我國沼氣工程原料預(yù)處理裝備技術(shù)水平。關(guān)鍵詞:歐洲;沼氣工程

2、;預(yù)處理中圖分類號:S216.4;X 71 文獻標識碼:B 文章編號:1000-1166(201005-0018-062009年9月16日至27日,作者隨 生物燃氣產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟 赴歐考察團對德國、丹麥、瑞典三國的10個沼氣工廠進行了考察訪問。歐洲沼氣工程的規(guī)模大型化、操作機械化、控制自動化、產(chǎn)能高效化代表了當(dāng)今世界沼氣工程的先進水平,特別是在原料收集、轉(zhuǎn)運、混合、勻漿、進料等環(huán)節(jié)的原料預(yù)處理過程中,針對不同類型的原料、不同的厭氧消化工藝裝置,使用了很多成熟的、標準化的裝備,留下了深刻的印象。本文意在借鑒歐洲沼氣工程原料預(yù)處理先進工藝技術(shù)和裝備技術(shù)的同時,結(jié)合國內(nèi)沼氣工程預(yù)處理的現(xiàn)狀及發(fā)

3、展,談點粗淺的體會。1 歐洲沼氣工程原料預(yù)處理典型工藝以德國為代表的歐洲沼氣工程技術(shù)以高濃度有機廢棄物聯(lián)合消化工藝(CSTR為主,絕大多數(shù)配備熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。CSTR 工藝是先對各類畜禽糞便及其它高產(chǎn)氣量的有機廢棄物進行預(yù)處理,調(diào)整進料濃度在10%左右,進入帶有機械攪拌的CSTR 反應(yīng)器13。在歐洲,大約有94%的農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程采用混合原料發(fā)酵4。但是根據(jù)其主要原料來源的不同,可把原料預(yù)處理工藝分為以下三種類型:1 1 以能源植物為主的原料預(yù)處理工藝以位于德國Gustr ow ,號稱 世界上最大的沼氣工廠 的Na w aro 沼氣工廠為例,每年原料需求量總計有45萬噸,其中:青貯玉米秸稈38

4、萬噸,其他整稈植物6萬噸,青草0.8萬噸,谷類0.1萬噸。Na w aro 沼氣工廠每小時可生產(chǎn)出10000m 3的沼氣,并經(jīng)過提純后向天然氣管網(wǎng)輸送,相當(dāng)于每小時可產(chǎn)生22MW 的電能。圖1是以能源植物為主的原料預(yù)處理工藝圖。圖1 以能源植物為主的原料預(yù)處理工藝圖在歐洲,建設(shè)沼氣工程以獲取能源為主要目的,因此在降低運行成本的同時追求原料產(chǎn)氣最大率是這些工程最為重要的經(jīng)濟指標。從原料產(chǎn)氣率角度分析,玉米、甜菜等的干物質(zhì)產(chǎn)氣率可高達600m 3!t -1,遠遠高于動物糞便的產(chǎn)氣率。由種植制度方面來看,一年一熟、連片種植的農(nóng)藝制度為能源作物收獲機械化創(chuàng)造了很好的條件,從而節(jié)省了大量的原料收集成本。

5、就原料保障機制而言,沼氣工廠與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)場主簽訂長期合作協(xié)議,農(nóng)場主提供秸稈等原料,使沼氣工廠有長期而穩(wěn)定的原料供應(yīng)渠道,而沼氣工廠為農(nóng)場主提供腐熟的沼渣顆粒肥料和沼液,雙方互利互惠。針對秸稈沼氣工廠的需要,以青貯玉米為主的能源作物的收獲、切碎、轉(zhuǎn)運全部實現(xiàn)機械化。聯(lián)合收獲機在田間就把玉米連稈帶穗全部切成10mm 長的碎段,并拋集到專用運草車的車箱中,再由運草車送到工廠的堆貯場地上。切碎后的秸稈堆密度提高了,減少了堆貯空間,也便于進行其他預(yù)處理。圖1所示的流程適合規(guī)模較大的沼氣工廠,秸稈原料和其他配料經(jīng)過調(diào)漿池調(diào)節(jié)濃度和加熱料溫,再向各個發(fā)酵罐輸送。為了防止零星的長草引起的堵塞,加一道切割裝置。

6、對于規(guī)模小一點的沼氣工程,可把圖1中的調(diào)漿池直接用作發(fā)酵罐,借助攪拌裝置,碎秸稈直接在這個罐中與其他物料混合完成產(chǎn)氣過程?？疾熘凶⒁獾?從貯料箱到調(diào)漿池之間的碎秸稈的輸送裝置主要有刮板輸送鏈、螺旋輸送器(分為有軸螺旋和無軸螺旋兩種、皮帶輸送機等幾種形式,這一過程中的技術(shù)關(guān)鍵是確保貯料箱的原料要自動定量、穩(wěn)定順暢地輸送出去,不能產(chǎn)生結(jié)拱、堵塞等現(xiàn)象。1 2 以畜禽糞便為主的原料預(yù)處理工藝規(guī)模化禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速,伴隨而來的是大量的動物糞便(主要是雞糞、豬糞和牛糞和相關(guān)的廢棄物,沼氣工程作為一項由多項技術(shù)優(yōu)化組合而成的實用工程系統(tǒng),目標是追求較高的能源、經(jīng)濟和環(huán)境效益。在丹麥,沼氣原料以畜禽養(yǎng)殖業(yè)的

7、糞便和農(nóng)產(chǎn)品加工廠的有機廢棄物、污泥、餐余為主。一般情況下,原料是用罐車從附近的農(nóng)場直接運送過來,部分采用管道輸送到沼氣工廠。以位于丹麥北內(nèi)伯爾的B l a ab jerg 沼氣工廠為例,每年處理原料110萬噸,其中:80%是牛糞,20%是其他的廢料,有20萬噸的液態(tài)原料用管道輸送到工廠,另外90萬噸固態(tài)原料通過專用車運送。B laab j e rg 沼氣工廠每天可以生產(chǎn)出8500m 3的沼氣。圖2是以畜禽糞便為主的原料預(yù)處理工藝示意圖。 圖2 以畜禽糞便為主的原料預(yù)處理工藝示意圖在B laabjerg 沼氣工廠中,首先是將糞便和其他廢料在勻漿池中攪拌、勻漿。為了防止原料結(jié)塊以及纖維狀物質(zhì)給泵

8、、閥、外部設(shè)備和中心控制以及其它下游設(shè)備帶來問題,采用切碎機對勻漿后的原料進行切割破碎。有的工程在勻漿池和調(diào)漿池后分別配備一臺粗切碎機和細切碎機。第一道切碎機控制原料粒度在40mm 左右,第二道在10mm 左右?；旌显显谡{(diào)漿池中經(jīng)過調(diào)節(jié)濃度和加熱料溫后,即可送入發(fā)酵罐了。1 3 以有機垃圾為主的原料預(yù)處理工藝位于德國斯圖加特市近郊Leonberg 的有機垃圾處理廠作為一個有代表性的實例,采用的是OW S 公司的Dranco 工藝。其進料系統(tǒng)的核心設(shè)備是一臺排量達150m 3!h -1的液壓固體輸送泵5,流程示意見圖3。 圖3 以生活垃圾為主的原料預(yù)處理工藝圖由于垃圾中含有大量的非有機成分,垃

9、圾需要經(jīng)過破碎、轉(zhuǎn)鼓篩分和磁力分選等預(yù)處理工序。經(jīng)過預(yù)處理后的有機垃圾與蒸汽及消化后物料經(jīng)混合后采用液壓驅(qū)動固體泵通過密封的管道從上方輸送到消化罐內(nèi),新料與舊料的混合比例約為61,進料的TS 濃度超過20%。這種消化罐的底部呈錐形,便于消化物料的流出。2 歐洲沼氣工程原料收貯、預(yù)處理中幾種主要裝備2 1 能源作物切碎收獲機CSTR 工藝中對原料的粒度控制較嚴格,能源作物的切碎長度在10mm 左右?？疾熘形覀円灿^察到很多沼氣工廠的原料堆貯場地上的秸稈粒度很整齊,目測來看,粒徑大于2030mm 的比例不超過10%。據(jù)了解,歐洲普遍使用大型的秸稈青貯聯(lián)合收獲機,配套大型的專用運草車,收獲、切碎、轉(zhuǎn)運

10、秸稈一條龍作業(yè),不僅效率高,收獲成本也低。 圖4 約翰!迪爾青貯收獲切碎機的切碎工作部件圖4是約翰!迪爾玉米聯(lián)合收割機上的一種甩刀式莖稈切碎器,主要由切碎滾筒、刀架、動刀片(甩刀、定刀片組成切碎器主體。動刀座嚴格按螺旋線配置焊在切碎器滾筒上,保證動刀片工作時載荷均勻,波動小,從而減小機器的振動。動刀片用銷軸與動刀座相連。定刀架由底板上沿切碎器長度方向均勻加工的長孔和一根定刀梁組成,定刀片穿過長孔固定在定刀梁上,定刀片的間距可根據(jù)作物的不同及需要獲得的不同莖稈切碎長度而調(diào)整6。2 2 漿料雜物切碎機在沼氣工程中,原料來源廣泛,主要是能源作物秸稈、青草、谷類、動物的糞便、垃圾等,它們中混有各種粒度

11、較大的雜物,如雞糞中的雞毛、牛糞中的長草和沙礫等。因此,要采用切碎機對其進行切割、破碎,以保證下游泵和其它機械設(shè)備的運行安全,提高使用壽命。切碎機通常設(shè)置在混料勻漿池和調(diào)漿暫貯池(發(fā)酵罐間的輸送環(huán)節(jié),通過管道安裝在輸送泵前,依靠泵的抽吸作用使?jié){料通過切碎機。有的切碎機為了防止比重大的物料損壞切碎機工作部件,把切碎機進料側(cè)容腔設(shè)計得較大,此處的介質(zhì)流速較低,比重大的物料就會沉降,并可定期由人工取出。按照切碎機工作部件結(jié)構(gòu)的不同,目前歐洲沼氣工程中常用的切碎機主要有以下兩種類型:(1刀片#孔盤組合式切碎機這種形式的切碎機的破碎部件包括開有很多小孔的固定式孔盤和緊貼在孔盤上旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)刀片。漿料中的長

12、雜在通過刀盤上的小孔時被旋轉(zhuǎn)刀片切割。通過調(diào)整刀片轉(zhuǎn)速和刀盤孔徑,就可以控制漿料中切碎后雜物的粒度。圖5是一種典型的刀片#孔盤組合式漿料雜物切碎機結(jié)構(gòu)示意圖。 1.切割刀片;2.殼體;3.電機;4.減速機;5.進出料口連接法蘭;6.重雜沉降室端蓋;7.孔盤;8.刀片壓緊螺帽;9.切割室端蓋圖5 刀片#孔盤組合式切碎機結(jié)構(gòu)示意圖刀片#孔盤組合式切碎機在歐洲沼氣工程中應(yīng)用較多的主要有德國的耐馳(netzsch、福格森(V o ge lsang、西派克(seepex等品牌。(2對滾剪切式切碎機 這種切碎機是基于旋轉(zhuǎn)凸輪泵的雙轉(zhuǎn)子的設(shè)計理念而設(shè)計的,不同于泵的旋轉(zhuǎn)凸輪轉(zhuǎn)子,切碎機使用的是相對滾切的二組

13、圓盤刀。通過調(diào)整每組圓盤刀相鄰刀片之間的間距,以及選擇不同的刀片形式可以達到不同的切碎效果。 1.傳動箱;2.殼體;3.進出料口連接法蘭;4.密封墊;5.切割盤;6.切割盤間隔調(diào)整墊片;78.刀盤壓緊用螺釘、墊圈;9.刀盤主軸;10.切割室端蓋圖6 對滾剪切式切碎機結(jié)構(gòu)示意圖對滾剪切式切碎機主要由德國的博格(boerg er公司、英國的莫諾(MONO 公司生產(chǎn),流量每小時可達300立方,流向可逆,結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊,能夠長時間無障礙運行。切碎機不僅能夠與泵或其他外部設(shè)備串聯(lián),而且還能獨立進行工作。不同的組裝形式包括:切碎機+螺旋輸送機+旋轉(zhuǎn)凸輪泵;進料漏斗+垂直安裝的切碎機+旋轉(zhuǎn)凸輪泵;有破碎效果的

14、雙軸螺旋輸送機+切碎機+旋轉(zhuǎn)凸輪泵等。以上介紹的兩種切碎機所適應(yīng)的場合有所側(cè)重,刀片#孔盤組合式切碎機偏重于對細長纖維性雜物的切割,而對滾剪切式切碎機更適合于對個體較大的塊狀類雜物的破碎。2 3 漿料輸送泵在CSTR 工藝中,發(fā)酵原料性狀的多樣性、高濃度對原料輸送泵帶來了更高的要求。螺桿泵是目前國內(nèi)外沼氣工程中應(yīng)用最廣泛的輸送泵。但是螺桿泵也存在維修費用高、能耗高的缺點,對于TS 濃度超過25%的原料輸送也無能為力,針對這些情況,目前在歐洲有的沼氣工程中采用了凸輪轉(zhuǎn)子泵和高密度固體泵。下面著重介紹這二種輸送泵。(1凸輪轉(zhuǎn)子泵凸輪轉(zhuǎn)子泵是自吸、無閥、正排泵,流量與轉(zhuǎn)速成正比,可以輸送各種粘稠或含

15、有顆粒物的介質(zhì),結(jié)構(gòu)緊湊,對介質(zhì)剪切小,運行震動小。凸輪泵完全對稱設(shè)計允許在任何情況下逆向運轉(zhuǎn),只需要改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向即可,這樣就可以實現(xiàn)由一臺泵完成儲罐的裝和卸兩項工作。1.傳動箱;2.殼體;3.進出料口連接法蘭;4.可更換襯板;5.軸封;6.轉(zhuǎn)子;7.端蓋圖7 凸輪轉(zhuǎn)子泵的結(jié)構(gòu)示意圖雖然凸輪轉(zhuǎn)子泵的整機造價較高,但與螺桿泵相比,其主要易損件的使用壽命長、費用低,能效比高,因此從長期使用的角度來看,凸輪轉(zhuǎn)子泵還是具有運行成本低的優(yōu)勢。此外,凸輪轉(zhuǎn)子泵還具有結(jié)構(gòu)緊湊,占用空間小的特點。(2高密度固體泵前文已在介紹以生活垃圾為主要原料的全混式沼氣發(fā)酵工藝中提及了一種可輸送高密度垃圾的固體輸送泵。使

16、用這類固體泵主要有三大優(yōu)勢:一是適應(yīng)原料廣,可以正常輸送2/3管徑大小的雜物,如當(dāng)輸送管線直徑為200mm 時,物料中允許存在的最大雜物粒徑可達130mm;二是物料濃度高,輸送物料的TS 可達到25%40%;三是輸送距離長,可達200米。德國普茨邁斯特(PUTZ M E I STER 公司開發(fā)的KOS 固體泵采用液壓驅(qū)動,固體泵配備專用的進料裝置+帶攪拌功能的液壓雙軸螺旋給料機,混合后的物料被螺旋推進后,進入KOS 固體泵的輸送缸,輸送缸在液壓油缸的驅(qū)動下往復(fù)運動。S 型擺管配合輸送缸的運動,輸送缸內(nèi)的物料通過活塞推進S 擺管,并經(jīng)過S 擺管進入輸送管道。圖8 KO S 高密度固體輸送泵固體泵

17、可以長時間無故障工作,全封閉系統(tǒng),對物料的適應(yīng)能力強,低維護、低磨損。在德國斯圖加特附近的LEONBERG 、我國上海普陀區(qū)和北京董村等幾個生活垃圾綜合處理廠的沼氣工程中都有應(yīng)用。但是,普茨邁斯特公司的這種固體輸送泵輸送系統(tǒng)的投資還較高,一套包括液壓單元、螺旋喂料裝置、固體輸送泵裝置在內(nèi),輸送能力為150m 3!h-1的固體輸送泵系統(tǒng)在中國市場的銷售價格約在75萬歐元左右。如果能使造價方面有較大降低的話,其在沼氣工程方面的應(yīng)用前景還是十分看好的。3 對我國沼氣工程原料預(yù)處理的幾點建議通過以上對歐洲沼氣工程原料預(yù)處理工藝及裝備的簡單介紹,不難發(fā)現(xiàn),歐洲沼氣工程在運行模式的集中化、原料來源的多元化

18、、收集作業(yè)的機械化、原料粒度控制的精細化等方面有很多值得我國沼氣業(yè)界借鑒的技術(shù)和經(jīng)驗。在此對我國沼氣工程特別是秸稈沼氣工程中原料的預(yù)處理談幾點建議。3 1 探索原料集中收集處理模式,推進沼氣工程的大型化據(jù)我國農(nóng)業(yè)部的統(tǒng)計,截至2006年年底,全國累計建造處理畜禽糞污沼氣工程17475處(其中規(guī)?；託夤こ?278處,養(yǎng)殖大戶小型沼氣工程12197處7。與德國、丹麥等歐洲的沼氣工程相比,就沼氣工程的規(guī)模而言,我國的農(nóng)業(yè)沼氣工程平均池容只有283m 3,而德國沼氣工程的平均池容約1000m 3,池容規(guī)模是德國28.3%;就沼氣產(chǎn)量而言主,中國農(nóng)業(yè)沼氣工程的沼氣年總產(chǎn)量只有德國的17.6%;就沼氣工

19、程發(fā)電的情況而言,我國沼氣發(fā)電工程數(shù)量約占總數(shù)的1%,總裝機容量17.8MW 。至2009年年底,我國已建成的農(nóng)業(yè)沼氣發(fā)電上網(wǎng)工程只有3處,即裝機容量1MW 的蒙牛奧亞牧場大型沼氣工程,2MW 的北京德青源雞糞處理沼氣發(fā)電工程以及3MW 的山東民和牧業(yè)雞糞處理沼氣發(fā)電工程。在德國,至2005年年底,處理農(nóng)業(yè)廢棄物的沼氣發(fā)電工程裝機容量已達到約650MW 。從上述的一些對比中,很容易發(fā)現(xiàn),我國的農(nóng)業(yè)沼氣工程在規(guī)模、產(chǎn)氣效率、運行經(jīng)濟性等方面與國外先進水平的差距還是很大的。國外的先進經(jīng)驗告訴我們,沼氣工程適度的規(guī)模性是維持沼氣工程穩(wěn)定運行的必要條件之一。我國應(yīng)鼓勵根據(jù)各地的實情,重視原料的多元化利

20、用,探索原料集中收集處理模式,積極推進沼氣工程的大型化。3 2 秸稈沼氣工程在追求產(chǎn)能最大化的同時要兼顧降低原料預(yù)處理成本在秸稈沼氣工程中,對秸稈進行破碎處理無疑會提高產(chǎn)氣率,而且不同的消化工藝及消化器形式對秸稈破碎粒度的要求都不一樣。但毋庸置疑的是,秸稈破碎粒度越小,耗能就越多,預(yù)處理成本就要增加。秸稈破碎的能耗除了與破碎的粒度要求有關(guān)外,還與秸稈原料的種類、干枯的程度(含水量、破碎方式等有關(guān)。一般來說,在玉米秸稈、麥稈和稻草三種原料中,玉米秸稈最易破碎,而稻草則因為韌性好而不易被破碎;秸稈在青綠的時候要比在干枯的時候容易破碎;對青綠的秸稈宜采用鍘切的方式,而對干枯的秸稈則宜采用錘擊、揉搓的

21、方式。所以如果是把青綠的玉米秸稈切成10mm 左右的草段,其加工能耗大約在5k W h !t -1左右,而如果是把干枯的稻麥秸稈粉碎成10mm 左右的草段,其能耗要達到20k W h !t -1左右。事實上,除了秸稈破碎的能耗因素之外,秸稈沼氣工程在原料的準備過程中還要考慮到勞動強度、料場設(shè)施等因素。3 3 秸稈原料收貯模式要兼顧沼氣工程特點和當(dāng)?shù)氐馁Y源特點與歐美地區(qū)農(nóng)場式經(jīng)營、規(guī)?；a(chǎn)、單一化作物等種植方式不同,我國的秸稈利用要考慮的各種因素要復(fù)雜得多。當(dāng)一個秸稈沼氣工程達到一定規(guī)模,既要保證原料供應(yīng)穩(wěn)定,又要降低貯運成本,其秸稈原料收貯模式一定要兼顧沼氣工程特點,并與各地千差萬別的秸稈資

22、源特點相結(jié)合,探索適合自身需要的秸稈原料收貯模式。中國沼氣 China B iogas 2010 , 28( 5 以一個原料主要是玉米秸稈 ( 非青貯玉米 的 CSTR 沼氣工程為例, 其對秸稈原料粒徑的要求較 高 ( 10 mm 左右 , 對原料的水分要求則很低。從減 少堆貯空間的角度來說, 把秸稈切碎后再堆貯最有 利 , 從減少切碎能耗的角度來說 , 在玉米稈還是青 綠的時候就收獲最有利。那么 , 玉米秸稈的收集可 有以下幾種模式可供選擇 : 模式一也稱一次聯(lián)合收獲模式 , 這是一種用一 臺聯(lián)合收獲機和集草車配套, 一次性地同時完成玉 米摘穗、 剝皮、 集穗、 秸稈切碎、 回收裝車的聯(lián)合作

23、業(yè) 方式, 其作業(yè)效率最高。但是 , 目前國內(nèi)相關(guān)裝備 的技術(shù)性能還有待進一步完善提高。 模式二也稱分段收獲模式 , 先由玉米收獲機完 成摘穗和莖稈割倒鋪放作業(yè), 再由秸稈撿拾切碎機 完成玉米莖稈的撿拾和切碎作業(yè)。此種分段收獲模 式所對應(yīng)的玉米收獲機和秸稈撿拾切碎機都有較成 熟的產(chǎn)品可選擇。 模式三也稱場地粉碎模式 , 是在場地上采用固 定式或流動式的秸稈粉碎機對秸稈進行粉碎。這種 方式不受作物栽培 茬口的影 響, 生產(chǎn)時 間可以很 長 , 但是如何從田間把秸稈收集到場地上來則要面 臨很多問題。 與德國秸稈沼氣工廠采用一種玉米青貯秸稈收 集模式就解決問題的情況不同 , 我國的秸稈沼氣工 廠可能

24、更多地要考慮如何把上述幾種模式有機地組 合起來 , 才能確保原料的供應(yīng)。 3 4 沼氣工程原料預(yù)處理裝備要積極借鑒吸收國 外新技術(shù) 23 目前國內(nèi)的秸稈切碎裝置多是從青貯飼料和秸 稈電廠的角度考慮, 秸稈切碎的長度還不適合秸稈 沼氣 CSTR 工藝 的要求 , 需要 開發(fā)收 獲切 碎效 率 高、 能耗低、 質(zhì)量好的秸稈切碎裝置。 歐洲沼氣工程在混合原料處理階段廣泛使用的 漿料雜物切碎技術(shù)、 高效輸送技術(shù)、 沼液余熱和發(fā)電 機余熱高效利用技術(shù)等都值 得我們認真研究 和借 鑒, 應(yīng)組織力量通過引進消化吸收再創(chuàng)新, 盡快形 成我國的標準化、 系列化產(chǎn)品。 參考文獻 : 1 2 3 4 5 6 7 顏

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