生物质沼气技术
生物质制沼气的相关技术参数分析
生物质制沼气的相关技术参数分析摘要本文重点分析了生物质的范畴和能够生产沼气的生物质特性,运用工程经验和国内外文献资料,介绍与生物质制沼气相关的关键工程设施和工艺参数,对于水解酸化罐和沼气发酵罐的设计提出了基本思路,为充分利用秸秆等典型生物质,确保可持续发展指出目前存在的难点。
关键词生物质;农作物秸秆;技术参数中图分类号s210.7 文献标识码a 文章编号1674-6708(2010)24-0135-03the technicalparameters analysis of biomass biogasma dejin1,kong xiandi2,tang gensheng11.anhui bbca chemical equipment co.,ltd.,bengbu,anhui 233010,china2.sino-mining international huainan machineryco. ,ltd.,huainan,anhui 232052,chinaabstract biomass of different kinds and its characteristics are specially analyzed in the filed of biogas process, the key project installations and technological parameters are also introduced related to biogas technology by use of biomass based on engineering experience and references from home and abroad ,the basis idea is put forward concerning the designof biomass acidification reactor and methane fermentation tank, some difficult points to be resolved are pointed for the full use of special biomass, such as crop straw, so as to ensure sustainable development.keywords biomass; crop straw; technological parameters 生物质(biomass)是与生物有关的物质的总称,它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。
生物质能源-关于沼气(精)
综合利用技术
自80年代以来建立起的沼气发酵综合利用技术沼气为纽带，物质多层次利用、能量合 理流动的高效农产模 式 ，巳逐渐成为我国农村地区利用沼气技术促进可持续发展的 有效方法。 通过沼气发酵综合利用技术沼气用于农户生活用能和农副产品生产、加工 ， 沼液用料、饲料、生物农药 、培养料液 的生产，沼渣用于肥料、的生产，我 国北方 推广的沼气生 态农业模式、中部地区的以沼气为纽带的生态果园模式、南方建立的 “猪一果”模式 、以及其他地 区因地制宜建立的“养殖一沼气植”、“猪一沼一鱼” 和 “草一牛一沼” 等模式都是以业为龙头，以沼气为纽带，对沼气、沼液、沼渣的 多层次利用的生态农业模式，沼气发酵综合利用生态农业模建立使农村沼气和农业生 态紧密结合起来，是改善农村环境卫生的有效措施，是发展绿色种植业、养殖业的有 效途径 ，已成为农村经济新的增长点。
沼气
关于沼气
沼气，顾名思义就是沼泽里的气体。人们经 常看到，在沼泽地、污水沟或粪池里，有气泡冒 出来，如果我们划着火柴，可把它点燃，这就是 自然界天然发生的沼气。沼气，是各种有机物质， 在隔绝空气（还原条件），并必适宜的温度、湿 度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧 气体。
沼气的主要成分是甲烷。沼气由50％～ 80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳 (CO2)、0％～5％氮气(N2)、小于1％的氢 气(H2)、小于0．4％的氧气(O2)与0．1 ％～3％硫化氢(H2S)等气体组成 。其特性 与天然气相似。空气中如含有8.6～20.8％ （按体积计）的沼气时,就会形成爆炸性的 混合气体。
沼气发电技术本身提供的是清洁能源，不仅解决了沼 气工程中的环境问题、消耗了大量废弃物、保护了环境、 减少了温室气体的排放，而且变废为宝，产生了大量的 热能和电能，符合能源再循环利用的环保理念，同时也 带来巨大的经济效益。
生物质能---沼气的生产与利用
生物质能源——沼气的生产与利用1 概述生物质是地球上最广泛存在的物质，它包括所有动物、植物和微生物，以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。
以生物质为载体、由生物质产生的能量，便是生物质能。
物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式。
它直接或间接来源于植物的光合作用。
人们对于沼气的开发与利用是生物质能释放的主要形式之一，在能源危机的今天，推广、使用沼气的作用显的尤为重要。
沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。
由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。
人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）条件下发酵，即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，从而产生沼气。
沼气是一种混合的可燃性气体，主要成分是甲烷(CH4)、其余为二氧化碳(CO2)、氧气(02)、氮气(N2)和硫化氢(H2S)，其中甲烷含量约为55％一70％，二氧化碳含量约为30％——45％。
沼气能够作为燃料，是因为它所含大量甲烷气体可以燃烧。
甲烷完全燃烧时，火焰是淡蓝色。
空气中如含有8.6～20.8％（按体积计）的沼气时,就会形成爆炸性的混合气体。
沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。
经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。
2 沼气的生产沼气的生产工艺主要包括以下部分：选取（培育）菌种→备料、进料→池内堆沤（调整pH值和浓度）→密封（启动运转）→日常管理（进出料、回流搅拌）。
2．1发酵原理沼气的生产过程主要是有机物的发酵过程，其中有发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氧产乙酸菌、食氢产甲烷菌等五大类微生物参加发酵。
它们在发酵过程中的作用及对生存条件的要求，有以下三个阶段：（1）液化在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，如纤维酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，对有机物进行体外酶解，也就是把禽畜粪便、作物秸杆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪等小分子化合物这个阶段叫液化阶段。
第三讲 生物质制沼气
第三讲 生物质的厌氧消化产沼技术
授课：何艳峰 博士
内
1. 概述
容
2. 厌氧消化的基本原理
3.厌氧消化工艺
4.厌氧消化反应器
5.国内外典型的生物质厌氧消化工艺
6.国内厌氧消化产沼发展
一、概述
1. 基本概念 1 有机物在无氧条件下，依靠兼性厌氧菌和专 性厌氧菌的作用转化成甲烷和二氧化碳等，并合 成自身细胞物质的生物学过程，是实现有机固体 废物无害化、资源化的一种有效的方法。 总的反应式
厌氧消化产沼技术
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2. 厌氧消化的基本原理
3）四种群说（1979，J.G. Zeikus)
在厌氧消化过程中共有四种群的复杂微生物 参与厌氧发酵过程，分别是：水解发酵菌、 产氢产乙酸菌，同型产氢产乙酸菌和产甲烷 菌。 –水解阶段：将不溶性大分子有机物分解为 小分子水溶性的低脂肪酸； –酸化阶段：发酵细菌将水溶性低脂肪酸转 化为H2、甲酸、乙醇等，酸化阶段料液pH 值迅速下降； –产氢产乙酸阶段：专性产氢产乙酸菌对还 原性有机物的氧化作用，生成H2、乙酸等 。同型产乙酸细菌将H2、HCO3－转化为乙 酸，此阶段由于大量有机酸的分解导致pH 值上升； –甲烷化阶段
沼气的成分
主要为CH4：55-70%和CO2：25-40%。此外 还有总量小于5%的CO、O2，H2S、H2、NH3 、N2、PH3、碳氢化合物（CmHn）等。
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2. 厌氧消化的优点
不需要氧气，可以减少动力消耗、节约能源、减少成本；
有机负荷承受力强，反应器效能高，容积小，占地面积小； 没有与氧相随的微生物合成，因此剩余污泥量少，减少了处 臵费用且生成的污泥较稳定； 可以回收沼气能源、降低污染负荷，同时也减少了温室效应 气体的排放量； 发酵残留物可作为土壤添加剂或肥料，增加其经济效 益
生物质能与沼气
生物质能的概述生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。
而所谓生物质能（biomass energy ），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。
它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。
生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。
目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。
生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中，它是由太阳能转化而来的。
有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，通常包括木材、及森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。
地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。
地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3%。
[编辑本段]生物质能的分类依据来源的不同，可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。
林业资源：林业生物质资源是指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、在森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留的树枝、树叶和木屑等；木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等；林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。
农业资源：农业生物质能资源是指农业作物(包括能源作物)；农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的农作物秸秆（玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等）；农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等。
能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类。
生活污水和工业有机废水：生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。
生物质燃料沼气
1 引言生物质能（biomass energy ），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。
它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。
生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。
沼气作为生物质能的其中一类，在缓解能源短缺，解决能源污染上起着重要作用。
2 生物质燃料沼气生物质燃料沼气是一种新兴的可再生能源，最早是在农村普及。
上世纪八九十年代在我国农村开始应用，现如今，我国正开展农村普及沼气计划，用以缓解环境的污染问题。
将沼气作为未来我国的主要能源是当前的主要任务。
2.1 沼气概念沼气是一种新型的可再生能源，如今已在全世界普及、在环境污染日益严重的今天，无污染，清洁能源沼气的应用已变得更加广泛。
沼气是有机物质（如秸秆、杂草、人畜粪便、垃圾、污泥、工业有机废水等）在厌氧环境和一定条件下，经过种类繁多、数量巨大、功能不同的各类厌氧微生物的分解代谢而产生的一种气体，因为人们最早是在沼泽地中发现的，因此称为沼气。
2.2 沼气的理化性质沼气是一种多组分的混合气体，它的主要成分是甲烷，约占体积的50%～70%；其次是二氧化碳，约占体积的30%～40%；此外，还有少量的一氧化碳、氢气、氧气、硫化氢、氮气等气体组成。
沼气中的甲烷、一氧化碳、氢气、硫化氢是可燃气体，氧气是助燃气体，二氧化碳和氮气是惰性气体。
未经燃烧的沼气是一种无色、有臭味（含有其它气体）、有毒（硫化氢）、比空气轻、易扩散、难溶于水的可燃性混合气体。
沼气经过充分燃烧后即变为一种无毒、无臭味、无烟尘的气体。
沼气燃烧时最高温度可达1400℃，每立方米沼气热度值为2.13万～2.51万焦耳，因此说沼气是一种比较理想的优质气体燃料。
沼气中的主要气体甲烷还是大气层中产生“温室效应”的主要气体，其全球气候变暖的影响率达20%～25%，仅次于二氧化碳气体。
生物质能源与材料---第五章-沼气
第一节 沼气发酵概述 第二节 农村沼气发酵技术 第三节 大中型沼气技术简介
第一节 沼气发酵概述
一、何谓沼气与沼气发酵 人们经过沼泽地时，脚
踩下去，可见有许多小气泡 浮出水面，经点火便见到蓝 色火焰，这就是沼气。由于 这种气体最初是在沼泽地带 发现，故名为沼气。
在农村的粪池或鱼塘中，往往也可以 看到这类气泡浮出水面，点火即燃烧， 这些都是池底有机物质厌氧发酵而生成 的沼气。
不产甲烷菌的作用是为产甲烷菌提供营养，原料中 的碳水化合物、脂肪和蛋白质等有机物不能被产甲烷菌直 接吸收利用，要先通过不产甲烷菌的液化作用(脆外酶水 解)，形成可溶性的简单化合物（如乙酸、丙酸等），作 为产甲烷菌的发酵基质，同时也为产甲烷菌创造适宜的氧 化还原条件，和甲烷菌一起共同维持发酵液的合适PH值。
中有机物所需的氧量,可大致表示污水中的有机 物量。单位是g/Kg。在试验或环境监测中，常 以它来表示废水中有机物浓度，单位是mg/L。 COD是指标水体有机污染的一项重要指标,能够 反应出水体的污染程度。
3、能处理的废物种类多
除了人、畜粪便，各种农作物的有机废物外, 各 厂废物, 如豆制品厂废水、合成脂肪酸废水等都可用 来进行沼气发酵。但沼气发酵只能去除90%以下的有 机物，要达到国家排放标准，沼气发酵的废液仍需再 进行好氧处理。
脂肪
脂肪酸和甘油
水解反应反应速度较慢，所以，沼 气发酵速度主要受液化阶段的制约，尤 以农作物秸秆类原料、固形物含量高， 可溶性成分少，液化过程更显缓慢。因 此，对这类原料，一般在入池前，要进 行切碎堆沤预处理，以提高其液化速度。
某些工业废水，如酒糟废液、合成脂肪酸废水等， 其可溶性有机物较多，在入池发酵前已完成了液化阶 段，因此，它们的发酵速度极快，原料滞留时间缩短 到几十小时或几个小时，可获得很高产率。
生物质热解沼气化工程工艺计算
1000亩地秸秆热解多联产模式一、秸秆产生及利用情况1、秸秆产生情况秸秆产量：550kg/亩，一年两季秸秆总产量：1100吨/年。
秸秆颗粒：920吨/年2、热解资源化利用产品产出情况生物质热解多联产资源产出计算：项目主要以压缩成型后的秸秆为原料，秸秆产量为920万吨/年，通过热解及热解气燃烧产生的热值为4GJ/吨，所以每年热解可产生的热量为3680GJ/年。
同时在秸秆热解过程中活性炭、热解气、木醋液、木焦油的产率分别如表1所示。
1因此，热解1000亩地秸秆，产生活性炭276吨/年；热解气：27.6万m3/年；木醋液230吨/年；木焦油46吨/年。
二、资源需求情况我国北方农村室外采暖最低设计温-18 ℃,室外采暖平均设计温度为-5 ℃,室内设计温度为18 ℃,供热面积为60 m2，核定采暖天数120天，每户居民冬季取暖所需热量为24.84 GJ。
若用热解产生的余热及热解气燃烧热量供暖，满足140户居民供暖需求。
三、建设规模及投资项目主要以秸秆作为热解的原料，秸秆产量为920吨/年。
根据以上规模，各工艺单元规模如表2所示。
表2 1000亩地秸秆热解多联产建设规模及投资综上，项目预计总投资500万元，其中包括土建投资120万元，仪器设备投资320万元，公用工程投资20万元，设备安装费10万，流动资金30万元。
四、经济效益分析1、效益分析1000亩秸秆热解多联产项目的收益见下表3表3秸秆热解收益2、运行成本分析（1）人工费：5人*3000*12月=18万元。
（2）动力费：38x0.7x120 天=0.97 万元。
（3）维修费：按折旧费的20%估算，年维修费为5.6万元。
（4）管理费：按人工费的30%估算，年管理费用5.4万元。
（5）折旧费：土建工程和设备均按15年折旧，残值率5%，年折旧费为440x95%：15=27.8万元。
（6）秸秆费（包含运输费用）：1100吨x150元=16.5万元表4运行成本项目年增收合计131.5万元。
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第二阶段──产酸
可
单糖 溶 氨基酸 性
物
脂肪酸 质
产酸菌
简
单 乙酸
化 合
丙酸＋CO2 ＋氢气
物 醇类
产酸阶段
在产酸微生物群的作用下将单糖类、肽、 氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单 的有机酸（如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和 乳酸）、醇（如甲醇、乙醇等）以及二氧 化碳、氢气、氨气和硫化氢等。
生物质资源开发 与利用
第三章 生物质能源利用原理与技术
3.3 生物转换技术 －沼气技术
内容提要
概述 沼气发酵原理 小型户用沼气技术 大中型沼气工程 沼气综合利用
第一节 概述
基本概念 沼气的理化性质 沼气的生态分布 沼气发酵研究的历史 沼气发酵的应用
1.1 基本概念
什么是沼气？
实际沼气发酵过程中，上述三个阶段界线不 明显，无法截然分开。
液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，许多 参与液化的微生物也会参与产酸过程，可统 称为不产甲烷阶段。
沼气发酵
不产甲烷阶段 产甲烷
液化 产酸
2.2 沼气发酵 微生物及其作用
1.沼气微生物的种类
沼
发酵性细菌
气 微
不产甲烷菌 产氢产乙酸菌
近年来，在甲烷菌研究方面的进展尤为 突出，对甲烷菌的分离、培养、分类、 生理代谢、细微结构和碱基序列等方面 都有一定的研究成果。
近几十年来，发展了许多新的厌氧处理工 艺，如厌氧过滤器、上流式污泥床、两步 发酵法等。
1.5 沼气发酵的应用
1881年，摩热斯在法国建立了世界上第 一个处理废水的厌氧消化器。随后，英 国、美国和印度等过相继建立起大型的 沼气发酵装置，处理城市污水。
1875年，俄国学者波波夫首先发现将河泥加入 纤维素物质中可产生沼气，并发现了甲烷发酵 是一个微生物学过程。
1901年，荷兰学者桑格明确了甲烷细菌的形态 特征以及它们所能进行的转化作用，并发现氢 和二氧化碳的混合物能发酵生成甲烷。
1916年，俄国微生物学家奥梅梁斯基分离 出第一株甲烷菌。
1936年，巴克尔将其命名为奥氏甲烷杆 菌，并发现沼气发酵分为产酸和分解酸形 成沼气两个阶段。
各种有机质(秸秆、人畜粪便等)在厌氧及其 他适宜条件下，通过微生物作用，最终转化 为沼气的复杂过程，即为沼气发酵。
沼气发酵过程
有机质
液化
产酸
产甲烷
沼气
厌氧沼气发酵的主要反应历程
多 糖 液化 脂类 蛋白质
单糖 低聚糖 产酸 脂肪酸 氨基酸
丁酸 丙酸 乙酸 乳酸
H2 + CO2 产甲烷
CH3COOH
产酸阶段主要的产物是挥发性有机酸，以 乙酸为主，约占80％。
第三阶段--产甲烷
简
乙酸 单 丙酸 化
合
醇类 物
甲烷菌 甲烷 二氧化碳
产甲烷阶段
有机酸、醇以及二氧化碳和氨气等物质又 被产甲烷微生物群（又称产甲烷细菌）利 用。
产甲烷细菌分解乙酸、醇等形成甲烷和二 氧化碳等。
以甲烷和二氧化碳为主的混合气体便称为 沼气。
CH4+2O2 点燃 CO2+2H2O＋890kJ
1.3 沼气的生态分布
池沼
1.3 沼气的生态分布
沼泽
1.3 沼气的生态分布
粪窖、阴沟
1.3 沼气的生态分布
水田、海洋 深处以及人 和动物的消 化道中都有 沼气存在。
天然气含有 约95%的甲 烷。
1.4 沼气发酵研究的历史
1776年，意大利物理学家A.沃尔塔测出湖泊底 部植物体腐烂而产生的气体中含有甲烷。
生
耗氢产乙酸菌
物
产甲烷菌 食氢产甲烷菌
食乙酸产甲烷菌
不产甲烷菌
不产甲烷菌能将纤维、半纤维、淀粉、 蛋白质、脂肪等复杂有机物分解成乙酸、 丙酸、丁酸等简单的小分子量的物质。
一种可燃气体 生物质在厌氧和其他适宜条件下，经
微生物分解代谢，产生的甲烷和二氧 化碳为主体的混合气体。
生物质是地表植被在光合作用下的产物，因此从光 合作用的角度来说，沼气是生物质能一种可再生能 源。
1.2 沼气的理化性质
沼气是一种混合气体，其主要成分：
z 甲烷CH4：55% -70% z 二氧化碳CO2：25% -45％ z 少量N2、H2、O2、NH3、H2S和CO等气体
视频：北方沼气工程 思考问题？
什么农村生态模式？ 主要组成机构？ 沼气具体产生过程？ 沼气池主要结构？ 沼气发酵微生物及其作用 z 沼气发酵工艺条件
2.1 沼气的发酵过程
沼气发酵是复杂的微生物学过程，只有存在 大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物 得到最佳的生长条件，各种有机物原料才会 在微生物的作用下转化为沼气。
20世纪30年代，德国许多城市用钢瓶贮 存压缩沼气，用作汽车的燃料。
1.5 沼气发酵的应用
20世纪初，开始发展了许多类型的小型沼 气池，主要以各种作物秸秆和人畜粪便为 原料，生产沼气，供作生活燃料。
小型沼气以我国和印度最为普遍。 20世纪60年代，我国开始发展大中型沼气
工程，集中供热
目前，国外发达国家推行热电联产，实行 沼气发电。
CH4+H2O CO2 CH4+H2O
第一阶段─液化
纤维素 蛋白质 脂肪
纤维酶 蛋白酶
双糖或单糖
脂肪酶 多肽和氨基酸
脂肪酸和甘油
液化阶段
各种有机废弃物都是以大分子状态存在的碳水化 合物，如淀粉、纤维素及蛋白质等。
它们不能被微生物直接利用，必须通过微生物分 泌的胞外酶（如纤维素酶、肽酶和脂肪酶等）作 用，酶解成可溶于水的小分子化合物：
1950年，美国微生物学家亨格特教授创立 了严格厌氧微生物培养技术，解决了甲烷 菌的分离和培养难题。
1967年，布赖恩特将奥氏甲烷 杆菌进行分离纯化，获得甲烷 杆菌MOH菌株和“S”有机体，证实 了原奥氏甲烷杆菌是此两种菌 的共生体，从而揭示了产氢细 菌和产甲烷菌之间的相互依赖 关系，即沼气发酵的微生物学 原理 。
CH4、H2和CO是可以燃烧的气体，主要是 利用这部分气体的燃烧获得能量。
甲烷是由碳和氢组 成的化合物，化学 式是CH4
相对分子量16.043
相对密度0.555(与 空气相比）
甲烷常温呈气态，无 色、无味的气体，极 难溶于水。
甲烷具有可燃性，纯 甲烷燃烧时，呈浅蓝 色火焰。
燃烧时生成二氧化碳 和水，同时放出大量 的热。