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绿色、高效的生物甲烷系统

悦智网  · 公众号  ·  · 2017-07-04 15:17

正文

前化石能源枯竭和环境污染两大问题困扰着全球,“节能减排”成为各国关注的焦点。以低劣生物质制生物甲烷为代表的生物技术与化学工程结合,在资源化利用及二氧化碳减排等领域有很大发展潜力。

与太阳能、风能相比,以生物甲烷为典型代表的生物质能是唯一可存储、可作为燃料和化学原料的可再生能源。将低劣生物质高效转化为生物甲烷是其资源化利用的最优方式。考虑到我国生物废弃物量大面广、种类多、污染严重,转化为生物甲烷的社会经济和环境效益大,科技部重点在基础研究、技术创新和商业性示范应用方面进行了系统部署。

目前,我国生物甲烷产业极度依赖政府补贴,从物质转化和能量利用角度来看,目前存在“两低一高”问题,即产气速率低(代表先进水平的德国大规模生物甲烷产率一般为1.0~1.5立方米/立方米·天,而我国仅为0.5~0.6立方米/立方米·天),甲烷浓度低(甲烷含量约50%),过程能耗和规模化成本高(过程能耗占产出生物甲烷量的40%以上)。这三大问题直接导致生物甲烷产业的入不敷出。这一现象背后很重要的一个原因是生物甲烷过程物质转化和能量有效利用的科学问题尚未被揭示,对于包括生物甲烷在内的可再生能源,亟需从科学层面对各种技术方法进行剖析,为今后的发展方向和政府补贴制度奠定理论基础。

国家973计划项目“生物甲烷系统中若干过程高效转化的基础研究”聚集了南京工业大学、北京化工大学、厦门大学、华南理工大学、中国科学院成都生物研究所、中国科学院过程工程研究所等国内化工、材料、生物学科团队,从2012年7月科技部立项以来,经过4年多的研究探索,取得了一系列工作进展。

项目技术路线图

高温产氢途径强化加快厌氧发酵过程

厌氧发酵产生甲烷主要有两条途径,一条是耗乙酸产甲烷,一条是耗氢产甲烷。从热力学上来说,耗氢产甲烷更有优势,然而实际体系中70%的甲烷来自乙酸路线。但发酵菌活性的要求大大限制了溶液中乙酸的浓度,导致发酵产气速率低下。德国等先进国家采用两段法工艺来克服酸浓度的限制,但工艺复杂,设备投资大。

项目研究团队考察了国内最大的养鸡场的高温厌氧发酵产甲烷系统,对其微生物群落特征进行了剖析,发现其中的产氢途径具有明显的优势。在此基础上,团队通过外源调控手段构建了一种以强化耗氢产甲烷路径为主要目标的更为高效的高温厌氧产甲烷菌剂,并在南京工业大学的300立方米高温厌氧发酵系统中进行了应用,结果发现产甲烷效率得到了显著提升。

通过进一步分析协同关系和代谢网络,发现以强化耗氢产甲烷路径为主要目标的厌氧发酵系统整个基因的表达有显著的变化,同时高温时产甲烷的代谢能量也明显增加,就是说我们的认识层面从菌群进一步深入到了特殊的基因组。这为我们的技术创新提供了全新方法和路线。由此复配驯化出的高温厌氧发酵菌剂属于颠覆性的技术。无须改造发酵设备,就可以使产气速率提高到1.5立方米/ 立方米·天以上,相关成 果已申报国家技术发明专利。这一技术为我国现有沼气工程的强化改造奠定了基础。

高温发酵从系统角度 需要低温差的高效换热技术保障

我国绝大部分沼气工程是常温和中温发酵,不仅产气速率低,而且出口沼液余热无法利用,系统能量利用率低。到了冬天,还需要燃烧沼气预热进料来维持系统的运行,最多时需要消耗40%的沼气。瑞典和德国等发达国家广泛采用保温发酵工艺,产气速率可达到1.5立方米/立方米·天 。同时沼液余热通过换热装置进行充分利用。我们对生物甲烷厌氧发酵过程的能量利用进行了系统分析,发现有别于欧盟大温差换热的经验,我国迫切需要低温差的高效换热技术,发展出面向高粘度沼液体系的六边形扭曲管新型换热器,成果不仅已申报PCT国际发明专利,而且已在300立方米沼气工程上成功进行了验证实验。目前正在设计针对1000立方米沼气工程的余热高效利用系统。

目前国际上沼气提纯工艺大部分采用的是高压水洗工艺,该工艺成熟可靠,但投资规模大,通常250立方米/小时的沼气水洗工程需要投资人民币300万元左右。我们基于热力学数据测定和过程模拟,开发出氯化胆碱/尿素水溶液提纯新工艺,设备投资可降至50万元。目前该技术受到瑞典企业的重视,正在洽谈合作,将其用于瑞典高压水洗工艺的改造。

上述两项全新颠覆性技术的推广应用将使过程能耗占产出生物甲烷量的20%以下,将能量利用率提高一倍以上。

生物甲烷系统

复杂系统的集成评价和多目标优化是一个科学难题。由于系统中单元、变量间具有复杂的耦合关系,单元优化并不等于全局的最优化。为此,必须在充分考虑系统拓扑网络结构的基础上,首先综合评价各个工艺路线,再对系统进行多目标的变量和网络结构优化。

生物甲烷体系是一个高度复杂的系统,包括多原料结构、发酵菌群、代谢途径、利用方法等,各部分间耦合强烈,但数据缺乏或相互矛盾,同时需要综合考虑能源、环境、资源和社会等多个目标,其评价和优化具有很大难度。本项目从系统工程角度出发,通过构建生物甲烷发酵、热化学、分离材料和沼液沼渣数据库,提出绿色度概念,开发出生物甲烷系统单元模型,对不同原料、发酵工艺、提纯技术、沼气利用方式下的沼气工程的能效、绿色度和投资回报进行评价和优化。结果表明,高温发酵具有更高的能效;沼气提纯相比于热电联产和燃料电池利用方式,能效和投资回报有明显优势,但绿色度稍差。优化结果不仅可为现有沼气工程的建设改造进行利用指导,也可以为国家制定沼气补贴政策提供理论依据。

生物甲烷过程是将粪便、秸秆等预处理后,经微生物厌氧发酵产生含有50%的甲烷沼气,再提纯得到含量高于97%的甲烷气

生物甲烷过程只是把碳氢提取出来,沼液中还含有氮磷、微量元素、植物生长促进剂等物质,如果把它们很好地归还到土壤中,就可以实现污染物的最低排放,对维持土壤肥力非常有意义。沼液中含有的重金属等有害物质在通过灌溉渠道时需要清理出来,现在我们正在积极开发基于新材料的分离技术,以高效、低能耗地去除沼液中的有害物质,对于土壤修复新技术研发非常有意义。希望我们的多学科交叉的团队不光能解决生物甲烷的高效转化问题,也能用集成的方法解决国民经济中的重大科学问题,为颠覆性技术的推广应用做出应有的贡献。

2016年12月21日,国家领导人在中央财经领导小组第十四次会议上指出,加快推进畜禽养殖废弃物处理和资源化,关系6亿多农村居民生产生活环境,关系农村能源革命,关系能不能不断改善土壤地力、治理好农业面源污染,是一件利国利民利长远的大好事。要坚持政府支持、企业主体、市场化运作的方针,以沼气和生物甲烷为主要处理方向,以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向,力争在“十三五”时期,基本解决大规模畜禽养殖场粪污处理和资源化问题。我们正朝着这一目标而努力。

专家简介

陆小华: 教育部创新团队学术带头人,杰出青年基金获得者,南京工业大学化工学院教授、博士生导师。

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