[发明专利]一种提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法

说明书

技术领域

本发明属于可再生能源领域，具体涉及一种通过二次强化提高能源草厌氧发酵产甲烷效率，缩短停留时间的两相反应方法。

技术背景

我国是当今世界上最大的发展中国家，也是世界上第二位能源生产国和消费国。然而，我国人口众多，人均资源严重不足，已探明的人均煤炭、石油和天然气资源分别为世界平均值的42.5％、17.1％和13.2％。随着经济快速发展，能源生产已经无法满足能源消费的快速增长，石油的对外依存度逐年增大，2008年超过50％，供需矛盾突出，能源短缺将是一个长期的过程。2007年中国能源消费中化石燃料占93.5％(其中，煤炭占70％，石油占19.7％，天然气仅占3.5％)，可再生能源占6.5％。世界天然气的消费比重占能源消费总量的比重为23.8％，而我国天然气的消费比重远低于世界的平均水平。这样的能源结构给我国经济发展、社会稳定和生态环境带来很大压力，必须寻求可持续的能源消费和供应途径。

为了逐步提高优质、清洁、可再生能源在能源结构中的比例，2007年国家制定了《可再生能源中长期发展规划》，力争到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10％左右，到2020年达到15％左右。我国是沼气技术发展较早的国家之一，几乎涉及沼气相关的技术都有单位在研究。尤其在户用沼气池技术上处于国际领先水平。在应用我国传统的天人合一生态、循环理念产生的不同类型沼气工程模式，具有显著的特色。我国目前沼气工程的发酵原料单一，主要为单原料发酵，且主要处理畜禽养殖废弃物和工业有机废水，很少用于纤维素原料的厌氧发酵。并且农作物废弃物因受条件限制(如发酵效果、收集半径及原料价格)影响其工业化进程。

能源草是一系列可以作为燃料使用的草本植物的统称，一般是禾本科多年生高大的丛生草本植物，如芦竹、象草、柳枝稷、草芦等。这些植物都具有生长快、产量高、易管理、热值高和环保等优点。通过对其厌氧制备燃气特性的研究可满足国家节能减排、能源安全以及可持续发展的需求。

目前对于能源草的应用研究多集中在作为动物饲料、造纸原料、食用菌原料和公路绿化及防护方面。对于以能源草的厌氧发酵研究自从20世纪80年代中期以来，欧美等国对多年生能源禾草的兴趣就不断增加，并从中选取了柳枝稷、芒类、虉草和芦竹等4类根茎型禾草加以重点突破，以求达到快速应用和示范的目的。目前，主要的利用方式有如下几种(1)直接燃烧发电，这是目前欧美国家主要利用方式；(2)粉碎、压缩成固体燃料，用于锅炉或其他用途；(3)在高温高压下气化，制成CO、H₂等可燃气体；(4)直接液化或利用硫酸或纤维素酶分解能源草制取燃料乙醇；(5)利用厌氧发酵制沼气。从目前的技术水平来看，沼气发酵是能源草利用的最好方式。其优势有：(1)生物质能源的最大缺点就是分散，收集与运输费用将占能量成本的很大部分，发酵成沼气实际上是对能源的“浓缩”，而沼气可以发电向外输送，沼气发电机组容量可灵活选择(10～500kW)，非常适合分布式发电；(2)沼气发酵是在常温(或中温)常压下进行的一种自然过程，相对成本低、净能源产出率高；(3)沼气发酵使能源草中的绝大部分营养元素留在沼渣，通过沼渣还田，可减少农作物的施肥量、降低生产成本，并避免化肥对环境的污染。

在我国，已开始对柳枝稷和芒草的产能效果进行研究，对于柳枝稷的研究多集中在燃料乙醇的制备，而对于产沼气的效果则很少报道，芒草的研究则主要集中在湿法厌氧发酵制备沼气，对于高固体浓度条件下的产气效果和工艺参数还有待进一步深入，而对芦竹主要是将其作为造纸制浆的原料进行研究，尚未见到将其作为能源草进行系统研究的报道。可见，有关能源草的开发利用目前仍处在研究和试验阶段，真正的产业链尚未形成，技术产业化仍面临很多问题，如品种资源较为短缺，尚缺少系统的资源调查评估，且目前的主要利用方式是直接燃烧、固化和气化发电，生物与化学转化利用仍处在试验研究阶段。

能源草作为厌氧发酵的原料的主要问题由于木质纤维的本身结构造成的，木质纤维素类原料主要有纤维素、半纤维素和木质素三大类组分构成，由于纤维素的结晶度、半纤维素和木质素等的保护作用，使得酶或微生物不易接触，因此纤维素类原料的厌氧消化过程中水解一直是限速步骤，导致原料的消化时间长(一般需要30-60天左右)，产气率低等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服能源草中难利用物质厌氧消化性能低的障碍，提高能源草制备生物燃气效率的两相反应方法，对产气性能降低的能源草进行二次强化处理，以提高能源草的利用效率，缩短停留时间，并提高产气性能。