[发明专利]一种连续干法生物天然气生产装置及工艺

说明书

本发明属于生物质能源生产工艺技术领域，具体涉及一种连续干法生物天然气生产装置及方法。该装置可包括湿料储池、干料储池、进料混料仓、螺旋输送机、调节池、pH调节罐、一级连续回转发酵装置、一级菌种培养罐、二级连续回转发酵反应器、固液分离器、二级菌种扩培罐、有机肥生产车间、出料装置、脱硫塔、沼气气柜、COsubgt;2/subgt;储罐、膜分离装置和天然气储罐。本发明通过改进多元原料配比、保存同步预处理、分级回转式干法厌氧发酵、COsubgt;2/subgt;生物甲烷化、发酵体系失稳预警、生物碳捕集和存储等技术，提高沼气产气速率、容积产气率和农业废弃物资源化利用水平，获取绿色清洁能源，助力改善农村环境和碳中和目标的实现。

技术领域

本发明公开了一种连续干法生物天然气生产装置及工艺，属于生物质能源生产工艺技术领域。

背景技术

我国是世界上最大的农产品生产和消费国，每年产生的农业废弃物资源量巨大。包括可收集秸秆约9亿吨，畜禽粪便总量约38亿吨，但沼气资源化利用率不足10％。秸秆焚烧和生物质自然腐解过程中产生的温室气体还是我国农业碳排放的主要来源。生物天然气可有效替代化石燃料，是公认的绿色可再生能源，利用好秸秆、畜禽粪便、厨余垃圾等生产生物天然气，有利于解决我国农村环境和温室气体排放问题，对实现“双碳”目标意义重大。

我国目前沼气厌氧发酵方法以CSTR湿法发酵为主，虽然技术成熟，但也有容积产气率低、高能耗、高水耗、沼液产生量大且难以处理等诸多缺点。国外较为先进的生物天然气工程多采用含固率大于20％的干法发酵技术。连续式干法发酵主要采用长轴搅拌推流式反应器，由于高含固物料流动性差，设备大型化困难，对各类复杂生物质原料适应性差。

此外，现有沼气厌氧发酵系统一般采用单级发酵反应器完成多阶段发酵过程，对不同发酵阶段温度、pH、碳氮比等采用单一参数；接种物使用回流沼液，缺乏对发酵体系厌氧微生物的调控手段和失稳预警机制，限制了容积产气率和甲烷产率的提高；工艺自动控制精度低；对产生的CO₂缺乏有效的收集，无法最大限度发挥生物质能碳捕集和封存(BECCS)技术的碳负排放效益。

发明内容

为解决上述问题，本发明设计了一种以两级转鼓发酵罐为主要生产单元的，连续干法发酵生产生物天然气的工艺系统。同时配套与回转反应器相适应的多元原料混合预处理系统、进出料系统、工程菌扩培和示踪监测、沼气提纯净化及CO₂回收系统，相对于现有沼气发酵功率，本工艺可以大幅提高反应器的容积产气率和甲烷产率，降低生物天然气生产成本，提高工艺碳减排效益。

在发酵前对原料进行预处理，减少物料在反应器内的停留时间。将沼气发酵过程分为产酸和产甲烷两个阶段，使用回流沼液和蒸汽流量调节两级反应器内不同的温度、含水率、pH、碳氮比参数，使各阶段均达到最佳发酵效率。采用回转筒体和扬料板结构代替传统长轴搅拌器，避免了推流式反应器在工程放大中的诸多缺陷，提高了对原料的适应能力。通过特殊设计的温度控制系统，可以使生物质原料在厌氧发酵过程中的高效传热传质。在原料中加入GFP基因标记的工程菌群，提高预处理效率，同时对发酵体系生物量进行示踪监测，预警系统失稳。在回流沼液中添加食氢产甲烷菌，提高沼气中的甲烷含量，最大限度的提高反应器的容积产气率。通过对所产生的CO₂进行有效收集，进一步提高工艺的经济效益和碳负排效益，有利于实现利用农业废弃物干法连续发酵生产生物天然气工程的大规模商业化运营。

本发明提出了一种连续干法生物天然气生产工艺和装置，包括湿料储池、干料储池、进料混料仓、调节池、一级连续回转发酵装置、二级连续回转发酵反应器、脱硫塔、沼气气柜、膜分离装置、天然气储罐，