沼渣物理特性及沼渣纤维化学成分测定与分析

以反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气剩余物沼渣为研究对象,采用振动筛分分组、统计分析、图像处理和Fibertec 2010&M6纤维分析系统分析等方法,对沼渣的物理成分及沼渣纤维化学成分进行了测定分析。研究结果表明,沼渣主要由质量分数为64%的纤维、35%的非矿物质和1%的矿物质组成;沼渣纤维中纤维素、半纤维素、木质素、灰分及其它各成分的质量分数分别为44.8%、21.9%、15.6%和17.7%。从而得出结论：反刍动物粪便厌氧发酵生产沼气后的沼渣中纤维素含量较水稻、小麦和玉米等作物秸秆的高5%以上,半纤维素含量较水稻、小麦和玉米等农作物秸秆低5%。研究结果为沼渣资源化、高值化利用技术研究奠定了基础。     

三价铁离子促进玉米秸秆厌氧发酵

厌氧消化是农业废弃物资源化利用的有效途径之一。微量元素是影响有机废弃物厌氧产沼气性能的重要生态因子,其中铁对有机废弃物的厌氧发酵过程的效率和稳定性作用最为显著,而通常秸秆的含铁量很低。因此,该试验以玉米秸秆为例,研究了初始FeCl3加入量分别为0.1%、0.2%、0.5%、1.5%、3%、6%（基于秸秆的挥发性组分）时秸秆厌氧发酵产沼气、产甲烷过程以及沼液沼渣特征。结果表明初始FeCl3加入量为3%,秸秆的厌氧产甲烷效率相对于对照（加入量0%）提高了14%。X射线衍射分析结果表明FeCl3存在时,沼渣中纤维素的结晶度显著降低。沼渣的组分分析结果表明FeCl3的存在有助于提高玉米秸秆中纤维素及半纤维素的分解效率,从而提高了秸秆产甲烷效率。该研究可为农业废弃物甲烷化利用提供参考。     

北京大中型沼气工程冬季运行状况及发酵前后物料理化生物特性

为了解北京市大中型沼气工程冬季运行情况及发酵剩余物理化特性,该文实地调查了北京市29座沼气工程冬季运行情况,以调研问卷的形式了解沼气工程运行状况,并采样分析了发酵原料、沼渣和沼液样品的养分含量、粪大肠菌群数、铜、锌、砷、铅等指标。结果表明:北京29座冬季运行的沼气工程中主要以畜禽粪便为原料,其中有20座沼气工程采用猪粪进行厌氧发酵,厌氧消化反应器类型主要是全混式厌氧反应器和升流式厌氧固体反应器,沼气以供周边农户使用为主,沼渣和沼液以农田利用为主,从区域沼气工程运行状况来看,房山区的沼气工程运行状况相对较好,大兴区和顺义区的沼气工程运行状况参差不齐;所调研沼气工程沼渣和沼液的pH值适宜向农田施用,沼渣的EC值相对原料平均下降了56.97%,沼渣有机质和可挥发性固体的质量分数相对原料分别降低了20.99%和27.93%,沼渣的养分质量分数较高,沼液的养分质量浓度较低,沼渣中的粪大肠菌群数和沼液的化学需氧量、粪大肠菌群数整体偏高,有6座沼气工程的砷含量较高。调查结果可为北京市沼气工程冬季运行效果及沼渣沼液资源化利用提供基础数据,促进北京市沼气工程的可持续发展,提高生态和经济效益。     

木质纤维素原料厌氧生物降解研究进展

分析了木质纤维素原料生物降解特性的分析,重点从两个方面介绍了利用这种原料进行厌氧生物降解产沼气的研究进展:原料预处理技术,包括物理处理、化学处理、生物处理以及热处理技术;厌氧发酵工艺,包括单相发酵和两相发酵工艺,以及混合原料发酵工艺,并简要探讨了木质纤维素原料厌氧生物降解进一步的研究和发展方向。     

水葫芦能源利用的生命周期环境影响评价

水葫芦厌氧发酵能源化利用已成为水葫芦处理与资源化利用的一个重要途径,以江苏省农业科学院水葫芦中试基地与常州市武进区水葫芦综合利用示范工程为案例,利用生命周期评价的方法建立水葫芦厌氧发酵产沼气工程污染物排放的清单,并对系统生命周期环境影响进行评价,以水葫芦能源利用产生1MWh电能为功能单位,评价其对环境产生的影响。研究过程将整个生命周期分成3个阶段：水葫芦厌氧发酵预处理、水葫芦厌氧发酵产沼气发电和沼液沼渣农田应用,重点考虑了3种环境影响类型：全球变暖、环境酸化和富营养化。评价结果为：各类型环境影响指数分别为2.1×10^-3、4.89×10^-2和1.98×10^-1,与能源作物发电及传统火力发电相比较,水葫芦厌氧发酵能源化利用中的CO2、SOx、NOx等污染物排放量均较低,对环境的负面影响最小,但水葫芦能源利用的生命周期效率仅为0.09,低于能源作物热电联用的技术途径（0.119）。降低水葫芦厌氧发酵能源化利用中的石化能源消耗、控制堆肥及沼液沼渣有机肥施用过程中氨挥发损失,对于提高水葫芦能源转化效率与降低环境影响指数至关重要。     

猪粪沼渣用作育苗基质的效果研究

为探究猪粪厌氧发酵沼气工程沼渣用作育苗基质原材料的可行性,以玉米、黄瓜、水稻为供试作物,将沼渣与草炭、蛭石按一定体积比混配为不同配方的育苗基质,布置穴盘育苗试验研究不同配方基质对作物幼苗生长的影响,通过综合评价得出不同作物育苗基质的沼渣适宜施用比例.试验以传统育苗基质(草炭:蛭石=60:40)为对照(CK),用沼渣代替...     

大型沼气工程生态应用关键技术研究

本文系统分析了大型沼气工程整个能量与物质循环过程的几个关键环节,包括原料的收集、原料配制与预处理、厌氧消化、好氧水处理、沼气的净化贮存和输送以及沼渣、沼液无害化处理及其在农作物上的施用等.将收集好的原料先进行短化和去杂处理,按照一定的条件再进行配制;配好以后选择适宜的发酵条件在消化器中进行厌氧消化产生沼气;沼气产生以后必须设法脱除沼气中的水和H2S,水脱除通常采用脱水装置进行,H2s的脱除通常采用脱硫塔,内装脱硫剂进行脱硫.试验表明,沼渣与沼液有促进作物生长、提高作物品质、增强作物抵抗病虫害的功用.     

秸秆厌氧发酵改性制备成型燃料试验

针对秸秆压缩成型存在设备磨损严重和厌氧发酵面临的抗生物降解屏障,提出了一种秸秆厌氧发酵改性制备成型燃料的思路并进行了试验研究。以玉米秸秆为原料,在总固体质量分数12%和中温38℃下对原料分别进行为期10和20 d的厌氧发酵,发酵后的沼渣经粉碎和干燥后于100℃、6 MPa条件下压缩成直径10 mm的颗粒燃料。试验结果表明：经过10和20 d的发酵,玉米秸秆所含能量仅有14.49%和32.01%转移到沼气中;沼渣弹筒发热量分别达到18.01和18.05 MJ/kg,高于原料的17.02 MJ/kg;沼渣挥发物质质量分数为74.08%和72.63%,比原料的81.02%分别下降了8.6%和10.4%;沼渣木质素质量分数为16.98%和17.92%,比原料的13.65%分别增加了24.4%和31.3%;沼渣苯醇抽提物质量分数为5.66%和4.86%,比原料的7.52%分别降低了24.7%和35.4%。成型试验结果表明：沼渣制成的成型燃料松弛密度分别为1.041 g/cm3和1.150 g/cm3,比未发酵秸秆的1.019 g/cm3分别提高了2.2%和12.86%。厌氧发酵改性有助于提高秸秆成型性能、制粒达到相同松弛密度所需的压力较小,有助于降低成型过程设备磨损,且基于上述思路形成的气固二元燃料生产工艺,使秸秆的转化利用不再受制于抗降解屏障,值得深入研究。     

锥形流化床生物质气化技术和工程

利用生物质气化发电、生物质气化供气、生物质气化供热等技术,可以将各种生物质能转化成为高品位气体燃料、电力或蒸汽,是生物质高效转化利用的主要途径。流化床气化是生物质热化学转化的主要研究技术之一。本文主要论述了利用锥形流态化气化炉,对不同生物质原料,进行气化的工程化应用试验研究。应用锥形流化床气化技术,在江苏省和安徽省等地,建立了生物质气化供气、供热和小规模发电(400 kW)等三个不同用能形式的工程。并且从拟建立的6MW生物质热解气化发电的计算结果来看:生物质原料价格达250元/t以上,生物质单纯发电,经济上不可行;如果应用热电联供,并且利用热解气化的固体炭产品,则能够产生较好的经济效益。     

寒区低能耗厌氧发酵反应器热工性能参数研究

厌氧发酵反应器是沼气工程中的核心装置,研究寒区低能耗厌氧发酵反应器,不仅有助于降低沼气工程的能量损耗,提高耗能与产能的产出比,而且对大中型沼气工程在北方寒冷地区的推广与应用尤为重要。低能耗厌氧发酵反应器围绕的核心问题就是在保证反应器厌氧发酵功能的前提下,能的"量"和"质"合理有效利用程度。该文以建筑于地上全混合式厌氧发酵反应器为研究对象,采用能量分析和?分析方法,从反应器的体形、围护结构保温性能以及低?供热方式等方面对寒区低能耗厌氧发酵反应器节能特性进行了分析和研究,得到了低能耗厌氧发酵反应器最佳体形为高径比为1∶2的圆柱形;提出了哈尔滨、沈阳、北京地区在冬季室外计算温度下不同规模节能型反应器顶部、侧壁围护结构导热热阻的阈值;中温厌氧发酵反应器低?热水供热系统进出口温度分别为45和38 ℃,供热系统?效率为86%,反应器供能与用能间能级差为0.018,表明能级匹配合理,用能效率较高。该研究结论可为今后寒区低能耗厌氧发酵反应器的节能设计提供参考依据。     

生物质资源能源化与高值利用研究现状及发展前景

生物质是唯一能够直接转化为燃料的可再生能源，其开发利用既可以弥补低碳能源的需求，减少环境污染，也是中国实现"碳中和"目标的重要手段。该研究围绕以秸秆为主的生物质资源制备清洁能源和高值利用的总目标，系统分析生物质资源通过生物或热化学等转化途径制备气、液、固三相清洁能源的综合利用技术和模式，重点论述厌氧消化制备生物燃气、水热催化炼制醇烃燃料、裂解液化与生物油提质和生物质制备固体燃料4项技术发展现状与研究进展。在4项生物质转化技术中，厌氧消化制备生物天然气工业化程度最高，由于其大都基于大型养殖场建立，可有效解决原料收集问题，而且厌氧消化技术与沼气净化技术相对较为成熟，生物天然气可直接作为燃料、电力和热力来源供用户使用；由于生物质制备液体燃料中存在转化过程成本较高、产物分离困难、提质效率低、产品不稳定等问题，很难与当前应用端平稳接轨，因此水热催化炼制醇烃燃料、裂解液化制备生物油技术规模化发展水平较低；对于生物质制备固体燃料，其成型技术较为成熟，配套炉具的研发也有效解决了成型燃料应用端的问题，其规模化应用最大的难点在于原料的收集与存储。文章最后对未来生物天然气、生物质液体燃料与固体成型燃料发展前景进行展望，为实现农村生物质资源高效制备清洁能源及高值利用提供借鉴。     

Anaerobic co‐digestion of perennials: Methane potential and digestate nitrogen fertilizer value

Co‐digestion of crop biomass improves the traditional manure‐based biogas yield due to an increased content of easily degradable carbon compounds. In this study, the methane potential of three perennials (grass, legumes, and grass+legume) was determined using various amounts together with animal manure. The nitrogen (N) mineralization dynamics in soil and the N‐fertilizer value of the derived digestates were subsequently tested in both a soil incubation study and a pot experiment with spring barley. Digestion of all tested perennials together with a manure‐based inoculum increased the cumulative methane yield four to five times compared to digestion of the inoculum alone, with the highest increases observed with pure grass. However, the methane potential decreased along with increasing grass biomass concentration. In the plant pot experiment, all tested digestates increased barley shoot biomass by 40–170%, to an extent statistically comparable to mineral N fertilizer. However, the application of the digestate originating from fermentation with pure grass resulted in lower plant growth and a more fluctuating soil mineral N content throughout the incubation study compared to the other digestates. Considering the high dry matter and methane yield ha^?1, the possibility to substitute mineral N fertilizer inputs by leguminous biological N₂ fixation capacity, and the digestate fertilizer value, the integration of grass–legume mixtures or sole legumes into anaerobic digestion systems as co‐substrate for manure seems to be promising. This could furthermore contribute to the diversification of cropping systems for bioenergy production.     

玉米秸秆连续干馏条件下能量平衡分析

为分析外源加热与分段连续干馏技术工艺条件下的生物质热解特性,以玉米秸秆为原料,通过自行开发的生物质连续热解炭气油联产平台,开展了生物质连续干馏试验测试,分析了炭气油三态产物的理化性质、组分分布和受工艺参数影响的基本规律,并在此基础上进行了系统热量衡算和能量平衡分析。结果表明,连续热解条件下,玉米秸秆炭品质受物料在反应室的滞留时间影响大,滞留时间一般应不低于30 min,热解气热值可达到15~20 MJ/m~3,热解油组分极其复杂;玉米秸秆炭携带热量最多,约占产物总能量的47.88%,热解气占产物总能量的36.17%,木焦油和轻油分别占13.14%和1.74%;连续热解系统能耗比为0.97,能量回收率为75.7%。该研究可为外加热分段连续式生物质炭化设备的开发和推广应用提供重要的基础支撑。     

麦秸生物炭添加对猪粪中温厌氧发酵产气特性的影响

为探明不同热解温度生物炭添加对猪粪中温厌氧消化产气的影响,以400、500、600℃热解制成的麦秸生物炭（BC400、BC500、BC600）为研究对象,采用批次发酵试验,探讨了生物炭添加对猪粪中温（37±1）℃厌氧发酵产气特性的影响。研究结果表明：麦秸热解生物炭可显著（P<0.05）提高猪粪发酵系统的产气潜力和甲烷含量,其影响从大到小依次为BC600>BC500>BC400。厌氧发酵49 d期间,添加生物炭处理的产气量和产甲烷量分别为260.7~288.7 mL·g-1 VS和163.7~185.5 mL·g-1 VS,较纯猪粪处理提高了77.1%~96.1%和78.1%~101.8%。同时,添加生物炭可明显提高猪粪厌氧发酵系统的消化效率（T90）,缩短厌氧发酵的延滞期。不同热解温度麦秸生物炭对猪粪厌氧消化产气特征的影响明显不同,对畜禽养殖场沼气工程运行中的物料选择和条件优化有实际的指导意义。     

Study of Biochar Properties by Scanning Electron Microscope – Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (SEM-EDX)

Biochar is a carbon-rich solid product obtained by pyrolysis of biomass. Here, we investigated multiple biochars produced under slow pyrolysis (235–800 °C), flash carbonization, and hydrothermal carbonization (HTC), using Scanning Electron Microscope—Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (SEM-EDX) in order to determine whether SEM-EDX can be used as a proxy to characterize biochars effectively. Morphological analysis showed that feedstock has an integrated structure compared to biochar; more pores were generated, and the size became smaller when the temperature increased. Maximum carbon content (max. C) and average carbon content (avg. C) obtained from SEM-EDX exhibited a positive relationship with pyrolysis temperature, with max. C correlating most closely with dry combustion total carbon content. The SEM-EDX O/C ratios displayed a consistent response with the highest treatment temperature (HTT). The study suggests that SEM-EDX produces highly consistent C, oxygen (O), and C/O ratios that deserve further investigation as an operational tool for characterization of biochar products.     

基于能量得率的棉秆热裂解炭化工艺优化

为了从能源利用角度设计和优化棉花秸秆热裂解制生物炭的热解炭化工艺,该文使用了产率、热值及能量得率3个指标来衡量工艺的优劣。首先,研究了热解温度、保留时间和原料粒径3个工艺条件分别对生物炭产率和热值的影响。结果表明,在3个工艺条件下生物炭产率与热值均呈负相关,即高产率和高热值目标无法同时满足。因此,引入能量得率(单位原料所产生物炭的总能量)作为全面评价生物炭产率和热值的综合指标,重点利用响应面分析法分析了3个工艺条件及其交互作用对能量得率的影响,并经过检验得到优化后的能量得率模型。模型预测结果表明,在炭化温度为429℃,保留时间为1.29 h,原料粒径为0.32 mm时,能量得率达到最大值,为78.95%,通过验证试验证明了模型的有效性。该模型能够用于指导生产高能量得率的生物炭,为生物炭能源高效利用目标的实现提供参考。     

Influence of homogenized residues of anaerobic digestate on the physicochemical properties of differently textured soils

Because of the focus on renewable energy, new biogas digesters are being built with the consequence of an increased production of anaerobic digestates (AD) as a by‐product. Although they can be used as organic fertilizer on arable fields, negative impacts of these digestates also may occur. Therefore, it was the aim of this laboratory study to investigate the effect of a normally applied volume of 30 m³ ha^?1 of anaerobic digestates derived from a ground input substrate of maize (Zea mays L.) , sugar beet (Beta vulgaris L.), and wheat (Triticum aestivum L.) in different ratios (100 /80 / 20%) on the properties of two soils. The soils, which were homogenized (sieved to ≤ 2 mm) and placed in columns with a defined bulk density of 1.45 g cm^?3, were a Cambic Luvisol (sandy loam) derived from glacial till and a Podzol (sandy sand) derived from glazial outwash. Physicochemical parameters [pH, electrical conductivity (EC)] and the wetting behavior of the soils were analyzed by measuring the contact angle (CA) by using the Wilhelmy–Plate‐Method (WPM) and the Repellency Index (RI) from the sorptivity of water and ethanol. To determine the risk of soil dispersion as a consequence of digestate amendment, the amount of readily dispersible clay (RDC) was determined by detecting the turbidity of a soil suspension. The application of 30 m³ ha^?1 of AD decreased the wettability of the sandy sand as compared to the untreated soil, while the wettability of the loamy sand remained unaffected by the digestate amendment. The amount of RDC was higher in the loamy sand compared to the sandy sand, but the AD‐amended soil did not exhibit a significant change in dispersibility. While the loamy soil exhibited acidification of the soil after digestate application, the sandy soil showed an alkalinization of soil columns. Overall, the soil texture was identified to be a main factor controlling the effect of the digestates on soil properties. The results of this lab study showed that this study can be used as a first approach for the quantification of digestate amendment under practical conditions.     

生物质连续热解炭气油联产中试系统开发

针对目前多数生物质炭化设备生产连续性差、能耗高、生产过程中存在焦油水洗二次污染等问题,结合生物质炭化技术最新进展和农林剩余物原料特征,提出了生物质连续热解炭气油联产工艺方案,引入连续分段热解、多级组合除尘脱焦和燃油/燃气回用加热工艺方法.在此基础上,重点突破了多线螺旋抄板物料均匀有序输送、多腔旋流梯级高效换热、保温沉降密封出炭、系统压力与气体组分耦合预警等技术,开发了生物质连续热解中试生产系统.运行检测结果表明:系统运行稳定可靠,温度控制精度为±16℃,反应室压力控制精度为±-25 Pa,以花生壳为原料,原料处理量为28.2 kg/h,生物炭得率为31.3％,热解气产率29.6％,液体产物产率19.8％,热解气低位热值为16.3 MJ/m3,各项技术指标均达到了系统设计目标与要求.该中试系统的开发为设备放大及示范应用奠定了重要基础.     

C and N dynamics of a range of biogas slurries as a function of application rate and soil texture: a laboratory experiment

Digestates vary in composition and studies regarding their impact on C and N dynamics in soils are scarce. The objective was to analyse the C and N dynamics of digestates originating from various substrates applied to a sandy Cambisol and a silty Anthrosol. In three laboratory experiments (4–6 weeks), the effects of digestate properties, N rate and water content were tested. Averaged over both soils, 21% of the C supplied was emitted as CO₂. Potential NH₃ emissions during the first week ranged between 6% and 12% of NH₄⁺ present in the digestates. The emission factors in the sandy Cambisol were on average 1.2 and 2 times higher for CO₂ and potential NH₃, respectively, compared to the silty Anthrosol. Similarly, net nitrogen mineralization in the sandy Cambisol was approximately twice the N mineralized in the silty Anthrosol. Net nitrification was not influenced by soil texture or different digestates, but increased with increasing application rates and had highest values at 75% of water holding capacity. Our results indicate that the type of substrate input for anaerobic digestion influences the properties of the digestate and therefore the dynamics of C and N. However, soil texture can affect these dynamics markedly.     

生物炭生产与农用的意义及国内外动态

近年来,生物炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受重视。生物炭在土壤中能够保持数百年至数千年,实现碳的封存固定,生物炭还可以改善土壤理化性质及微生物的活性,培肥土壤肥力,延缓肥料养分释放,降低肥料及土壤养分的损失,减轻土壤污染。生物质的热裂解及气化均可产生生物炭,但是慢速热裂解和热水炭化工艺的生物炭产率最大,同时还可获得生物油及混合气,生物油及混合气可升级加工为氢气、生物柴油或化学品,这有助于减轻对化石能源或原料的依赖。生物炭的生产及农用是碳减排的过程,废弃生物质生产生物炭及其农用的效益是多赢的。国外在废弃生物质热裂解生产生物炭及农用方面做了许多研究工作。中国在生物质热裂解获得生物能源方面做了较多工作,但对生物炭的生产及农用重视不够。今后,中国应以废弃生物质生产生物炭,并将生物炭农用作为生物能源、环境及农业可持续发展的战略。