大自然中的甲醇經濟

2021-04-08 248
“十二五”期末我國的生物質能源總量有4.6億噸標準煤,而只開發利用了2200萬噸,只占了不到二十分之一。諾獎獲得者喬治·奧拉所說的“甲醇經濟”中一個重要觀點,就是甲醇的制備可以來自生物質。生物質能可否 地轉化為便于存儲和運輸的甲醇,從而大大提高生物質能的利用價值?目前技術成熟度怎么樣?離成功實現還有多久?產業化時間還需要多長?反應器的效能、容積大小、承受力、建設成本等方面是攻關的重點。記者帶著一大堆問題,采訪了華南農業大學新能源與新材料研究所所長、廣東省高校生物質能源重點實驗室主任、農業部能源植物資源與利用重點實驗室主任、博士研究生導師謝君教授。

生物質能中的一把雙刃劍

環境污染和能源短缺是本世紀的兩大主題,開發綠色的環境治理及可 能源生產的技術迫在眉睫。據統計,我國規?;笄蒺B殖每年產生糞便38億噸(若 轉化成沼氣相當于1.62億噸標準煤),其中 15%配備了沼氣工程等處理設施。畜禽糞便已經成為農業面源污染的主要源頭之一,也給畜牧業可持續發展帶來了嚴峻挑戰。畜禽養殖廢棄物就像一把雙刃劍,它既會成為污染源,也可能成為 的生物質能。開發 的畜禽養殖廢棄物處理和資源化綜合利用新方式勢在必行。

讓廢棄物發酵產生沼氣:高密度厭氧發酵技術

記者采訪謝君教授團隊了解到,華南農業大學目前在處理畜禽養殖廢棄物的 個環節“高密度厭氧發酵”研究方面已取得顯著進展。

厭氧發酵,是指在無氧條件下,利用厭氧發酵微生物的 生理功能,將畜禽養殖廢棄物的有機物轉化為生物質能源——沼氣的過程。謝君團隊現已形成的禽畜養殖廢棄物厭氧發酵技術工藝,即以禽畜糞便為原料,通過糞污車運送至調配池中,禽畜尿、沖洗水等污水通過管道輸送至沉淀池,經沉淀后的濃液由泵抽至調配池,與鮮糞便調配至發酵濃度TS在8%—10%之間,由進料泵泵入2座CSTR厭氧發酵罐中進行厭氧發酵,發酵溫度35℃,發酵滯留期20d。沉淀池的清液由泵排入過濾床AF發酵罐進行沼氣發酵,沼氣產氣率可達1.25m3/m3.d。

生物質甲醇的制備

甲醇(CH3OH)的能量密度很高,而且是 簡單的飽和醇,具有非常高的附加值,常溫常壓下以液體狀態存在,便于儲存和運輸,可以作為中長期儲能載體。甲醇在 基本有機原料中占據非常重要的地位,其年平均消耗量僅次于乙烯、丙烯和苯,可用于醫藥、農藥、纖維、甲酸、塑料、染料、合成蛋白質等工業生產。

傳統的甲醇生產技術主要來源于不可 的 氣和煤。隨著世界各國人民 意識的增強,尋找一種可行方法實現可 生物甲醇的合成是近幾十年來國內外學者追求的目標。在實際運行過程中,重點要從降低項目的固定投資成本、運營維護成本和提 源利用效率等方面把總成本降到 。

從沼氣制備甲醇

生物甲醇有望作為新一代液體生物燃料進行推廣應用,還可用傳統化工、精細化學品以及新能源汽車等各領域。沼氣中60%左右是甲烷(CH4),其余為二氧化碳和少量的硫化氫等。沼氣需要進行空氣脫硫、活性炭脫硫等脫硫工藝,將硫化氫(H2S)從濃度控制在0.5ppm以下,后續進入生物甲醇煉制過程。

謝君教授團隊業已建立沼氣(約含60%CH4和40%CO2)全組分轉化生物甲醇的實驗室技術,并正在進行工業化生產的設計。該團隊 建立了將畜禽糞便發酵所產生的沼氣全組分轉化合成生物甲醇的技術。首先對沼氣進行深度脫硫(<0.5ppm),然后加入少量水蒸氣,將甲烷和二氧化碳共轉化合成為生物甲醇。該技術明顯優于目前國內外報道的利用生物質直接氣化合成甲醇或二甲醚技術。目前,正在開發可用于日產沼氣2萬立方米的生物甲醇合成裝備,該裝備可合成濃度>50%的甲醇溶液,此甲醇溶液無需進一步精餾,可以直接作為甲醇水氫燃料電池的原料或其他化工原料。

謝君教授團隊研發的反應器在厭氧發酵過程中對有機復合承受力強,反應器效能高,容積小,占地面積小,基建成本低。

沼液沼渣的處理

沼液沼渣含有豐富的氮、磷、鉀和大量的元素外,還含有對作物生長起重要作用的硼、銅、鐵、錳、鋅等微量元素。CSTR厭氧發酵后的沼渣沼液進入緩沖池,由固液分離機分離,得到的沼渣進入固體有機復合肥生產間進行有機肥生產。而固液分離機分離得到的沼液進入沼液池,與過濾床AF發酵后的沼液一同進入液體濃縮肥生產車間。

沼液沼渣以就地就近用于農用有機肥為主要使用方向,基本解決大規模畜禽養殖場糞污處理和資源化問題。沼液中有機物及磷酸鹽等被截留濃縮,制成 葉面肥,噴灑植物葉片,更容易被植物吸收、轉化。沼渣除了含有豐富的氮、磷、鉀等大量元素外,還有對作物生長起重要作用的硼、銅、鐵、錳、鋅等微量元素,尤其是腐殖酸含量很高,可達10%—24%,腐殖酸對土壤改良有重要作用。厭氧發酵后沼液沼渣進入固液分離系統,所得的沼渣,經過選定微生物的發酵、干燥、粉碎、添加制備生物有機肥料。液體濃縮肥方面,針對沼液產量大、處理成本高、儲存運輸困難等問題,采用超濾系統、多級膜處理技術、納濾系統對沼液進行濃縮,濃縮液體積大大降低。沼液濃縮后便于儲存運輸,也便于 有機復合肥的制備。清液可以達到國家 排放標準,亦可用作中水回用于養殖場沖洗用水。以5萬頭豬養殖場為例,采用該工藝對豬糞進行厭氧發酵,豬糞日產量約17噸,可實現日產沼氣5000m3、沼渣10.7噸、沼液812m3;實現日產固體有機復合肥4.88噸(含水率20%);液體濃縮肥20m3,可實現年銷售收入約1000萬元。

生物質甲醇的未來

謝君教授團隊基于畜禽糞便合成生物甲醇以及聯產固/液體生物肥料的綜合策略不僅可以 解決農村生活環境、能源以及土壤面源污染問題,而且可以為生物甲醇的開發尋找一條新路子,具有多重重要的戰略意義。此外,謝君教授團隊正在努力攻關分布式生物甲醇制備方案,讓設備變得更小,效率變得更高,成本變得更低。期望以此讓他們的技術和產品能走進廣大農村,走進千家萬戶,讓我國生物質能這一巨大的“礦場”的利用率得到大幅度的提升,努力為實現 事業和循環經濟作出貢獻。
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