第2讲 沼气发酵原料.ppt

第二讲第二讲 沼气发酵原料沼气发酵原料 主要内容主要内容 一、木质纤维素类原料一、木质纤维素类原料 二、粪便类原料二、粪便类原料 三、有机废水三、有机废水 四、能源植物四、能源植物  BABA一、木质纤维素类原料一、木质纤维素类原料 BABABA（一）生物结构（一）生物结构纤维素、半纤维素和木质素在细胞壁中的分布 纤维细胞结构模型纤维细胞结构模型三种化学成分在典型木材细胞壁中的分布 BABA（二）化学组成（二）化学组成 1. 木质纤维类生物质木质纤维类生物质构成植物骨架的主要成分是：木木质质纤纤维维素素（lignocellulose），它主要由以下三种成分组成：u纤维素（纤维素（cellulose））u半纤维素（半纤维素（hemicellulose））u 木质素（木质素（lignin））1.1纤维素 纤维素分子链结构式纤维素分子链结构式纤维素是由D-葡萄糖基通过β-1,4糖苷键联结而成的线形高分子化合物，其化学结构的实验分子式为 (C6H10O5)n，分子量约50000～2500 000，相当于300～15000个葡萄糖基。

1）分子结构1.1纤维素 （2）形态结构u基原纤基原纤u微原纤微原纤u原纤原纤u大原纤大原纤u纤维纤维1.1纤维素 （3）特性纤维素超分子结构有结晶区和非结晶区（无定形区）组成，结晶区占主纤维素超分子结构有结晶区和非结晶区（无定形区）组成，结晶区占主体，结晶区的致密结构是导致其难生物降解的主要原因体，结晶区的致密结构是导致其难生物降解的主要原因纤维素受光的辐射吸收光能后，引起纤维素受光的辐射吸收光能后，引起C-C键或键或C-O键断裂，发生光降解键断裂，发生光降解酸或碱可以使纤维素发生水解酸或碱可以使纤维素发生水解1.1 半纤维素 半纤维素是木糖（Xylan or Xyl)、阿拉伯糖(Arabinose or Ara)、半乳糖(Galactose or Gal)、甘露糖(Mannose or Man)、葡萄糖(Glucose or Glu or Glc)等构成的一类多糖化合物1）分子结构半纤维素分子结构模型半纤维素分子结构模型1.2 半纤维素 （2）形态结构半纤维素与纤维素交叉连接在一起形成一个网络结构目前普遍半纤维素与纤维素交叉连接在一起形成一个网络结构目前普遍认为二者之间通过氢键和范德华力相作用。

认为二者之间通过氢键和范德华力相作用1.2 半纤维素（3）特性半纤维素具有支链，因此它的聚集态结构一般是无定形的，易于生物降半纤维素具有支链，因此它的聚集态结构一般是无定形的，易于生物降解，某些半纤维素具有结晶结构解，某些半纤维素具有结晶结构酸或碱可以使半纤维素发生水解酸或碱可以使半纤维素发生水解1.3 木质素 木质素是由苯基丙烷结构单元通过醚键，C－C键连接而成的、非结晶性的、芳香族高分子化合物1）分子结构木质素的结构单元木质素的结构单元软木木质素的定性简化模型软木木质素的定性简化模型1.3 木质素 （2）特性木质素难以被生物降解，从理论上讲，其生物降解需要氧的存在，因此，木质素难以被生物降解，从理论上讲，其生物降解需要氧的存在，因此，不能被厌氧微生物所降解但在厌氧发酵过程中，木质素存在由大分子不能被厌氧微生物所降解但在厌氧发酵过程中，木质素存在由大分子向小分子片段转化的现象向小分子片段转化的现象（二）物理性质（二）物理性质Ø堆积密度堆积密度褐煤560～600 kg/m3；烟煤800～900 kg/m3生物质的堆积密度远远低于煤的堆积密度玉米秸秆的堆积密度为30~50kg/m3 。

2.1 堆积密度堆积密度是指在自然堆积情况下包括燃料颗粒空间在内的密度，反映了堆积密度是指在自然堆积情况下包括燃料颗粒空间在内的密度，反映了单位体积中燃料的质量单位体积中燃料的质量Ø真实密度：真实密度：即通常所说的物质的密度，是指颗粒间空隙为零时计算的物质密度部分生物质堆积密度部分生物质堆积密度Ø生物质是多孔性物质，孔隙中充满空气，空气是热的不良导体，所以生物生物质的导热性较小质的导热性较小Ø生物质导热性除受温度影响外，还取决于木材的密度、含水率和纤维方向生物质导热性随着密度或含水率的增加而提高三种木材在不同纤维方向的热导率2.2 导热性一般地，生物质中灰分含有：Ca、Al、Mg、Na、K、Fe、O、Si、Cl等，还有少量的 Zn、P等2.3 灰分u定义生物质有高温（生物质有高温（500～～600℃）灼烧后留下的残余物即为灰分称量残留）灼烧后留下的残余物即为灰分称量残留物的重量即可计算出样品中总灰分的含量物的重量即可计算出样品中总灰分的含量u元素组成2.3 灰分u特性Ø生物质灰分中的共晶钠和钾盐在大约700℃的条件下就能汽化大约在650℃时，这些碱金属的蒸气就开始凝结到颗粒上面，然后在锅炉系统的水冷壁和空气预热器的表面上沉积下来。

同时，由于生物质中氯元素的存在，继而带来受热面的腐蚀问题氯、钾、钙、铁、硅、铝等成分，特别是氯和钾，其含量比任何固体燃料都高得多使得结渣结渣和沉积腐蚀沉积腐蚀问题非常严重生物质成型燃料在锅炉内燃烧时，当炉温达到780℃以后，部分金属和非金属氧化物融化，并和未燃尽燃料混搅在一起形成结渣，阻挡空气进入炉膛 生物质燃烧形成的沉积物生物质燃烧形成的沉积物Ø元素分析是指组成燃料的碳（元素分析是指组成燃料的碳（C）、氢（）、氢（H）、氧（）、氧（O）、氮）、氮（（N）、硫（）、硫（S）等Ø燃料中各组成元素的性质及其含量与燃料燃烧性能却是密切相关燃料中各组成元素的性质及其含量与燃料燃烧性能却是密切相关的，其影响也各不相同的，其影响也各不相同2.4 元素分析Ø收到基：收到基： Car＋＋Har＋＋Oar＋＋Nar＋＋Sar＋＋Mar＋＋Aar=100%Ø空气干燥基：空气干燥基：Cad＋＋Had＋＋Oad＋＋Nad＋＋Sad＋＋Mad＋＋Aad=100%Ø干燥基：干燥基： Cd＋＋Hd＋＋Od＋＋Nd＋＋Sd＋＋Ad=100%Ø干燥无灰基：干燥无灰基： Cdaf＋＋Hdaf＋＋Odaf＋＋Ndaf＋＋Sdaf=100%Øar-as received ad-air dry d-dry daf-dry ash freen元素分析必须标明分析基础，不同基的元素分析结果用下列方程式表示：元素分析必须标明分析基础，不同基的元素分析结果用下列方程式表示：几种木质纤维素原料的元素组成原料种类元素含量（%）C/NCHONS麦秸49.046.1643.411.050.3446.7 稻草48.875.8444.380.740.1766.0 玉米秸49.955.9743.120.830.1360.2 高梁秸48.636.0844.920.360.01135.1 稻壳46.206.1045.002.580.1417.9 玉米芯48.45.5044.300.30－161.3 花生壳54.96.7036.901.370.140.1 豆秸44.795.8143.445.850.117.7 棉花秸49.85.7043.100.690.2272.2 松木52.35.838.80.20261.5 二、粪便类原料二、粪便类原料New Biogas Effort Launched in Manure Wars二、粪便类原料二、粪便类原料Ø我国每年规模化养殖场排放的粪便量在20亿t左右，而实际排放的粪便污水总量则超过200亿t。

畜禽粪便污水含有浓度很高的有机物，易于生化处理转化为沼气Ø对于养殖场粪便污水的能源化转化利用，应该掌握粪便污水产生的量以及反映其特性的理化指标2.1 pH正常家畜粪块一般呈中性或弱碱性；在粪块内部由于发酵作用产生的酸而呈酸性各种健康畜禽粪的pH值是：猪7.2～8.3、牛7.8～8.4、鸡6.0～7.0、马7.8～8.6、羊7.6～8.4从各种粪便的初始pH值来看，能较好的满足厌氧发酵的需要粪便的化学成分可分为5部分：水分、粗纤维、粗蛋白、粗脂肪和无氮浸出物u 粗纤维包括纤维素、半纤维素和木质素发酵时会结壳、影响流动性和固液分离、还会影响降解率u 粗蛋白含量过高会导致发酵微生物“氨中毒”现象u 粗脂肪是指粪便中能溶于有机溶剂的物质的总称，其主要成分包括有机酸、脂类、酚类等u无氮浸出物含多糖（淀粉、果胶）、二糖和单糖以及维生素C2.1 化学成分化学成分三、工业废水三、工业废水Ø发酵工业是以粮食和农副产品为主要原料的加工工业，主要包括酒精、味精、淀粉、白酒、啤酒、葡萄酒、柠檬酸、淀粉糖、酵母、酶制剂等行业Ø食品发酵工业的主要废渣水来自原料处理后剩下的废渣，分离与提取主要产品后的废母液、废糟，以及生产过程中各种冲洗水、冷却水。

Ø2005年，食品发酵排放废水总量约20亿～25亿立方米，其中废糟、废渣达３亿～4亿立方米，有机物总量超过1500万吨Ø发酵工业均以粮食、薯干、农副产品为主要原料，生产过程中排出的废渣水中含有丰富的蛋白质、氨基酸、维生素以及糖类和多种微量元素，因此是非常好的微生物营养源，以这些废渣水为基质进行厌氧发酵，将原料中的复杂有机物利用微生物的作用降解转化，获得大量沼气Ø常用于发酵的有酒精工业废水、啤酒工业废水、制糖工业废水、味精工业废水、柠檬酸工业废水等几种工业废水四、能源植物四、能源植物甜高粱：甜高粱：每亩地能结出150-500kg的粮食，但它的精华主要在富含糖分的茎秆，其单产可达5,000— 10,000kg每亩中国已收集到70余个品种多数属早熟种，株高一般为250cm左右，高的3m以上锤度5-17%，个别品种达20%以上4.1 甜高粱木薯：木薯：木薯，是灌木状多年生作物茎直立，木质，高2-5m木薯于十九世纪二十年代引入我国，首先在广东省高州一带栽培，现已广泛分布于华南地区，以广西、广东和海南栽培最多，福建、云南、江西、四川和贵州等省的南部地区亦有引种试种4.2 木薯柳枝稷：柳枝稷：一种多年生C4草本植物，20世纪90年代后随着生物能源日益被世界各国重视从而作为一种新型能源模式作物引起关注。

这种植物的特点是种植成本低，生长迅速，植株可高达2m，生物产量可高达20t/hm24.3 柳枝稷4.4 玉米玉米原产地是墨西哥或中美洲，1492年哥伦布在古巴发现玉米，以后直到整个南北美洲都有栽培1494年把玉米带回西班牙后，逐渐传至世界各地到了明朝末年，玉米在我国的种植已达十余省Substrate application in agricultural biogas plants (2005-2007)4.5 皇竹草皇竹草多年生禾本植物，又名皇草或王草，是由禾本科狼尾草属的象草和美洲狼尾草杂交育而成我国最早于1982 年从哥伦比亚引种到海南岛，试种成功后逐步在全国各地推广4.6 芒草4.6 芒草芒属植物的统称，多年生禾本科C4植物，芒草植株高度可达4m，一个生长季就能长3～4 m高一般情况下，从第2年开始便可以收割，产量逐年增长，五六年后达到高峰，此后保持稳产，寿命通常为18～20年，最长可达25年。