技术总结报告(正式)

废弃秸秆沼气集中供气工程机电一体化装备及控制技术研究技术总结山西农机新技术服务中心二O一三年一月一、立项背景及意义1、立项背景《国务院办公厅关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》中指出：有序发展以秸秆为原料的生物质能，结合乡村环境整治，积极利用秸秆生物气化（沼气）、热解气化、固化成型及炭化等形式，逐步善农村能源结构，逐步实现产业化……。发展农村沼气不仅可以解决农民生活用能，保护生态环境，而且是发展循环经济，建设资源节约型社会，推进社会主义新农村建设的重大举措，深受广大干部群众的欢迎，被农民喻为“富民工程”、“德政工程”和“民心工程”。近年来，国家逐步加大了对于农村沼气建设的支持力度，农村沼气发展进入了加快普及的新阶段。但目前，我国沼气生产的主要原料仍是畜禽粪便，这使得具有养殖习惯的农户或具有养殖场所在地区的农户成为发展沼气的必要条件，这客观上制约了沼气在更大规模和更大范围内的推广，因此，开发新的原料来源，解决沼气原料问题，成为沼气发展过程中的一项重要任务。而与此同时，作为世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源秸秆，我国资源非常丰富。目前，我国每年产生各类秸秆资源总量约为7.7亿吨，可利用量约有6.8亿吨，其中，除饲料用1.6亿吨、工业原料和新型能源开发利用3000万吨、直接还田5000-6000万吨外，大多数都是直接燃烧或未加任何开发利用。这不仅浪费了资源，更导致了严重的大气污染，大量的秸秆也迫切需要寻找新的利用途径。因此，利用秸秆为原料机械化生产沼气，既可提高秸秆的利用效率和经济效益，又可以拓宽沼气的应用领域，在经济、生态、能源等多方面，都具有重要意义。2、立项意义（1）开展秸秆沼气项目研究，是构建农村稳定能源供应体系，推进节能减排工作的需要沼气是可再生的清洁能源，可替代煤炭等商品能源，利用秸秆发酵制沼气，能使巨大的生物质能仓库利用起来，节约矿石燃料，降低废气排放，建设多渠道能源供应体系，缓解国家能源压力具有重大意义。（2）开展秸秆沼气项目研究，是调整农村产业结构，促进农村经济发展发展的需要中国农村改革与发展取得了巨大成就，农业产业化作为农业和农村经济发展的一种生产经营形式，已被社会所公认，并取得了显著的经济效益和社会效益。农业产业化是当代中国农村改革与发展的战略抉择，农村沼气建设也自然在其中。根据农村沼气发展现状，必须以市场为导向，把沼气建设与市场需求有机结合，加速沼气产业化进程，逐步实现沼气建设的专业化、商品化和社会化。发展农村秸秆沼气，使廉价的、废弃的秸秆资源变成高附加值的可再生能源，不仅增加了农业产出，而且增加了农民的收入，优化广大农村地区能源消费结构，促进广大农村经济具有重大的现实意义。（3）开展秸秆沼气项目研究，是改善农民生产生活条件，扎实推进社会主义新农村建设的需要我省局部农村经济发展水平较低，基础设施落后，环境卫生条件差，大部分农户生活用能主要采用直接燃烧秸秆、薪柴等落后方式，室内空气污染严重，导致了疾病的发生和疫病的传播，影响了广大农民群众的生活质量和身体健康。秸秆一体化两相厌氧发酵工艺技术的推广，使秸秆规模化产沼气成为可能，利用该技术建设秸秆沼气集中供气站，不仅能解决农村的炊事，而且还能解决农村的冬季取暖问题。燃烧效率高，环保无污染，可以逐步改变农村几千年来烟熏火燎的用能方式，改善农村卫生状况和农民生产生活条件，是提高农民生活质量、降低生活成本、改变农村落后面貌、建设社会主义新农村的有力助手。（4）开展秸秆沼气项目研究，是保护和改善生态环境，促进农村可持续发展的需要本项目属节能减排综合性技术，通过技术创新、使秸秆木质素得以分解，使秸秆产沼气成为可能，避免了秸秆的焚烧和丢弃、污染。有效的降低了二氧化碳和二氧化硫的排放，保护了环境。如果通过本项目使其推广到千家万户，所产生的环保效益，必将推动节能减排战略的实施，必将成为保护生态环境的重要途径，有利于建立资源节约型和环境友好型社会，促进人与自然和谐发展与经济社会的可持续发展。二、项目主要研究内容项目的主要研究内容是废弃秸秆的资源化、无害化处理（机械化纯秸秆厌氧发酵制取沼气）技术，配套研究高效厌氧发酵装置、压力输料装置、高压射流压浮无机械搅拌装置、新型秸秆沼气工艺以及系统工艺的机电一体化控制技术。上述的研究内容，采用引进、吸收、消化、再创新的技术路线，通过农业工程技术和工业工程技术协作攻关，科学规划、统筹兼顾，在各模块研究的同时组织了相关技术人员，开展设备的设计与试制，并进行试点试验，保障项目的顺利完成。三、主要解决的关键技术与创新点本项目研究在充分调研并实践的基础上，提出了农村清洁能源利用新方式，通过以下五项技术创新，基本适应了新农村建设中低碳、环保、清洁、循环的生态村、生态理念，满足节能减排的总体要求，项目具有先进性、科学性与可持续发展性。3.1关键技术(1)秸秆厌氧发酵的机理研究；（2）、秸秆沼气的装备技术研究；（3）秸秆沼气的自动化控制技术等共性问题开展研究。3.2创新点（1）本项目采用空气压力无磨损输料装置，实现大颗粒原料的不缠绕、无堵塞上料，省略了畜禽沼气的栅格处理池工艺，提高了原料液的混合浓度达到25%。秸秆的密度小、体积大、不具有流动性，因此，现有的畜禽粪便生产沼气的泥浆泵或螺旋搅轮都无法直接用于秸秆沼气混合物的连续输送。针对秸秆特殊的物料特性，结合工业上的空气源物料输送装置的结构原理，本项目研制了空气源秸秆输料装置，实现了大颗粒秸秆的大容量输送。它的原理是，首先利用真空泵抽去罐内的空气，使其内部形成一定的真空度；上料时控制阀门打开，搅拌池内浓度为25-30%的秸秆发酵原料，在外界大气压的作用下，输入罐内。经酸化工艺后且达到出料状态时，向罐内输入压缩空气形成正压强。打开控制阀门，秸秆混合液体经与厌氧罐链接的输料管道进入厌氧罐内进行发酵，实现了发酵罐产气的连续性。（2）采用沼液高压射流压浮无机械搅拌技术替代了传统的浆叶搅拌技术，降低了成本和制造工艺，提高了沼液内部的生物质溶解度；传统完全混合式CSTR厌氧发酵器，都配置有机械式搅拌装置，用于强制沼气溶液与生物质的融合度。但由于机械式搅拌器受厌氧发酵罐的密封、以及运行成本的影响，成为限制系统能耗比及可持续运行的主要因素。本项目通过采用沼液自循环模式，利用大口径污泥泵定时将罐底高浓度的沼液污泥，喷射撞击表面反应层，使消化器内的料液与原料充分混合，增加溶解度，达到充分接种和防止秸秆上浮的作用，效率比传统的常规消化器显著提高。（3）采用太阳能动态增温保温技术，实现厌氧罐发酵温度的低能耗恒温控制；当前，沼气集中供气系统的增温保温环节能耗站总运行成本的40%。降低系统运行成本，对于沼气站的可持续运行和健康发展具有重要的意义。传统的太阳能沼气加热系统，利用PLC管理，系统能耗不能控制在最佳范围。本项目，利用模糊PID技术，结合现代数字传感器技术，设计了太阳能动态厌氧发酵动态温度控制系统，动态调整输入厌氧发酵罐的热量，精确控制能量消耗，实现了系统的低功耗运行。（4）采用虚拟仪器在线秸秆沼气工艺流程的精量化管理技术平台，对秸秆沼气生产工艺的参数化管理，提高了系统的运行效率，降低了系统的运行成本；随着我国科学技术的不断发展，秸秆的微生物处理技术已取得关键性突破，秸秆发酵制取沼气已成为我国沼气技术史上新的里程碑。但目前我国秸秆沼气粗放管理方式限制了该技术的进一步发展与应用，产气各关键环节检测的标准化建设与秸秆沼气集中供气技术的发展水平与速度不相适应成为主要原因之一。本项目以LABVIEW平台为系统为上位机，利用数据传感器、数据采集卡开发出秆沼气工艺参数化控制软件，实时监测系统运行情况，提供控制支持，实现沼气工艺的精量化管理。（5）采用秸秆高温堆沤、水解液化、交替式酸化和厌氧发酵多级秸秆厌氧发酵工艺，实现了秸秆的高效分解与处理。本系统由秸秆堆沤发酵单元、一级水酸化单元、复合厌氧酸调节单元暨空气正负上料输料单元、厌氧发酵单元以及沼气贮气输气和沼渣沼液处理单元组成。与传统的畜禽沼气结构省略了栅格处理、集水池、集粪池等生产工艺，降低了建设成本，提高了土地利用率；同时本系统增加了三级秸秆发酵工艺，满足了秸秆的生物降解及调高单位产气效率的要求。四、取得的社会经济效益及推广应用前景（1）社会效益当前我国正进入社会主义建设的关键时期，城镇化建设已成为我国稳定就业、拉动内需、推动经济持续快速发展的重要举措。本项目的实施，能推动沼气事业在新时期的快速转型，拉动建筑、电子、运输等相关产业的发展，拓展农业产业链，提高农业综合生产能力，增加秸秆收集、运输、加工以及沼渣综合利用等生产环节，促进当地蔬菜种植业的高产高质发展并提供提供大量相关工作岗位。对于推动当地能源结构的调整，保持农村经济又快又好的发展具有重要意义。（2）经济效益本项目的推广应用，能使农业生产副产品——秸秆资源化利用，使农民每亩土地增收60元，提高了农业综合生产能力；能使每户农民年节约煤炭6吨，增收节支3000千元；生产沼肥3吨，增收节支450元；促进作物增产30%，增收8000元。年增收11300元。（3）生态效益本项目能促进秸秆、生活垃圾、畜禽粪便等有机物的无害化、资源化利用，杜绝决秸秆焚烧、保护大气环境与水资源、改善能源结构，保障能源安全，建设资源节约型、环境友好型社会，促进农村生态修复与建设具有重要的意义。推广应用前景在近年的中央一号文件连续指出通过科技创新，加大可再生能源的利用力度，全面推进节能减排工作的落实。这为本项目的实施创造了广阔的发展空间。同时党中央始终关注农村的发展问题，连续推出一些列强农、惠农、富农政策，促进了对农村经济的快速发展。其中对于农村能源消费模式的转变更加关注。发展机械化秸秆沼气集中供气的工程，为农村提供清洁、快捷的可燃气体、改善农村的生活质量，是广大农民的迫切愿望，也是建设社会主义新农村的好项目。据测算：我省适宜建设秸秆沼气集中供气的工程的农村约为8400多个，因而社会需求量很大。在五年之内，我省十一个地级市将重点发展250座秸秆沼气集中供气的工程，平均每年每个地级市发展4至5座，总投资将达4.5亿元，实现这项计划，将使250个村、7.5万多户农民受益，使他们享受到清洁、快捷的可燃气体。如果国家及社会的财力支持力度再加大的话，建设大型集中供气生物质气化站的数量还要高，因而社会需求量更大。同时本项目在生产、安装、运行过程中无三废排除，符合能源产业政策。综上所述，该项目具有广阔的推广应用前景。五、存在问题及改进建议本项目通过近三年的研究，取得了不少成绩与经验，通过了行业性能监测，各项技术指标达到甚至超过了任务书的要求。但尚存在一些问题，可以看出，虽然目前该系统性能优良，但还是存在初次投资高，短期内很难收回的问题，在经济不十分发达的村镇，这也是也是一个主要矛盾。这说明还是有很多需要改进的地方。下一步，我们将增大协同创新的力度，联合行业内各实验室与科研机构共同优化完善本项目，加强试验验数据的积累与分析，推动本项目的试验区建设与示范。我们相信，随着技术的不断发展和成熟，这种新能源的系统一定能得到应有的重视和发展，并且由于农村的自身资源优势，随着各种各种可再生能源（例如沼气等）的共同参与，我们的广大农村一定能找到一条节能、环保、高效、低碳的清洁能源路线。山西农机新技术服务中心2013年1月