CSTR工艺在沼气工程中的应用

刘 伟，宋 震，张 霞，刘全京，郭富民

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

近年来，我国规模化厌氧发酵沼气工程得到快速发展。截至2016年底，全国已发展特大型沼气工程51处、大中型沼气工程约1.8万处[1]。常见的厌氧发酵有HCF、USR、UASB、CSTR等，其中CSTR因为其原料适应性广、抗负荷冲击力强、容积产气率高等优势，在规模化厌氧发酵沼气项目中得到了广泛应用。

1 项目概况

1.1 项目规模

本CSTR沼气项目年处理各类农作物秸秆1 750 t、干鸡粪1 750 t、猪粪水700 t。设计能力为日产沼气2 100 m3，用于热提纯制生物天然气。项目产品及年产量为：生物天然气34.98万m3，固态沼肥1 365 t，液态沼肥1 855 t。

1.2 工艺流程

本项目工艺流程如图1所示。

图1 沼气项目工艺流程

本项目原料主要是各类秸秆、畜禽粪便，由于原料性质差别大，需要分开进行预处理后再进行发酵。秸秆通过黄贮的方式来保存，能有效地对原料进行乳酸化预处理，之后通过送料机进入发酵罐。鸡粪的TS含量较高，直接通过固态原料进料器输送至厌氧反应器，猪粪水的TS含量低，只能暂存入匀浆池，再通过螺杆泵输入发酵罐。原料在发酵塔内产生沼气，在罐内进行生物脱硫，脱硫后沼气少部分进入沼气锅炉为发酵罐提供热量，大部分沼气进入提纯设备，进一步提纯为生物天然气后接入输气管网。

经过厌氧反应器的反应后，发酵液通过出料螺杆泵输送至固液分离设备，进行干湿分离，得到沼渣和沼液。少部分沼液直接利用重力自流至沼液中转池，其余作为液态肥通过车辆外运，沼渣就地临时存放。

2 主要系统及设备

2.1 预处理系统

（1）农作物秸秆原料预处理。农作物秸秆通过黄贮的方式来保存。黄贮能有效地对原料进行乳酸化预处理，避免原材料在自然堆放过程中被氧化和腐败变质的问题，最大程度保留原料所含的生物质能量，且在黄贮过程中的乳酸化，可提高纤维素和木质素含量高的秸秆的厌氧发酵效率。

（2）畜禽粪便、粪尿等原料进料。将回收的畜禽干粪便、粪水视含固率的情况，可分别通过固体原料单元及液体原料单元进入反应器。

秸秆黄贮池：面积660 m2，堆高约7 m，可储存秸秆不低于1 386 t，黄贮后秸秆容重0.30～0.35 t/m3，可满足10个月以上用量。

匀浆池：内径9 m，净高4 m，容量254 m3，可储存1个月以上用量。匀浆池内设有潜水搅拌器，最大工作TS浓度12%。

封闭式干粪池：15 m×8 m，堆高约1～2 m，可储存24 d的用量。池壁配有负压风机，收集异味进入生物过滤器除臭后排放。

2.2 连续搅拌厌氧反应系统

本项目采用德式可连续搅拌和加热的CSTR高效反应器。该反应器内部周围壁配有环状加热管道系统、大型臂展桨式搅拌器以及潜水式搅拌器，分别安装在不同的反应器以及相同反应器不同的高度，能保证原料在反应器内受到径向和周向的均匀混合，使得甲烷菌能更均匀地分布在整个体系中，大幅提高发酵效率，同时防止漂浮层的出现和结壳的现象。反应器参数如下：

厌氧反应器容积：924 m3。

日均进料量：秸秆5 t/d；干鸡粪5 t/d；稀粪水2 t/d。

有效容积产气率：2.47 m3/（m3·d）。

日均进料TS浓度：约25 %，反应器平衡后TS浓度约15%。

发酵温度：50～52℃（高温厌氧，亦可运行于中温区间）。

2.3 固液分离系统

厌氧反应器内经过反应后的发酵液通过出料螺杆泵输送至固液分离设备，进行干湿分离，得到含固率最高30%的沼渣和含固率约1.2%～8.0%的沼液。项目设计1台固液分离机，采用缓存罐式设计，气动加电动螺旋挤压，通过调节出口的气缸压力可控制出渣水分，最高处理量可达15 m3/h发酵液。沼液直接利用重力自流至沼液中转池，沼渣就地临时存放。

2.4 沼气热水锅炉及供热系统

为了沼气的稳定生产，需要对物料加热和反应器保温，故设置沼气热水锅炉及供热系统。前道工序产生的沼气脱硫脱水后进入沼气锅炉，产生热水，经过封闭式热水循环加热系统，对反应器内的物料进行加热。热水锅炉额定热功率120 kW。

2.5 沼气提纯系统

沼气净化提纯主要是将沼气中的二氧化碳气体除去，膜法沼气净化提纯设备是基于气体膜对混合气体中各组分渗透速率不同的特点进行设计的。沼气中二氧化碳渗透速率要高于甲烷气体，利用气体膜选择性渗透的特性对沼气中的甲烷和二氧化碳等成分进行快速分离，从而达到沼气净化提纯的目的。

本项目设计1套膜法沼气提纯设备，主要参数如下：

沼气处理量：83.3 m3/h（负荷范围：30%～100%）。

甲烷回收率：≥95%。

产品气体成分：CH4≥95%，CO2≤4%。

2.6 沼肥利用

本项目中由发酵罐排出的沼渣和沼液进行固液分离，沼液作为液态肥，沼渣作为固态肥，都可直接还田利用。本单元设计项目及设备如下：

沼液暂存池：容积约924 m3，设升降式潜水搅拌器1套，沼渣暂存池：面积约20 m2。

3 效益分析

3.1 基本数据

（1）生产规模：本项目日产2 100 m3沼气，其中2 000 m3用于沼气提纯，可日产生物天然气1 060 m3。每年按330 d计算。

（2）处理能力：日处理秸秆5 t、干鸡粪5 t、稀粪水2 t。每年按照350 d计算。

（3）主要原料价格：秸秆按150元/t；干鸡粪按50元/t；稀粪水暂按0元/t计算。

（4）销售沼肥产品：沼渣肥销售价格按200元/t；沼液肥销售价格按照50元/t。

（5）销售生物天然气：按2.7元/m3计算。

3.2 效益分析

本项目初投资共约950万元，通过生物天然气、沼渣、沼液销售年总收入131万元/年，秸秆、粪污原料收购成本35万元/年，运维、折旧等费用20万元/年，本沼气项目预计净收益76万元/年。

本项目利用CSTR厌氧发酵工艺，每年可处理秸秆1 750 t、干鸡粪1 750 t、猪粪水700 t，在生产清洁燃气、沼肥的同时，减轻环境污染，改善区域环境，同时带动当地就业，有明显的社会和环境效益。

4 结论

（1）CSTR厌氧发酵工艺可利用农作物秸秆、禽畜粪污等生物质废弃物原料产生沼气，并可进一步提纯为生物天然气代替常规化石能源。在对生物质废弃物进行资源化利用产生一定经济效益的同时，可带动产业发展、提高农民收入、改善环境质量，社会和环境效益明显。

（2）CSTR沼气项目的收益率与项目规模密切相关，在资源充足的基础上，尽量提高项目规模以减少单位投资。项目产品，尤其是副产物沼渣和沼液具有稳定市场，才能保证项目有较好收益。