玉米秸秆梯度厌氧发酵耦合热解机制解析

摘要

厌氧发酵和热解是生物质处置与利用的主流技术，各具优势．但厌氧发酵周期较长、转化效率低，沼渣处置难，可持续发展受限；热解气化产物复杂、气体热值低．基于此，本研究将热解工艺作为下游沼渣的处置方式以提高原料利用率，并通过发酵时间的梯度控制缩短工艺周期，进而提出生物质适度厌氧发酵耦合热解的新思路．结果表明，厌氧发酵中前期具有较快的产甲烷效率，前5 d的平均每日甲烷产量可达24.43 mL/（g TS），而中后期的工艺效率相对较低，这为梯度厌氧发酵耦合热解工艺提供了契机．此外，适度厌氧发酵对玉米秸秆起到一定解聚作用，有利于促进沼渣热解过程的传热传质；而随着发酵梯度的进一步增加，其结构解聚的促进作用将不能弥补有机质降解对热解气收率产生的负向作用．从耦合系统总能量收率方面来看，随着发酵梯度的增加，呈现出先快速上升后趋于平稳趋势．当发酵梯度为12 d时，耦合系统总能量收率达到9.60 MJ/（kg TS），与后续发酵梯度下耦合系统总能量收率差异并不显著(9.24～9.49 MJ/（kg TS）)，但前者的工艺周期更短．因此，综合时间成本等因素，玉米秸秆适度厌氧发酵（发酵12 d）耦合热解系统呈现最佳工艺性能．该方案下可达到较高的总能量收率，同时获得25.33%质量转化率、24.39%的CO₂排放率以及39.76%的碳效率，可为生物质清洁、高效的处置与利用提供潜在技术路径．

关键词

耦合系统 / 厌氧发酵 / 热解 / 能量回收