中国沼气产业化发展的关键技术研究

3.4　中国沼气产业化发展的关键技术研究

3.4.1　动态发酵装置与发酵工艺

静态沼气发酵装置原料入池后，随着时间的推移，发酵间内存在着严重的结壳、沉淀、分层现象，导致发酵间有效容积减小，不破壳和大换料就无法继续使用。由于没有破壳和清渣装置，形成的结壳和发酵沉淀物只能从顶部的天窗口取出，劳动强度大，安全保障差，容易发生事故，致使大量的沼气池因出料难而无法使用。与此同时，发酵间内菌料分布不均，存在着“料液短路” 、“发酵盲区”和“微生物贫乏区”，活性悬浮污泥随出料流失，微生物和新鲜原料不能充分接触，从而影响了沼气池的产气率。为此，通过理论分析和工程实践，研究发明了旋流布料沼气池，以此为根据，探索出厌氧微生物附着成膜和回流搅拌动态连续发酵工艺，使户用沼气池进料连续均衡，管理简便，全年产气用气。

（1）沼气发酵装置关键技术

1）研究依据

沼气发酵装置在具备适宜的运行条件的基础上，决定其功能特性的构成因素主要是水力滞留期（HRT），固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT），HRT是指一个发酵装置内的发酵料液按体积计算被全部置换所需要的时间； SRT是指有机固体物质从发酵装置里被置换出的平均时间； MRT是指从微生物细胞的生成到被置换出发酵装置的平均时间。

沼气发酵装置优化设计思想就是在较短的HRT的情况下，获得较长的MRT和SRT。即在发酵料液排出装置时，由微生物和有机固体物质所构成的污泥得到保留，并使微生物呈膜状附着滞留于发酵装置内的支持物表面，从而使发酵装置获得较高的原料消化率和产气率。

2）关键技术：旋流布料沼气池（如图2－9侧水压式旋流布料自动循环沼气池）以厌氧污泥滞留和附着膜技术为基础，在保留常规水压式沼气池优点的基础上，将进、出料由180°布局变为90°布局，通过旋流布料墙将进、出料隔开，使进料在旋流布料墙的导流作用下，做圆弧形流动至出料通道底部，并通过由抽渣管和出料活塞构成的强制回流搅拌装置进行回流搅拌，从而增加了污泥滞留期和菌料均匀度，消除了静态发酵沼气池存在的料液短路、发酵盲区和微生物贫乏区等技术问题。由砖砌体构成的旋流布料墙成为微生物的载体，微生物在其上附着、增殖、成膜，有效地固定了微生物，避免了微生物随出料流失。同时，旋流布料墙的顶部和墙面上的破壳齿，在池内料液上下运动时，切碎发酵液面可能形成的结壳层，从而达到自动破壳的功用。

通过沼气池池体结构的优化计算和力学分析，旋流布料沼气池采用池盖矢跨比f1/D为I/5，池墙高跨比H/D为1/2.5，池底矢跨比f2/D为1/7，旋流墙半径r为3D/5的优化结构，保证池体危险断面处于受压状态，具有良好的力学性能。

（2）沼气发酵工艺关键技术

1）动态发酵工艺流程的构建

沼气发酵是复杂的微生物分解转化过程，要使沼气发酵装置持续高效的运行，除了发酵装置结构合理外，还需要建立动态高效的发酵机制。只有有了大量的沼气发酵微生物，并使各种类群的微生物得到最佳的生长条件，各种有机原料才会在微生物的作用下转化为沼气。为此，与旋流布料沼气发酵装置相配套，构建形成了图2－8所示动态连续高效沼气发酵工艺流程。

畜禽舍和厕所的人畜粪污通过排污管道进入预处理间，经沉砂、除杂、酸化处理后，从进料口进入发酵间，通过厌氧发酵，将人畜粪污转化为沼气和沼肥，使人畜粪污得到无害化和减量化处理。通过设置在发酵间底部的抽渣管和管内的活塞，进行强制回流搅拌，提高菌料均匀度和产气率。发酵装置产生的沼气经脱水、脱硫净化处理后，供炊事、照明使用。从出料间溢出的沼液和抽渣管抽出的沼渣储存于储肥间，用作农作物有机肥料或淡水养殖营养饵料，从而实现轻松管理和永续利用的目标。

图2－8　动态沼气发酵工艺流程

2）动态发酵工艺参数的调控

①配料启动

要获得较高的装置产气率和原料转化率，必须为沼气发酵微生物创造适宜的生存和繁殖条件，必须有质优量足的沼气微生物和碳氮比适宜的发酵原料。从营养学和代谢作用角度看，沼气发酵微生物消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25～30倍。因此，在其他条件都具备的情况下，原料碳氮比例配成（25～30）∶1可以使沼气发酵在合适的速度下进行。理论研究和工程实践表明，沼气发酵启动需按接种物∶原料∶水=1∶2∶5的比例配料，其中，接种物是富含沼气微生物的物质，来源广、易采集的接种物是正常产气的沼气发酵剩余物，一般需要添加10%以上。启动原料采用碳氮比为（25～30）∶1的纯净牛粪、马粪、羊粪，或者一半的猪粪搭配一半牛马粪。启动原料进入发酵装置前，应在含水率60%～70%的条件下堆沤处理：夏季或气温在20℃以上堆沤3～5d，春秋季或气温在15℃以上堆沤6～8d（持续晴天的情况下），并加盖塑料薄膜封闭，以聚集热量和富集菌种。

②温度调控

温度是沼气发酵的重要外因条件，温度适宜则细菌繁殖旺盛，活力强，厌氧分解和生成甲烷的速度快，产气量高。研究表明:化学反应速度随温度的升高而加快，温度每升高10℃，反应速度增加2～3倍，沼气发酵过程是由微生物进行的生化反应过程，在常温范围内符合这一规律。沼气发酵适宜温度是10℃～60℃。在这一范围内温度越高微生物活动越旺盛，产气率越高。46℃～60℃为高温发酵，28℃～45℃为中温发酵，10℃～27℃为低温发酵。发酵温度低于10℃，微生物休眠，产气很少，达不到使用的目的。因此，启动料液温度要调控在20℃以上，运行料液温度要调控在15℃以上，才能达到产气和使用的目的。对于户用沼气池，尤其是北方沼气池来讲，通过太阳能热利用技术，提高沼气池发酵料液的温度，对于提高产气量显得尤为重要。入冬前，对于“三结合”沼气系统，要用塑料薄膜覆盖太阳能畜禽舍顶面；对于“四位一体”沼气系统，要用塑料薄膜覆盖日光温室；对于露地沼气池，要为沼气池搭建简易温棚，进行保温越冬。第一次装料启动：在晴天装料，装料堆沤的原料热至冒白气，温度达40℃，加30℃～40℃的温水，池子要处理热（即三热装料）。

③负荷调控

农村沼气工程的负荷常用容积有机负荷表示，即单位体积沼气装置每天所承受的有机物的数量，通常以kg/（m³· d）为单位。容积负荷是沼气工程设计和运行的重要参数，其大小主要由厌氧活性污泥的数量和活性决定。农村沼气工程的负荷通常用发酵原料浓度来体现，适宜的干物质浓度为6%～12%，即发酵原料含水量为88%～96%。沼气微生物吸收养分、排泄废物和生存繁殖，都需要有适宜的水分，水分过多或过少都不利于沼气微生物的活动和沼气的产生。若水量过多，发酵料液中干物质含量少，单位体积的产气量减少；如果水量过少，发酵料液太浓，容易积累有机酸，使沼气发酵受阻，影响沼气产量。农村沼气工程启动料液浓度一般调控在12%以下，运行浓度随温度变化在6%～12%范围内调控。夏季不低于6%，冬季不低于12%。

④酸碱度调控

沼气发酵是酸碱度中性条件下的厌氧发酵，其最适pH值为6.8～7.5，pH值6.4以下、7.6以上都对产气有抑制作用。在沼气工程启动和运行过程中，影响pH值变化的因素主要有三点:一是发酵原料中含有大量有机酸，如果在短时间内大量向发酵装置内投入这类原料，就会引起发酵装置内pH值的下降。但如果向正常运行的发酵装置内按发酵装置可承受的负荷投入原料，有机酸会很快被分解掉，因而不会引起发酵料液的酸化，所以不必对进料的pH值进行调整。二是发酵装置启动时投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足时，以及在发酵装置运行阶段突然升高负荷，使产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸的积累，导致pH值下降，这往往是造成发酵装置启动失败或运行失常的主要原因。三是进料中混入大量强酸或强碱，直接影响发酵液的pH值。

在沼气工程启动或运行过程中，一旦发生酸化现象应立即停止进料。如果酸化程度不大，靠发酵装置内的甲烷菌逐渐分解积累的有机酸，使pH值逐渐恢复正常；如pH值在6.0以上，可适当投入石灰水、Na₂CO₃溶液或NH₄HCO₃溶液加以中和；如果pH值在6.0以下，则应在调整pH值的同时，大量投入接种污泥，以加快pH值的恢复。

⑤吐故纳新

在沼气工程运行中，建立与沼气发酵微生物数量及活性相适应的新陈代谢机制，是维持沼气工程持续产气和应用的重要前提。沼气工程一旦启动，加入沼气发酵装置的发酵原料，经过沼气发酵微生物的分解利用，逐渐地被消耗或转化。如果不及时补充新鲜原料，沼气微生物就会“吃不饱” 、“吃不好”，产气量就会下降。为了保证沼气微生物有充足的食物，并进行正常的新陈代谢，使产气正常而持久，就要连续不断地补充新鲜原料。

户用沼气池正常启动使用3～5个月后，每天应保持20kg左右的新鲜畜禽粪便人池发酵。户用“三结合”沼气系统，每3d有4～6头猪或1～2头牛的粪便入池发酵即可满足需要，平时只需添加适量的水，以保持发酵原料的浓度。同时要根据农作物生长情况，随时出料供肥，以保持池内相对稳定的料液量。农村小型沼气工程，每天早晚应各进占发酵装置总容积2%左右的发酵原料，以满足沼气微生物的需求。

⑥强化搅拌

在生物反应器中，生物化学反应是依靠微生物的代谢活动进行的，这就要使微生物不断接触新的食料。搅拌是使微生物与食物接触的有效手段，沼气工程运行后，经常搅拌沼气发酵装置内的发酵原料，能使原料与沼气微生物充分接触，促进沼气微生物的新陈代谢，使其迅速生长繁殖，提高产气率；可以打破上层结壳，使中、下层所产生的附着在发酵原料上的沼气，由小气泡聚积成大气泡，并上升到气箱内；可以使沼气微生物的生活环境不断更新，有利于它们获得新的养料。如不经常搅拌发酵原料，就会使其表层形成很厚的结壳，阻止下层产生的沼气进入气箱，降低沼气池的产气量。

沼气工程常用的搅拌方法有发酵液回流搅拌、沼气回流搅拌和机械搅拌。农村沼气工程一般采用发酵液回流搅拌方式，其搅拌方法有三种:其一是通过手动回流搅拌装置，进行强制回流搅拌；其二是通过在出料池设置小型污泥泵，依靠电力将发酵料液回流进发酵间，进行强制搅拌；其三是采用生物能气动搅拌和旋动搅拌装置，利用产气和用气的动力，自动搅拌池内发酵原料。

旋流布料沼气池将厌氧活性污泥滞留和附着膜等技术优化组装配套，实现了自流进料、旋流布料、强回流搅拌、固菌成膜等动态高效运行机制。底部沉渣只需通过设置在发酵间底部的抽渣管和管内的活塞轻便抽出，无需揭开天窗盖，从池顶部出料，省工省时。

按照动态连续发酵工艺管理的旋流布料沼气池，其年平均产气量为380～500m³，比普通水压式沼气池年平均产气量300m³提高了27%～67%，使家用沼气池在冬季寒冷的西北地区全年正常产气使用，改变了北方沼气池全年只能使用半年的历史。

以旋流布料沼气池为纽带，通过建立鸡猪主体联养，圈池上下联体，种养沼有机结合，能量和物质良性循环的能源一生态一经济系统，取得了“四省三增两减少一净化”（省煤、省电、省劳、省钱；增肥、增效、增产；病虫减少、水土流失减少；净化环境）的综合效益。

3）小结与讨论

①以厌氧污泥滞留和附着膜技术为基础，通过旋流布料和强回流搅拌技术，解决了普通水压式沼气池存在的料液短路、发酵盲区和微生物贫乏区等技术问题，年均产气量比普通水压式沼气池提高27%～67%。

②旋流布料沼气池通过自流进料、旋流布料、强回流搅拌、固菌成膜的动态连续发酵工艺，解决了静态不连续发酵工艺存在的菌料分布不均和出料困难等技术问题，管理轻便，持续运行。

③在北方寒冷地区应用旋流布料沼气池，要和农业主导产业配套，用太阳能畜禽舍或日光温室增温保温。

（3）秸秆生物气化技术

我国在秸秆生物气化技术方面取得进展，获得了具有自主产权的关键技术。如由北京化工大学科研团队攻关的技术既可解决大量秸秆露天焚烧导致的大气污染和交通安全问题，又可产生清洁可再生能源。

我国是世界上最大的农业生产国，每年各类作物秸秆产量约7亿t，其中有50%未得到有效处理和应用，不仅浪费资源，而且大量秸秆露天焚烧，导致严重的大气污染，引发火灾和影响高速公路与民航运行安全。秸秆的处理与利用已成为我国面临的主要环境问题之一，但由于缺乏经济可行的技术，秸秆禁烧和规模化利用问题一时难以解决。

图2-9　侧水压式旋流布料自动循环沼气池

另外，在政府的推动下，近年来我国农村沼气得到了快速发展。到2009年年底，全国已建成户用沼气3500万多户，建成畜禽养殖场等大中型沼气工程3000多处，2010年我国户用沼气已达4000万多户，大中型沼气工程达到6000多处。这就存在原料的供应问题。我国目前沼气生产主要原料是畜禽粪便，畜禽粪便无法，也不足以保证原料的供给和发展目标实现。

图2-10　顶水压式旋流布自动循环沼气池

利用秸秆为原料生产沼气，既可为秸秆的开发利用开辟途径，解决秸秆焚烧导致的环境污染问题和资源浪费问题，这是一举两得的效果。此外，与现有的秸秆热解气化技术相比，生物气化具有反应条件温和、沼气热值高、品位高的优点，也不产生废水和焦油、沼渣。秸秆“生物气化”技术就是通常说的“厌氧发酵”技术，它通过在厌氧条件下微生物的消化作用，把秸秆等有机物转化成沼气。生物气化技术已被广泛地用于人畜粪便、食品废物和有机生活垃圾等处理和能源转化。但是，由于秸秆的木质纤维素含量高，消耗率低，产气量少，一般不能完全以秸秆原料生产沼气。

秸秆生物气化技术，是在厌氧发酵前对秸秆进行快速化学处理，预先把秸秆转化成易于消化的“食料”，可使秸秆的产气量提高50%到120%，为秸秆的规模化生物气化提供了前提条件。此外，针对秸秆密度小，体积大，不具有流动性以及传热传质效果差等问题，还采用一种新型反应器采取组合式强化搅拌系统，可实现机械化出料和自动化高效搅拌。同时，采用带太阳能温室的半地下式反应结构，可把部分太阳能和地热能转化成沼气能，大大提高了系统的能源转化效率和效能比。

秸秆气化集中供气技术，采用了类似发生炉煤气的制气原理，使农作物秸秆等生物质原料在控氧状态下燃烧反应，将生物质的主要成份碳、氢（木质素、粗纤维、氢、氧）等元素转化为可燃的一氧化碳、氢、甲烷、丙烷等气体，秸秆中大部分能量转移到气体中；再去除可燃气体中的灰分、焦油等杂质，可燃气体通过管道送入用户燃烧时，能量就释放出来。秸秆气化技术是一种热化学处理技术，采用工程设备进行生产，对环境、季节等没有依赖，可以实现过程自动控制和不间断供气。这种方法改变了生物质原料的使用形态，方便卫生，在农村家庭使用秸秆燃气，能量转换效率是固态生物质直接燃烧的3倍。需要特别指出的是:秸秆气化技术是针对农作物秸秆量大面广，且密度小、热值低、不便储运等特点，以及农村人口以小集镇、中心村相对集中居住这一发展趋势进行开发研制的。主要适用于200～1000户的农村小集镇和中心村。由于其原料来源方便价廉，燃气生产和消费都在半径不大的区域内完成，目前在无天然气资源的农村小集镇和中心村，其投资和运行费用与其他气体燃料供应方式相比，有明显的优势和竞争力。

1）我国秸秆气化技术的发展历程和现状

我国秸秆气化技术的发展历程。根据不完全的资料统计，国家科技部在“七五”“八五”期间，对秸秆气化技术的开发研究给予支持，以山东省科学院能源研究所为代表的全国多家研究机构和企业开展了相关的研究工作，通过技术集成和组装，形成了目前秸秆气化技术以空气作为介质、采用固定床下吸式气化炉生产燃气；并用多级湿法（水浴、喷淋）脱除灰尘和焦油的基本技术特征。从“九五”开始，国家发改委、农业部科技部及各级财政部门以项目补助的方式，开始支持建立秸秆气化集中供气试点工程。“十五”逐步扩大建立秸秆气化集中供气示范工程的建设，2001年和2002年农业部就“农村小型公益设施建设补助资金农村能源项目——秸秆气化集中供气工程”面向全国公开招标，全国有几十家企、事业单位参加投标，山东大学、四川省农业机械研究设计院、合肥天焱公司、辽宁能源所等单位成为中标单位，这次招、投标形成了一批秸秆气化技术研究推广的骨干企业，对秸秆气化技术的研究和推广应用有着重要的作用。发展秸秆气化技术是我国秸秆能源化利用的有效途径。

表2－4　秸秆燃气成分及热值

表2-5　秸秆燃气生产成本

每立方米燃气，原材料价格越高，燃气生产成本越高。

目前秸秆气化站以月薪方式支付人工费用；其规模越大，人工费越低。

表2-6　用户使用情况

备注:①在交通发达地区，比液化石油气节省40%～50%的费用。在交通不方便地区，节省费用更多。建设资金投入结构是，国家项目扶持、地方财政补助和农户投入，各占1/3。②秸秆气化集中供气工程的建设

2）秸秆气化集中供气工程推广应用情况。目前，全国已建成秸秆气化集中供气工程539座，大致分布在山东、四川、江苏、湖北、新疆等省区。秸秆气化集中供气工程在农村是个公共工程，其建设与运行管理是一个系统工程，除需要较高的设备稳定性和售后服务能力外，还与当地经济水平、经营管理方式、原料条件等密切相关。根据我们实践，在秸秆气化集中供气工程投资、布点、管理方面有如下体会:①秸秆气化集中供气工程是农村公益基础设施，资金投入较大，需要国家投入一定资金对秸秆气化站建设进行扶持。较小的设施是农村经济和社会发展的要求，建设布点应选择人均年纯收入达到5000元及以上的村镇，或者村级集体年收入达到50万元及以上的村镇。且农户居住相对集中、规模在200户以上，越集中越好，户数越多越好。③秸秆气化站的运行管理必须引入市场化的运营管理机制，即秸秆气化站的运行必须是盈利的，对其运行不能补贴。

3）秸秆气化技术推广存在的问题

①秸秆气化站运行不能赢利。秸秆气化站的运行管理没有引入市场化的运营管理机制，以送气方式供气，运行需要补贴资金。

②秸秆气化站建设不规范。由于秸秆气化技术的推广可以取得“三农” 、能源、环境保护、生态环境等多方面的效益，前些年，各地在财政资金投入方面呈现渠道多元化，包括发改委、农业、环保、投入部门在采购、布点方面的控制能力增强，一大批关联企业进入参与了秸秆气化的推广，甚至有的企业只生产过1～2套设备，无法保证质量和售后服务。一些秸秆气化站，建设、布点缺乏科学性，对原料保障、用气户数、居民支付能力、管理能力和建设资金投入等缺乏论证，且秸秆气化设备缺乏统一技术标准，造成设备安装后，制造质量、安全性、供气保障、维护管理、售后服务方面差异很大，导致一批秸秆气化站停运。

③技术标准体系不健全。从2001年开始，农业部制订气化机组的一系列技术标准。

1　执行标准

秸秆气化供气系统技术条件及验收规范：NY/T443—2001

2　生产率（m³/h）：200～800

3　装机容量（kW）：11～30

4　原料产气量（m³/kg）：1.8～2.0

5　气化效率（%）：72～75

储气柜：

1　湿式储气柜执行标准钢制低压湿式储气柜：HG20517—92；干式储气柜执行标准钢结构施工质量验收规范：GB 502，05—2001

2　工程定额：全国统一安装工程预算定额估价表

3　储气柜压力（kPa）：3200～3800

输气管网执行标准：PE管

钢管低压流体输送用焊接钢管：GB 3091—2001

入户系统：

1　灶具执行标准：参照家用沼气灶GB/T 3606—20012J4流量计燃气法定计量表

工程参数：

1　执行标准：秸秆气化装置和系统测试方法NY/1017－2006

2　供气距离（km）：2～3

3　供气户数（户）：200～1000

4　气化站占地面积（m²）：1300～2000

5　操作人数（个）：2～4

表2-7　秸秆气化集中供气工程技术经济指标

原料费（m³/元）：

1　0.06～0.10（原料收购价格按120～200元/吨计算，规模越大，距离越远，原料价格越高）

2　人工费0.06～0.07

3　电费0.02

合计0.15～0.20

秸秆燃气成分（%）秸秆燃气热值（MJ/m³）

秸秆气化装置和系统测试方法（NY/T1017－2006）两个行业标准，标准规定了农村秸秆燃气的生产、输送及应用系统的设计、建造及运行，结合农村的实际条件和我国农村能源政策及环保政策，规定了秸秆集中供气系统的技术条件（包括土建施工、设备制造及相关指标）、试验验收等技术要求，是秸秆气化供气系统的基础标准。但由于秸秆气化集中供气工程是包括专用装备的工程类项目，除了气化机组外，还有储气柜、管道、灶具等设备装置，需要制定或引用一大批涉及设备制造、工程建设、检测方法以及安装标准，国内厂家产品的宣传指标混乱，某些产品的燃气净度（焦油和含尘）远优于城市煤气的相关指标；由于没有施工质量标准，使有关部门难以进行工程的质量评价；由于为简陋的秸秆气化装置；由于没有工程验收和售后服务的强制条款，使秸秆气化工程的价格、质量、售后服务等差异很大，工程的质量完全掌握在企业手中，一些企业低价拿工程，无法保证工程质量和售后服务。

4）现有秸秆气化技术的局限性。目前使用的秸秆燃气生产技术，形成于20世纪80年代，受当时技术经济的制约，按照现在的标准技术定位比较低。特别是随着农村经济的发展，开始进入农村的高端家庭，现有秸秆技术的局限性开始凸显出来，主要有:①燃气热值偏低、燃气的洁净度偏低。②为了降低成本，国内推广使用的气化机组主要采用人工调节控制各参数，燃气的质量对操作人员的技术和责任心依赖性大。③缺乏秸秆气化设备安全装置，使设备的运行存在安全隐患。④秸秆气化工程生产的秸秆燃气，目前主要作为生活炊事用能，使用效率较低。在使用秸秆燃气的设备和用具方面，既缺乏家用秸秆燃气热水器等生活用具，又缺乏秸秆燃气发电、供热的分布式能源系统、用于农村生产的农产品干燥、大棚供热、采暖等使用秸秆燃气的生产设备。

5）发展秸秆气化技术的建议

规范秸秆气化工程的投资和管理，促进秸秆气化技术的推广应用。

①将秸秆气化工程列入农村小型基础设施项目进行规划、扶持、建设，强化建站前期的规划设计的技术、经济论证工作。在确立财政资金补助的基础上，鼓励社会资金投入，并在站址用地、管线用地、营业税收方面，进行支持和减免费用。由于秸秆气化站的建设和管理需要有较强的机电技术等专业性，其服务又具有公益性，应建立相应专业服务队伍。

②秸秆气化站的建设是农村的公益事业，对承建单位和人员的资质，特别是售后保障能力应有明确的要求。国家对秸秆气化站建设项目的扶持，必须是能够按照标准建设和签定了使用期技术维护保障协议的项目。对项目的实施企业，实行许可证制度，并进行监督和管理，建立相关的问责制度。

③尽快制定完善相关标准和技术规程。

④制定秸秆气化技术的技术发展规划，推进“秸秆气化技术”创新，实现“秸秆气化技术”升级。

加大研发投入，实现秸秆气化技术升级。在秸秆气化技术的研究方面，应制订长期目标和资助计划。在秸秆气化技术的升级方面，需要在下列方面进行。

①提高燃气热值和洁净度，是制气技术进步的标志，应建立近期和远期的研究和应用目标。

②加强制气系统的智能化研究，通过设备智能化实现制气过程的控制，实现制气设备的安全运行，实现秸秆气化工程的远程检测和维护。

③开展秸秆气化配套设备的研究。

④建立分布式能源系统，秸秆燃气发电、供热的分布式能源系统，能够达到80%左右的热效率，设备利用率大大提高，非常适合作为可再生能源系统在农村应用。

开展国际交流和国际合作。

利用类似发生炉煤气的生产工艺生产燃气直接供应农户，是根据我国国情发展的一项有“中国特色”的技术。在欧美发达国家，由于农业、农村、农民及能源状态与我国根本的不同，虽然目前秸秆的能源化利用主要采用直接燃烧发电的方式，但是，在秸秆气化方面仍然投入了大量的人力和物力，其研究重点是:将秸秆等生物质气化后，对气体进行重整制氢，以获得氢能源。因此，发达国家在秸秆气化技术方面拥有很多先进的技术，我们应该在立足自主研发的同时，通过国际技术交流和技术合作引进和吸收国外在秸秆气化方面的先进技术。秸秆气化技术也非常适合世界上农业、农村、农民及能源状态与我国类似的非洲、东盟等国家，秸秆气化技术及设备有良好的出口前景。

（4）秸秆生物反应堆技术

应用秸秆生物反应堆技术是生产有机食品和无公害瓜果蔬菜的重要途径。

秸秆生物反应堆技术，是利用植物秸秆做原料，加入特制的菌种发酵剂，使秸秆快速分解释放出大量CO₂、热量、抗病原微生物孢子。植物生长需要利用光合作用，光合作用是植物、藻类利用叶绿素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。从而使农作物，特别是大棚瓜果菜大幅度提高产量、改善品质，并显著提高经济效益。据统计：大棚应用秸秆生物反应堆技术，每亩可降低成本50%。瓜果蔬菜平均每亩增产30%以上，增收40%以上，效益相当可观。

1）传统大棚存在的问题

①二氧化碳严重缺少；②冬天大棚地温低；③病虫害越来越多；④土壤板结盐渍化现象严重。

2）应用秸秆生物反应堆的大棚，作用主要表现在：

①释放大量二氧化碳。正常情况下，应用秸秆生物反应堆的大棚，CO₂的浓度低的在900ppm，高的可达1900ppm，CO₂浓度比普通大棚提高4～6倍。CO₂浓度提高了，在同样光照强度的情况下，光合效率就会提高，也就必然会使大棚瓜果菜的产量提高。

②放出大量的热。秸秆在分解过程中除释放CO₂外，1kg秸秆还放出12695kJ的热量，特别是应用内置式反应堆形式，20cm地温能提高4℃～6℃。

③生物防治病虫害。秸秆生物反应堆所用的专用菌种中含有多种有益微生物，它们在分解秸秆的同时，能繁殖产生大量抗病微生物及其孢子，这些微生物及其孢子分布在土壤中、叶片上，它们有的能抑制病菌生长，有的能杀灭病菌，防治效果在60%以上，采用了这项技术，有的棚能达到基本不打农药。就可以生产无污染绿色的有机蔬菜。

④有机改良土壤作用植物生长所必需的，而且比例配得很好，因此极大地改善了土壤的营养状况。应用秸秆生物反应堆技术后，第一年可减少化肥用量50%以上，第二年减少化肥用量80%以上，第三年可基本不施用化肥。土壤因长期使用化肥导致板结的现象也可以得到很好的解决。

3）建造秸秆生物反应堆

①内置式秸秆生物反应堆。

②外置式秸秆生物反应堆。

③菌种处理。

④使用说明：按照每3000kg秸秆用菌种1kg的比例，通常1亩大棚大约需要秸秆4000～5000kg，用菌种1～2kg。再按1kg菌种加20kg麦麸比例，把菌种和麦麸干着拌匀。合适水量的标准为：拌好后用手一攥，手缝有水但不滴水。秋季和初冬，即8～11月份，菌种做好后最好间隔3～5d再使用；晚冬和早春季节要提前5～7d拌好菌种备用。拌好的菌种一般摊薄10cm存放（可以放在大棚内），注意保温、防冻。秋、冬季节建造下内置反应堆，如果不受茬口限制，最好在作物定植前10～15d做好，浇水、结合施疫苗、打孔待用。早春拱棚可提前30多天建好待用。

制约冬季棚菜优质高产的因素较多。一是光合效率低与二氧化碳不足的矛盾；二是地温偏低与根系吸收功能差的矛盾；三是温差过大与病害严重的矛盾；四是土壤板结与根系早衰的矛盾等。为从根本上克服这一技术难题，改善作物生长环境，由山东省秸秆生物工程技术研究中心研究开发的“秸秆反应堆技术”，可使冬季棚内二氧化碳浓度提高6～10倍；地温提高2℃～4℃，气温提高2℃～3℃；对病虫害的防效显著，减少农药用量60%；增加土壤有机质含量，改善土壤结构；蔬菜上市期提前10～20d，收获期延长30天左右；光合效率提高50%以上，增产30%以上，外表性状和内在品质得到显著改善和提高，投入产出比为1∶10以上。

4）内置秸秆生物反应堆建造

①建造时间：在棚菜播种或定植前7d建造完毕即可。

②规格尺寸：根据所种蔬菜品种的行距布置，确定反应堆位置，一般在定植行内秸秆分解剩下一些残渣，含有大量的有机质，这些有机质留在大棚的土壤中，会使土壤变得肥沃而且松软，为根系生长创造了优良的环境。同时，里面还含有大量抗病原微生物和矿质营养，这些矿质营养顺行挖一条深30cm，宽50～80cm、长与行长相等的一条沟。

③菌种用量与发酵：亩标准棚用菌种6kg，菌种与添加料之比为1∶15，添加料以麦麸、粉碎的玉米芯为主。加水量为：麦麸料与水之比1∶0.8，玉米芯与水之比为1∶1.35，拌匀后平铺于阴凉通风处，厚度10cm，发酵48h即可使用。

④接种：在沟内填加秸秆，铺匀踏实，厚度30cm，沟两头露出10cm长秸秆，以便进氧气，填完秸秆后，按每沟所需菌种量均匀撒在秸秆上，用铁锹拍振一遍后覆土。秸秆总厚度略高于反应沟深度。每亩棚秸秆用量4000～6000kg。

⑤覆士、浇水、打孔：把起土回填于秸秆上，然后灌沟浇水湿透秸秆，让覆土充分沉实。2～3天后，找平起垄，秸秆上土层厚度保持15～30cm，定植后盖膜，按20cm见方，用14号钢筋打孔，孔深以穿透秸秆层为准，以便气体交换。

5）内置反应堆的作用和优点

一是充分利用地下空间；二是提高地温；三是综合利用秸秆反应产生的有效成分二氧化碳，提高光合效率；四是增加有机质，活化改良土壤，增加土壤的透气性，加强对根系供氧能力，提高根系的呼吸代谢；五是贮存白天太阳辐射的热量，到了夜间可对棚内供热。内置反应堆创造了一个特殊大棚生态系统，适合秋延迟大棚、深冬大棚和早春大棚应用。

6）外置式秸秆生物反应堆使用与管理

①秸秆菌种用量：每次秸秆用量1500kg，菌种用量3kg，黄瓜全生育期内用2～3次。

②操作时间：定植前建好反应堆。定植后及时开机抽气供应二氧化碳。

③操作方法：在大棚进口的山墙内侧，距山墙60cm，自北向南挖一个宽1m，深0.8m，长度略短于大棚宽度的沟，从沟中间位置向棚内开一个低于沟底50cm见方，向外延伸80cm的通气道，通气道末端做一个下口直径为50cm、上口内径40cm，高出地面20cm的圆形交换底座。整个沟体可用单砖砌垒，水泥抹面，打底，然后在贮气池上每隔50cm横放一根小水泥柱，在柱上纵向每隔20cm拉一道固定铁丝，就可进行铺放秸秆，每放40～50cm厚，均匀撒一层菌种，连续3～4层，最后淋水湿透秸秆，水量以下部储气池中有一半积水为宜，盖膜保湿，农膜覆盖不宜过严，下部有10cm秸秆露出，以便进气促进秸秆分解发酵。

7）使用与管理：可以概括为“三补”和“三用”

三补：秸秆生物反应堆的功能菌种是一种好氧菌，向反应堆中补充氧气是十分必要的。措施是：①补气：储气池两端留气孔，反应堆上打孔，反应堆盖膜不可过严，四周要留出10 cm宽缝隙，以利于通气；反应堆上料加水当天就要开机抽气，即使阴雨天，也要开机5h。②补水：建堆后，头10d内可用储气（液）池中的水循环向反应堆淋水2～3次，以后可用井水补充，7～8d向反应堆补1次水。③补料：外置反应堆一般使用50～60d，秸秆消耗在60%，此时应及时补充秸秆和菌种，补秸秆1500kg，菌种3kg，浇水湿透后，用直径10cm尖头木棍打孔通气，然后盖膜。

三用：①用气：要坚持开机抽气，苗期每天5～6h，开花期7～8h，结果期每天10h以上。不论阴天、晴天都要开机，自上午8时至盖草帘为止。②用液：按1份浸出液对2～3份的水，喷施叶片和植株，每月进行3～4次，根部追施结合每次浇水进行冲施。③用渣：将每次外置反应堆清理出的陈渣收集起来，作追肥或底肥使用。