農作物秸稈100t/d的水解處理方法制小分子生物

有機能量肥的設計方案

(劉文治 教授)

中科院上海嘉定先進技術創新與育成中心節能環保所

一、概述

1.1基礎資料

1.1.1投資單位：吉林省吉糧綜寶生物科技有限公司

1.1.2實施單位：吉林省吉糧綜寶生物科技有限公司

1.1.3項目地址：吉林省白城市

1.1.4處理類別及處理量：農作物秸稈100t/d。

1.1.5農作物秸稈目前處理方式：秸稈覆蓋還田，留高茬還田，粉碎還田。病蟲害同時還田，破壞土壤結構。堆肥發酵法、腐熟劑發酵法生產有機肥。發酵時間長，有二次污染，肥效質量差，施肥量大，農民投入偏高。

1.1.6采用標準：農業行業標準、生物有機肥。

1.2項目提出的背景

1.2.1國家對農業的宏觀指導政策發生了重大變化

（1）用化肥投入的增加換取糧食連年增產模式，只注重糧食的數量安全，調整為在注重糧食數量安全的同時更加注重品質和質量安全。

（2）只注重糧食的連連增產，代價是土壤退化，面源污染，農產品質量降低，影響人民身體健康，調整為土壤改良優化，綠色發展、可持續發展。

（3）傳統個體農戶勞動密集型農業調整為適度規模化、集約化農業，靠科技創新，提出“糧藏于地，糧藏于技”。

1.2.2傳統堆肥發酵有機肥，由于存在二次污染，尤其是惡臭和異味污染，過不了環保關。由于工藝設備落后，對操作人員身體健康的不良影響，過不了安全監察、衛生監察部門這一關。由于長時間堆肥發酵，有機營養相當一部分轉化為二氧化碳等溫室氣體。堆肥發酵結果為微生物不易分解的木質素衍生物腐植酸和微生物死亡菌體細胞壁和微生物積累的毒素，肥效差，施用量大，勞動強度大。由于標準滯后，偽劣假冒盛行，優劣難分，市場無序競爭。堆肥發酵產品經長時間應用已經證明，對解決土壤退化，減少化肥用量，效果不明顯。

1.2.3針對上述問題和適應中央自2014年-2016年的一號文件精神和原創者的長期研發和總結吉糧綜寶生物科技有限公司實踐經驗。提出實施利用秸稈60t/d開發生產小分子生物有機能量肥料的工廠設計方案。

二、工藝工程設計方案

2.1工藝流程

2.2工藝方法特點

2.2.1工藝方法

（1）初碎的農作物秸稈進暫存槽由下部的螺桿泵進入混和攪拌機。由濃硫酸和水調配好的酸和催化劑經計量泵也同時進入混合攪拌機進行混和攪拌均勻后，進入強制浸泡罐，最后進壓榨脫水機。

（2）脫掉的多余酸水進儲液槽，然后進配酸槽重新調酸和催化劑后循環使用。
（3）脫酸水后的物料含水量達60%左右，用螺桿泵送到高速剪切活化機進行機械力化學活化處理，然后經螺桿泵，進入低溫加壓水解罐。

（4）低溫加壓水解罐內設螺旋盤管用半導體循環加熱器通入飽和熱水循環加熱。保證罐內物料溫度達到90℃。罐內還內設細孔式布氣器，通過空氣壓縮機將被加熱加壓的熱空氣，通過布氣器細孔均勻地進入罐內輔助攪拌同時加熱和加壓，水解反應3h后，一次性加壓出料進入泄壓罐。再由泄壓罐底部出口下邊的皮帶輸送機進入斗提機，再進入暫存槽。再通過暫存槽下邊的螺旋出料器，進入旋轉槳葉式干燥機進行干燥脫水。

（5）將水脫到30%～35%后，經下部出口出料通過皮帶輸送機進斗提機，再進入電腦配料機的低位暫存槽。

（6）經由低位暫存槽相連的斗式提料機輸送到電腦配料機的高位料槽。將中和劑MgCO₃、菌劑、添加劑，分別通過低位暫存槽相連接的斗提機提到高位料槽，然后經電腦自動稱量后，由攪拌機攪拌均勻后，出料。由短皮帶輸送機和斗式提升機進造粒機的高位料槽，由高位料槽下部相連的螺旋出料器定量出料給擠壓式造粒機。

（7）擠壓式造粒機造出的圓柱形顆粒，再經整型機滾動修整形成圓粒后，經短皮帶輸送機給斗提機進入三套筒干燥機的高位料倉，再由料倉相連的氣動閥門和電磁振動給料器定量控制給料，進三套筒干燥機進行顆粒料的干燥脫水。當含水量達小于20%時，由下部出料口氣動閥門打開出料，由短皮帶輸送機喂斗式輸送機進入冷卻機，冷卻后再由下部短皮帶輸送機和斗提機進入篩分機的高位料倉。

（8）由高位料倉出口的電磁振動給料機，定量給料進篩分機進行篩分。合格料通過短皮帶加斗提機輸送到自動稱量包裝機，進行自動計量包裝成每袋50kg的小分子生物有機能量肥料，經輸送帶傳送到倉庫經碼垛機自動碼垛。對于篩分后的不合格篩下物料，經輸送機返回造粒機的高位料槽重新造粒。

2.2.2本工藝的特點

（1）正常運行時低溫（不超過100℃），加壓不超過1MPa（10kg/cm²），而且是熱空氣加壓為0.7mpa～0.8mpa，因為不超過100℃，就沒有揮發性有機物放出，因此就沒有任何臭味和異味。在90℃，壓力為0.7mpa狀態下徹底滅菌。在啟動預熱時，采用超過100℃的高溫，當物料溫度由常溫升到90℃時，降低加熱循環水溫度和熱空氣溫度，保持料溫在80℃～90℃。

（2）反應時間短，3h。

（3）產生的水解產物為聚合度為1～500，不同聚合度的糖類和有機酸類、有機氮類。

（4）壓榨脫水產生的含催化劑的酸水經調整配制可循環使用，不外排。

（5）不產生二次污染，尤其不產生臭味和異味。

2.2.3工藝原理

酸經水解產生的氫離子，在催化劑作用下，攻擊高分子有機物（淀粉、纖維素、半纖維素、木質素）中的聯接氧橋，形成一分子水。使高分子鏈斷開形成小分子糖類、有機酸類、氨基酸及肽類。

2.2.4自動控制方案

（1）控制方法

    采用PLC程序控制，全程控制，遠程總控和就地控制相結合。

（2）控制內容

    混和攪拌機、電腦配料機采用重力傳感器的自動稱量，物流輸送機采用設備之間用暫存槽的料位控制相連接。實行物流全程自控。造粒機采用正常電流輸出值數字識別，同喂料機聯鎖控制。整型機采用變頻控制電機轉數。自動計量包裝機采用全自動自動張袋、自動計量、自動封口、自動輸送。干燥機的物料含水量，采用紅外線在線監測控制。

（3）監控室采用顯示屏，電腦集中控制和監控攝像控制相結合。

2.2.5配套微生物菌群方案

（1）枯草芽孢桿菌自八十年代原創以來，在全國范圍內得到了快速發展，經取得國家登記證明的微肥企業有90%以上都采用枯草芽孢桿菌的微生物肥料。但只注重微生物數量，都沒有把握其功能，沒構成多動能菌群。此菌群不僅在微生物肥料行業方面，在土壤修復方面、飼料行業、水產養殖行業都得到了廣泛地應用，并且都取得了明顯的效果。

（2）在工藝上采用低溫加壓水解技術，配套枯草芽孢桿菌多功能菌群，在生物肥施用在土壤中，聚合度大的（200-500個）小分子部分，被枯草芽孢桿菌繼續降解成作物根系和土壤微生物快速吸收的單、雙糖狀態。除此之外，枯草芽孢桿菌還能將土壤中前茬殘根和微生物死亡菌體蛋白和細胞壁分解成小分子有機物供作物根系吸收和土壤微生物利用，提高土壤活性。

2.2.6產品方案

（1）產品名稱：小分子生物有機能量肥料

A 名稱含義

  小分子概念：淀粉、纖維素、半纖維素、果膠質經低溫加壓水解后形成不同聚合度的糖類、糖醛酸類、1個糖分子聚合度為1.水解反應形成的糖和糖醛酸，最小為1，最大為500，均屬于小分子。是不同聚合度的一個系列。

B 有機能量概念

地球上的生命都有共同特證，一是能量形式，組成元素為C、H、O，二是遺傳形式，但形成元素除C、H、O，還有N、P、S。能量物質從人和動物角度為淀粉和粗纖維（包括纖維素、半纖維素、木質素），糖類是能量的可吸收最小單元。植物的能量是CO₂同水在陽光的光能作用下轉化為化學能量葡萄糖，這就是植物的能量，我們通過水解形成的不同分子量的糖類、糖醛酸類就是植物的能量，也稱能量營養。

C 生物，即微生物，是多功能枯草芽孢桿菌的菌群。

（2）產量：100t/d，折30000t/a。

（3）產品質量控制標準

A 遵循的國家農業行業標準：生物有機肥料  NY884-2004

  有機質≥25%

  微生物有益活菌數≥0.2個億/g

  N+P₂O₅+K₂O≥6%

含水量≤15%

PH：5.5～8.0

B 企業內部控制標準

  總糖≥60%

  總有機氮≥15%

  N+P₂O₅+K₂O≥6%

含水量≤15%

PH：5.5～7.5

微生物有益活菌數≥1個億/g

2.3系統工藝設備組成

2.3.1能源系統設備

（1）半導體循環加熱機；

（2）空氣壓縮機和半導體空氣加熱器；

（3）配套罐、槽類；

（4）PLC微機自動控制。

2.3.2化學反應低溫加壓系統設備

（1）混合攪拌反應罐和計量稱；

（2）低溫加壓水解罐（包括秸稈加壓浸泡罐）；

（3）泄料機；

（4）配套槽罐；

（5）微機自控。

2.3.3干燥系統

（1）粉料旋轉槳葉式干燥機；

（2）顆粒狀三套筒式干燥機；

（3）配套真空泵；

（4）流量控制喂料器。

2.3.4電腦配料系統

    包括計量秤、混合機、微機控制系統、自動調整配方。

2.3.5造粒、整型機

（1）擠壓式造粒機，附微機自動控制系統；

（2）整型機，帶變頻控制系統。

2.3.6篩分系統

（1）造粒、烘干脫水粉料顆粒混合料二層通孔篩分機；

（2）電磁振動喂料機；

2.3.7物料配送系統設備

2.3.8微生物擴大培養系統

（1）菌種保存、培養用冰箱、培養箱、凈化工作臺；

（2）消毒機、洗瓶機；

（3）培養基制作器具；

（4）搖床擴大培養機；

（5）配料罐、種子罐、擴大培養罐罐、固體菌劑培養裝置；

（6）配套循環加熱控溫機。

2.3.9自動稱量包裝系統

（1）固體顆粒自動稱量包裝機；

（2）輸送機、張口機、灌裝機、封口機；

（3）配套傳感器；

（4）貯料槽。

2.3.10自動輸送系統碼垛裝置

（1）平板輸送機；

（2）碼垛機；

2.3.11電氣自控系統

（1）配電柜；

（2）PLC微處理機；

（3）顯示屏；

（4）攝像監控機；

三、公用工程設計方案

3.1建筑方案

3.1.1廠房面積：2970㎡（90m×33m×16m）。分二層，每層8m高，局部一層16m高。

3.1.2庫房面積：1800㎡（90m×20m×8m）。

3.1.3輔助面積：（不計在內）

3.1.4土地占用面積：10000㎡（約15畝）

3.1.5車間分區平面布置方案

 

3.3總裝機容量：300KW。

3.4用水量：100t/d。

四、人力資源分配方案

4.1微生物工段24小時，其它每日生產時數8小時。

4.2生產人員：20人

4.2.1電氣自控：3人；

4.2.2微生物3人，化驗2人；

4.2.3全程生產線：4人。

4.3管理人員：8人（在企管費中列支）。

五、環保設計方案

5.1廢水

5.1.1生活污水8t/d，排入市政管網，由污水處理廠統一處理。

5.1.2清洗地面、容器廢水3t/d，水質同生活污水相近，排入市政管網，由污水處理廠統一處理。

5.1.3整個生產過程不排廢水，壓榨多余含水量一部分配酸循環利用，不外排。大部分由烘干機經干燥脫水后，排入大氣。

5.2粉塵

5.2.1干燥車間，由干燥機排出粉塵，經吸氣罩收集到螺旋集料器和布袋集料器，收集后回收利用。

5.3噪聲

5.3.1采購的動力設備、風機、電機、空氣壓縮機，符合國家規定的噪聲標準。電機、風機安裝時，設置橡膠減振墊，隔音罩等措施，使之達到國家標準。

六、衛生、技術安全設計方案

6.1壓力容器安全操作方案

6.1.1低溫加壓水解罐，使用最高溫度為≤100℃，一般正常運行在80℃～90℃，空壓機壓力為0.7mpa～0.8mpa。

6.1.2設計溫度和壓力

設計水解罐承受溫度為110℃，設計水解罐承受壓力為1.0mpa。

6.1.3壓力安全控制方案

    該項目壓力容器溫度和壓力不關聯，產生壓力是空氣壓縮機的壓縮空氣，壓力為0.7mpa～0.8mpa，低溫加壓水解罐上設計安全閥標定壓力為0.9mpa，超過此壓力閥門自動打開，泄壓保證安全。在聯接低溫加壓水解罐的管道上也安裝一個安全閥，防止罐上的安全閥 失靈，做到雙保險。

6.2干燥機粉塵治理防止操作人員感染塵肺

6.2.1干燥機產生的粉塵在車間飛揚如不凈化治理，操作人員吸入呼吸道容易產生塵肺的職業病。

6.2.2治理方案

    在干燥機飛出粉塵部位設置吸氣罩，用風機負壓吸收粉塵到螺旋集塵器，由集塵器下部集料出口排出，回收利用。上部出氣再經布袋集塵，回收利用。二級聯合凈化收集，確保凈化效果。

6.3配酸工位預防硫酸腐蝕方案

6.3.1操作人員著裝防酸勞動保護服裝，防止同酸直接接觸。

6.3.2操作工位，設置水龍頭，如不慎同酸接觸，就近馬上打開水龍頭及時沖洗。

6.3.3運輸車載用耐腐蝕玻璃鋼罐。車間放置玻璃鋼硫酸儲罐，用耐酸泵自動自運輸車儲罐輸入車間儲罐。防止硫酸跑、冒、滴、漏，如發生用安裝在水龍頭的帶噴頭的噴水管，立即噴灑清洗，由排水管收集到耐酸儲水槽，再用堿中和處理，中和酸的腐蝕性。

七、投資估算

7.1總投資構成

      公用工程：551.00萬元（30.53%）

      工藝設備及安裝：982.00萬元（54.40%）

      其他費用：172.00萬元（9.53%）

      流動資金：100萬元（5.54%）

      合計：1805.00萬元（100.02%）

7.2公用工程投資：551萬元

7.2.1建筑工程投資：280萬元

（1）生產廠房3000㎡：600元/㎡，180萬元；

（2）庫房面積2000㎡：500元/㎡，100萬元；

（3）占地面積10000㎡（15畝），土地費用不計在內；

7.2.2其他工程：271萬元

（1）綠化投資2000㎡：50元/㎡，10萬元；

（2）廠內道路1000㎡：50元/㎡，5萬元；

（3）土地平整10000㎡：30元/㎡，30萬元；

（4）廠內照明、空調：20萬元；

（5）通訊（輸配電不計在內）：6萬元；

（6）辦公福利設施，35萬元；

（7）運輸工具：35萬元。

7.2.3給水、排水：30萬元。

7.2.4線路配電：60萬元。

7.1.5粉塵收集處理：40萬元。

7.3工藝工程投資：982.00萬元

7.3.1安裝調試費15%：147.30萬元

7.3.2工藝設備：834.70萬元

（1）電氣自控系統：95.16萬元；

（2）物流系統：62.63萬元；

（3）管道閥門、平臺、支架、護欄、鋼梯：45.68萬元；

（4）能源系統設備：88.35萬元；

（5）低溫加壓水解系統設備：74.29萬元；

（6）微生物擴大培養設備系統：62.20萬元；

（7）槽罐類：28.68萬元；

（8）干燥系統設備：81.35萬元；

（9）電腦配料系統設備：36.10萬元；

（10）造粒整型系統設備：45.72萬元；

（11）自動計量包裝系統設備：130.80萬元；

（12）輸送碼垛設備：36.60萬元；

（13）運雜保險費5%：47.14萬元。

 

7.3其它費用：172.00萬元（19.96%）

7.3.1立項可研               9.00萬元

7.3.2環評                   17.00萬元

7.3.3工程可研               24.00萬元

7.3.4 工程設計              46.00萬元

7.3.5監理費                 12.00萬元

7.3.6圖紙審查費             2.00萬元

7.3.7規劃勘察費             15.00萬元

7.3.8會議費                 10.00萬元

7.3.9考察調研費             12.00萬元

7.3.10專家咨詢服務費        10.00萬元

7.3.11培訓費                15.00萬元

八、經濟效益分析

8.1產品方案

8.1.1秸稈處理規模：100t/d（8h/d），折30000t/a，含水量≤20%，有機質≥60%（干基）。

8.1.2產成品種類：生物有機能量肥。

8.1.3產成品產量：100t/d（含水量≤15%），折30000t/a。

8.1.4產品質量控制標準

（1）有益微生物活菌數≥1個億/g；

（2）有機質≥60%；

（3）總糖≥60%，總有機氮≥15%，聚合度1-500；

（4）N+P₂O₅+K₂O≥6%；

（5）PH5.5～7.5；

（6）含水量≤15%。

8.2經濟效益分析估算

8.2.1生產成本分析估算

詳見表8.2.1生產成本分析估算。

 

序號	項目名稱	單位	數量（日）	單價 （元）	總價（元）	日成本（萬元）	年成本（萬元）	折產品t成本（元）	備注
一	生產原料
1.1	秸稈	t	100	250	2.50	2.50	750.00	250
1.2	硫酸98%	t	0.4	800	320	0.032	9.60	3.2
1.3	催化劑	kg	24	15	360	0.036	10.80	3.6
1.4	微生物菌劑	t	10.00	500	5000	0.50	150.00	50.00
1.5	添加劑（5%）	t	6.00	0.6	3600	0.36	108.00	36.00
1.6	中和劑（6%）	t	5.50	800	4400	0.44	132.00	44.00
小計
二	水、電
2.1	水費	t	100	3	300	0.03	9.00	1.0
2.2	電費	kwh	2400	1.2	2880	0.29	87.00	28.8
三	包裝費	個	2000	2	4000	0.40	120.00	840.0
四	人工費用	人	20	6000元/人·月	4000	0.40	120.00	40.0
五	折舊費（10年）					0.36	107.98	36.0	10年折舊、殘值5%
六	修理費					0.036	10.80	3.6	折舊費的10%
七	企業管理費（2%）					0.36	108.00	36.00	售價1800元/t的2%
八	銷售費（5%）					0.40	270.00	40.00	售價的5%
總成本						6.14	1993.18	612.2

表8.2.1  生產成本分析估算