農(nóng)作物秸稈資源化處理

農(nóng)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(chuàng)新與育成中心節(jié)能環(huán)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(nóng)作物秸稈100t/d。

1.1.5農(nóng)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(fā)酵法、腐熟劑發(fā)酵法生產(chǎn)有機肥。發(fā)酵時間長，有二次污染，肥效質量差，施肥量大，農(nóng)民投入偏高。

1.1.6采用標準：農(nóng)業(yè)行業(yè)標準、生物有機肥。

1.2項目提出的背景

1.2.1國家對農(nóng)業(yè)的宏觀指導政策發(fā)生了重大變化

（1）用化肥投入的增加換取糧食連年增產(chǎn)模式，只注重糧食的數(shù)量安全，調(diào)整為在注重糧食數(shù)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(chǎn)，代價是土壤退化，面源污染，農(nóng)產(chǎn)品質量降低，影響人民身體健康，調(diào)整為土壤改良優(yōu)化，綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。

（3）傳統(tǒng)個體農(nóng)戶勞動密集型農(nóng)業(yè)調(diào)整為適度規(guī)?；?、集約化農(nóng)業(yè)，靠科技創(chuàng)新，提出“糧藏于地，糧藏于技”。

1.2.2傳統(tǒng)堆肥發(fā)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(huán)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(jiān)察、衛(wèi)生監(jiān)察部門這一關。由于長時間堆肥發(fā)酵，有機營養(yǎng)相當一部分轉化為二氧化碳等溫室氣體。堆肥發(fā)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(yōu)劣難分，市場無序競爭。堆肥發(fā)酵產(chǎn)品經(jīng)長時間應用已經(jīng)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(chuàng)者的長期研發(fā)和總結吉糧綜寶生物科技有限公司實踐經(jīng)驗。提出實施利用秸稈60t/d開發(fā)生產(chǎn)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(nóng)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(diào)配好的酸和催化劑經(jīng)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(diào)酸和催化劑后循環(huán)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(jīng)螺桿泵，進入低溫加壓水解罐。

（4）低溫加壓水解罐內(nèi)設螺旋盤管用半導體循環(huán)加熱器通入飽和熱水循環(huán)加熱。保證罐內(nèi)物料溫度達到90℃。罐內(nèi)還內(nèi)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(nèi)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)整型機滾動修整形成圓粒后，經(jīng)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(jīng)輸送帶傳送到倉庫經(jīng)碼垛機自動碼垛。對于篩分后的不合格篩下物料，經(jīng)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(fā)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(tài)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(huán)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(chǎn)生的水解產(chǎn)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(chǎn)生的含催化劑的酸水經(jīng)調(diào)整配制可循環(huán)使用，不外排。

（5）不產(chǎn)生二次污染，尤其不產(chǎn)生臭味和異味。

2.2.3工藝原理

酸經(jīng)水解產(chǎn)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(lián)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(nèi)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(shù)字識別，同喂料機聯(lián)鎖控制。整型機采用變頻控制電機轉數(shù)。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(jiān)測控制。

（3）監(jiān)控室采用顯示屏，電腦集中控制和監(jiān)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(chuàng)以來，在全國范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，經(jīng)取得國家登記證明的微肥企業(yè)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(shù)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(yè)方面，在土壤修復方面、飼料行業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)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(xù)降解成作物根系和土壤微生物快速吸收的單、雙糖狀態(tài)。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(chǎn)品方案

（1）產(chǎn)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(jīng)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(yǎng)。

C 生物，即微生物，是多功能枯草芽孢桿菌的菌群。

（2）產(chǎn)量：100t/d，折30000t/a。

（3）產(chǎn)品質量控制標準

A 遵循的國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標準：生物有機肥料 NY884-2004

有機質≥25%

微生物有益活菌數(shù)≥0.2個億/g

N+P₂O₅+K₂O≥6%

含水量≤15%

PH：5.5～8.0

B 企業(yè)內(nèi)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(shù)≥1個億/g

2.3系統(tǒng)工藝設備組成

2.3.1能源系統(tǒng)設備

（1）半導體循環(huán)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(tǒng)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(tǒng)

（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(tǒng)

包括計量秤、混合機、微機控制系統(tǒng)、自動調(diào)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(tǒng)；

（2）整型機，帶變頻控制系統(tǒng)。

2.3.6篩分系統(tǒng)

（1）造粒、烘干脫水粉料顆?；旌狭隙油缀Y分機；

（2）電磁振動喂料機；

2.3.7物料配送系統(tǒng)設備

2.3.8微生物擴大培養(yǎng)系統(tǒng)

（1）菌種保存、培養(yǎng)用冰箱、培養(yǎng)箱、凈化工作臺；

（2）消毒機、洗瓶機；

（3）培養(yǎng)基制作器具；

（4）搖床擴大培養(yǎng)機；

（5）配料罐、種子罐、擴大培養(yǎng)罐罐、固體菌劑培養(yǎng)裝置；

（6）配套循環(huán)加熱控溫機。

2.3.9自動稱量包裝系統(tǒng)

（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(tǒng)碼垛裝置

（1）平板輸送機；

（2）碼垛機；

2.3.11電氣自控系統(tǒng)

（1）配電柜；

（2）PLC微處理機；

（3）顯示屏；

（4）攝像監(jiān)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(nèi)）

3.1.4土地占用面積：10000㎡（約15畝）

3.1.5車間分區(qū)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(chǎn)時數(shù)8小時。

4.2生產(chǎn)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(chǎn)線：4人。

4.3管理人員：8人（在企管費中列支）。

五、環(huán)保設計方案

5.1廢水

5.1.1生活污水8t/d，排入市政管網(wǎng)，由污水處理廠統(tǒng)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(wǎng)，由污水處理廠統(tǒng)一處理。

5.1.3整個生產(chǎn)過程不排廢水，壓榨多余含水量一部分配酸循環(huán)利用，不外排。大部分由烘干機經(jīng)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(jīng)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(guī)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(wèi)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(lián)，產(chǎn)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(lián)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(chǎn)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(chǎn)生塵肺的職業(yè)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(jīng)布袋集塵，回收利用。二級聯(lián)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(fā)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(chǎn)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(nèi)；

7.2.2其他工程：271萬元

（1）綠化投資2000㎡：50元/㎡，10萬元；

（2）廠內(nèi)道路1000㎡：50元/㎡，5萬元；

（3）土地平整10000㎡：30元/㎡，30萬元；

（4）廠內(nèi)照明、空調(diào)：20萬元；

（5）通訊（輸配電不計在內(nèi)）：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(diào)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(tǒng)：95.16萬元；

（2）物流系統(tǒng)：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(tǒng)設備：88.35萬元；

（5）低溫加壓水解系統(tǒng)設備：74.29萬元；

（6）微生物擴大培養(yǎng)設備系統(tǒng)：62.20萬元；

（7）槽罐類：28.68萬元；

（8）干燥系統(tǒng)設備：81.35萬元；

（9）電腦配料系統(tǒng)設備：36.10萬元；

（10）造粒整型系統(tǒng)設備：45.72萬元；

（11）自動計量包裝系統(tǒng)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(huán)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(jiān)理費 12.00萬元

7.3.6圖紙審查費 2.00萬元

7.3.7規(guī)劃勘察費 15.00萬元

7.3.8會議費 10.00萬元

7.3.9考察調(diào)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(jīng)濟效益分析

8.1產(chǎn)品方案

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

8.1.2產(chǎn)成品種類：生物有機能量肥。

8.1.3產(chǎn)成品產(chǎn)量：100t/d（含水量≤15%），折30000t/a。

8.1.4產(chǎn)品質量控制標準

（1）有益微生物活菌數(shù)≥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(jīng)濟效益分析估算

8.2.1生產(chǎn)成本分析估算

詳見表8.2.1生產(chǎn)成本分析估算。

表8.2.1 生產(chǎn)成本分析估算