农作物秸秆资源化处理

农作物秸秆100t/d的水解处理方法制小分子生物

有机能量肥的设计方案

(刘文治 教授)

中科院上海嘉定先进技术创新与育成中心节能环保所

一、概述

1.1基础资料

1.1.1投资单位：吉林省吉粮综宝生物科技有限公司

1.1.2实施单位：吉林省吉粮综宝生物科技有限公司

1.1.3项目地址：吉林省白城市

1.1.4处理类别及处理量：农作物秸秆100t/d。

1.1.5农作物秸秆目前处理方式：秸秆覆盖还田，留高茬还田，粉碎还田。病虫害同时还田，破坏土壤结构。堆肥发酵法、腐熟剂发酵法生产有机肥。发酵时间长，有二次污染，肥效质量差，施肥量大，农民投入偏高。

1.1.6采用标准：农业行业标准、生物有机肥。

1.2项目提出的背景

1.2.1国家对农业的宏观指导政策发生了重大变化

（1）用化肥投入的增加换取粮食连年增产模式，只注重粮食的数量安全，调整为在注重粮食数量安全的同时更加注重品质和质量安全。

（2）只注重粮食的连连增产，代价是土壤退化，面源污染，农产品质量降低，影响人民身体健康，调整为土壤改良优化，绿色发展、可持续发展。

（3）传统个体农户劳动密集型农业调整为适度规模化、集约化农业，靠科技创新，提出“粮藏于地，粮藏于技”。

1.2.2传统堆肥发酵有机肥，由于存在二次污染，尤其是恶臭和异味污染，过不了环保关。由于工艺设备落后，对操作人员身体健康的不良影响，过不了安全监察、卫生监察部门这一关。由于长时间堆肥发酵，有机营养相当一部分转化为二氧化碳等温室气体。堆肥发酵结果为微生物不易分解的木质素衍生物腐植酸和微生物死亡菌体细胞壁和微生物积累的毒素，肥效差，施用量大，劳动强度大。由于标准滞后，伪劣假冒盛行，优劣难分，市场无序竞争。堆肥发酵产品经长时间应用已经证明，对解决土壤退化，减少化肥用量，效果不明显。

1.2.3针对上述问题和适应中央自2014年-2016年的一号文件精神和原创者的长期研发和总结吉粮综宝生物科技有限公司实践经验。提出实施利用秸秆60t/d开发生产小分子生物有机能量肥料的工厂设计方案。

二、工艺工程设计方案

2.1工艺流程

2.2工艺方法特点

2.2.1工艺方法

（1）初碎的农作物秸秆进暂存槽由下部的螺杆泵进入混和搅拌机。由浓硫酸和水调配好的酸和催化剂经计量泵也同时进入混合搅拌机进行混和搅拌均匀后，进入强制浸泡罐，最后进压榨脱水机。

（2）脱掉的多余酸水进储液槽，然后进配酸槽重新调酸和催化剂后循环使用。
（3）脱酸水后的物料含水量达60%左右，用螺杆泵送到高速剪切活化机进行机械力化学活化处理，然后经螺杆泵，进入低温加压水解罐。

（4）低温加压水解罐内设螺旋盘管用半导体循环加热器通入饱和热水循环加热。保证罐内物料温度达到90℃。罐内还内设细孔式布气器，通过空气压缩机将被加热加压的热空气，通过布气器细孔均匀地进入罐内辅助搅拌同时加热和加压，水解反应3h后，一次性加压出料进入泄压罐。再由泄压罐底部出口下边的皮带输送机进入斗提机，再进入暂存槽。再通过暂存槽下边的螺旋出料器，进入旋转桨叶式干燥机进行干燥脱水。

（5）将水脱到30%～35%后，经下部出口出料通过皮带输送机进斗提机，再进入电脑配料机的低位暂存槽。

（6）经由低位暂存槽相连的斗式提料机输送到电脑配料机的高位料槽。将中和剂MgCO₃、菌剂、添加剂，分别通过低位暂存槽相连接的斗提机提到高位料槽，然后经电脑自动称量后，由搅拌机搅拌均匀后，出料。由短皮带输送机和斗式提升机进造粒机的高位料槽，由高位料槽下部相连的螺旋出料器定量出料给挤压式造粒机。

（7）挤压式造粒机造出的圆柱形颗粒，再经整型机滚动修整形成圆粒后，经短皮带输送机给斗提机进入三套筒干燥机的高位料仓，再由料仓相连的气动阀门和电磁振动给料器定量控制给料，进三套筒干燥机进行颗粒料的干燥脱水。当含水量达小于20%时，由下部出料口气动阀门打开出料，由短皮带输送机喂斗式输送机进入冷却机，冷却后再由下部短皮带输送机和斗提机进入筛分机的高位料仓。

（8）由高位料仓出口的电磁振动给料机，定量给料进筛分机进行筛分。合格料通过短皮带加斗提机输送到自动称量包装机，进行自动计量包装成每袋50kg的小分子生物有机能量肥料，经输送带传送到仓库经码垛机自动码垛。对于筛分后的不合格筛下物料，经输送机返回造粒机的高位料槽重新造粒。

2.2.2本工艺的特点

（1）正常运行时低温（不超过100℃），加压不超过1MPa（10kg/cm²），而且是热空气加压为0.7mpa～0.8mpa，因为不超过100℃，就没有挥发性有机物放出，因此就没有任何臭味和异味。在90℃，压力为0.7mpa状态下彻底灭菌。在启动预热时，采用超过100℃的高温，当物料温度由常温升到90℃时，降低加热循环水温度和热空气温度，保持料温在80℃～90℃。

（2）反应时间短，3h。

（3）产生的水解产物为聚合度为1～500，不同聚合度的糖类和有机酸类、有机氮类。

（4）压榨脱水产生的含催化剂的酸水经调整配制可循环使用，不外排。

（5）不产生二次污染，尤其不产生臭味和异味。

2.2.3工艺原理

酸经水解产生的氢离子，在催化剂作用下，攻击高分子有机物（淀粉、纤维素、半纤维素、木质素）中的联接氧桥，形成一分子水。使高分子链断开形成小分子糖类、有机酸类、氨基酸及肽类。

2.2.4自动控制方案

（1）控制方法

采用PLC程序控制，全程控制，远程总控和就地控制相结合。

（2）控制内容

混和搅拌机、电脑配料机采用重力传感器的自动称量，物流输送机采用设备之间用暂存槽的料位控制相连接。实行物流全程自控。造粒机采用正常电流输出值数字识别，同喂料机联锁控制。整型机采用变频控制电机转数。自动计量包装机采用全自动自动张袋、自动计量、自动封口、自动输送。干燥机的物料含水量，采用红外线在线监测控制。

（3）监控室采用显示屏，电脑集中控制和监控摄像控制相结合。

2.2.5配套微生物菌群方案

（1）枯草芽孢杆菌自八十年代原创以来，在全国范围内得到了快速发展，经取得国家登记证明的微肥企业有90%以上都采用枯草芽孢杆菌的微生物肥料。但只注重微生物数量，都没有把握其功能，没构成多动能菌群。此菌群不仅在微生物肥料行业方面，在土壤修复方面、饲料行业、水产养殖行业都得到了广泛地应用，并且都取得了明显的效果。

（2）在工艺上采用低温加压水解技术，配套枯草芽孢杆菌多功能菌群，在生物肥施用在土壤中，聚合度大的（200-500个）小分子部分，被枯草芽孢杆菌继续降解成作物根系和土壤微生物快速吸收的单、双糖状态。除此之外，枯草芽孢杆菌还能将土壤中前茬残根和微生物死亡菌体蛋白和细胞壁分解成小分子有机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产品方案

（1）产品名称：小分子生物有机能量肥料

A 名称含义

小分子概念：淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质经低温加压水解后形成不同聚合度的糖类、糖醛酸类、1个糖分子聚合度为1.水解反应形成的糖和糖醛酸，最小为1，最大为500，均属于小分子。是不同聚合度的一个系列。

B 有机能量概念

地球上的生命都有共同特证，一是能量形式，组成元素为C、H、O，二是遗传形式，但形成元素除C、H、O，还有N、P、S。能量物质从人和动物角度为淀粉和粗纤维（包括纤维素、半纤维素、木质素），糖类是能量的可吸收最小单元。植物的能量是CO₂同水在阳光的光能作用下转化为化学能量葡萄糖，这就是植物的能量，我们通过水解形成的不同分子量的糖类、糖醛酸类就是植物的能量，也称能量营养。

C 生物，即微生物，是多功能枯草芽孢杆菌的菌群。

（2）产量：100t/d，折30000t/a。

（3）产品质量控制标准

A 遵循的国家农业行业标准：生物有机肥料 NY884-2004

有机质≥25%

微生物有益活菌数≥0.2个亿/g

N+P₂O₅+K₂O≥6%

含水量≤15%

PH：5.5～8.0

B 企业内部控制标准

总糖≥60%

总有机氮≥15%

N+P₂O₅+K₂O≥6%

含水量≤15%

PH：5.5～7.5

微生物有益活菌数≥1个亿/g

2.3系统工艺设备组成

2.3.1能源系统设备

（1）半导体循环加热机；

（2）空气压缩机和半导体空气加热器；

（3）配套罐、槽类；

（4）PLC微机自动控制。

2.3.2化学反应低温加压系统设备

（1）混合搅拌反应罐和计量称；

（2）低温加压水解罐（包括秸秆加压浸泡罐）；

（3）泄料机；

（4）配套槽罐；

（5）微机自控。

2.3.3干燥系统

（1）粉料旋转桨叶式干燥机；

（2）颗粒状三套筒式干燥机；

（3）配套真空泵；

（4）流量控制喂料器。

2.3.4电脑配料系统

包括计量秤、混合机、微机控制系统、自动调整配方。

2.3.5造粒、整型机

（1）挤压式造粒机，附微机自动控制系统；

（2）整型机，带变频控制系统。

2.3.6筛分系统

（1）造粒、烘干脱水粉料颗粒混合料二层通孔筛分机；

（2）电磁振动喂料机；

2.3.7物料配送系统设备

2.3.8微生物扩大培养系统

（1）菌种保存、培养用冰箱、培养箱、净化工作台；

（2）消毒机、洗瓶机；

（3）培养基制作器具；

（4）摇床扩大培养机；

（5）配料罐、种子罐、扩大培养罐罐、固体菌剂培养装置；

（6）配套循环加热控温机。

2.3.9自动称量包装系统

（1）固体颗粒自动称量包装机；

（2）输送机、张口机、灌装机、封口机；

（3）配套传感器；

（4）贮料槽。

2.3.10自动输送系统码垛装置

（1）平板输送机；

（2）码垛机；

2.3.11电气自控系统

（1）配电柜；

（2）PLC微处理机；

（3）显示屏；

（4）摄像监控机；

三、公用工程设计方案

3.1建筑方案

3.1.1厂房面积：2970㎡（90m×33m×16m）。分二层，每层8m高，局部一层16m高。

3.1.2库房面积：1800㎡（90m×20m×8m）。

3.1.3辅助面积：（不计在内）

3.1.4土地占用面积：10000㎡（约15亩）

3.1.5车间分区平面布置方案

3.3总装机容量：300KW。

3.4用水量：100t/d。

四、人力资源分配方案

4.1微生物工段24小时，其它每日生产时数8小时。

4.2生产人员：20人

4.2.1电气自控：3人；

4.2.2微生物3人，化验2人；

4.2.3全程生产线：4人。

4.3管理人员：8人（在企管费中列支）。

五、环保设计方案

5.1废水

5.1.1生活污水8t/d，排入市政管网，由污水处理厂统一处理。

5.1.2清洗地面、容器废水3t/d，水质同生活污水相近，排入市政管网，由污水处理厂统一处理。

5.1.3整个生产过程不排废水，压榨多余含水量一部分配酸循环利用，不外排。大部分由烘干机经干燥脱水后，排入大气。

5.2粉尘

5.2.1干燥车间，由干燥机排出粉尘，经吸气罩收集到螺旋集料器和布袋集料器，收集后回收利用。

5.3噪声

5.3.1采购的动力设备、风机、电机、空气压缩机，符合国家规定的噪声标准。电机、风机安装时，设置橡胶减振垫，隔音罩等措施，使之达到国家标准。

六、卫生、技术安全设计方案

6.1压力容器安全操作方案

6.1.1低温加压水解罐，使用最高温度为≤100℃，一般正常运行在80℃～90℃，空压机压力为0.7mpa～0.8mpa。

6.1.2设计温度和压力

设计水解罐承受温度为110℃，设计水解罐承受压力为1.0mpa。

6.1.3压力安全控制方案

该项目压力容器温度和压力不关联，产生压力是空气压缩机的压缩空气，压力为0.7mpa～0.8mpa，低温加压水解罐上设计安全阀标定压力为0.9mpa，超过此压力阀门自动打开，泄压保证安全。在联接低温加压水解罐的管道上也安装一个安全阀，防止罐上的安全阀 失灵，做到双保险。

6.2干燥机粉尘治理防止操作人员感染尘肺

6.2.1干燥机产生的粉尘在车间飞扬如不净化治理，操作人员吸入呼吸道容易产生尘肺的职业病。

6.2.2治理方案

在干燥机飞出粉尘部位设置吸气罩，用风机负压吸收粉尘到螺旋集尘器，由集尘器下部集料出口排出，回收利用。上部出气再经布袋集尘，回收利用。二级联合净化收集，确保净化效果。

6.3配酸工位预防硫酸腐蚀方案

6.3.1操作人员着装防酸劳动保护服装，防止同酸直接接触。

6.3.2操作工位，设置水龙头，如不慎同酸接触，就近马上打开水龙头及时冲洗。

6.3.3运输车载用耐腐蚀玻璃钢罐。车间放置玻璃钢硫酸储罐，用耐酸泵自动自运输车储罐输入车间储罐。防止硫酸跑、冒、滴、漏，如发生用安装在水龙头的带喷头的喷水管，立即喷洒清洗，由排水管收集到耐酸储水槽，再用碱中和处理，中和酸的腐蚀性。

七、投资估算

7.1总投资构成

公用工程：551.00万元（30.53%）

工艺设备及安装：982.00万元（54.40%）

其他费用：172.00万元（9.53%）

流动资金：100万元（5.54%）

合计：1805.00万元（100.02%）

7.2公用工程投资：551万元

7.2.1建筑工程投资：280万元

（1）生产厂房3000㎡：600元/㎡，180万元；

（2）库房面积2000㎡：500元/㎡，100万元；

（3）占地面积10000㎡（15亩），土地费用不计在内；

7.2.2其他工程：271万元

（1）绿化投资2000㎡：50元/㎡，10万元；

（2）厂内道路1000㎡：50元/㎡，5万元；

（3）土地平整10000㎡：30元/㎡，30万元；

（4）厂内照明、空调：20万元；

（5）通讯（输配电不计在内）：6万元；

（6）办公福利设施，35万元；

（7）运输工具：35万元。

7.2.3给水、排水：30万元。

7.2.4线路配电：60万元。

7.1.5粉尘收集处理：40万元。

7.3工艺工程投资：982.00万元

7.3.1安装调试费15%：147.30万元

7.3.2工艺设备：834.70万元

（1）电气自控系统：95.16万元；

（2）物流系统：62.63万元；

（3）管道阀门、平台、支架、护栏、钢梯：45.68万元；

（4）能源系统设备：88.35万元；

（5）低温加压水解系统设备：74.29万元；

（6）微生物扩大培养设备系统：62.20万元；

（7）槽罐类：28.68万元；

（8）干燥系统设备：81.35万元；

（9）电脑配料系统设备：36.10万元；

（10）造粒整型系统设备：45.72万元；

（11）自动计量包装系统设备：130.80万元；

（12）输送码垛设备：36.60万元；

（13）运杂保险费5%：47.14万元。

7.3其它费用：172.00万元（19.96%）

7.3.1立项可研 9.00万元

7.3.2环评 17.00万元

7.3.3工程可研 24.00万元

7.3.4 工程设计 46.00万元

7.3.5监理费 12.00万元

7.3.6图纸审查费 2.00万元

7.3.7规划勘察费 15.00万元

7.3.8会议费 10.00万元

7.3.9考察调研费 12.00万元

7.3.10专家咨询服务费 10.00万元

7.3.11培训费 15.00万元

八、经济效益分析

8.1产品方案

8.1.1秸秆处理规模：100t/d（8h/d），折30000t/a，含水量≤20%，有机质≥60%（干基）。

8.1.2产成品种类：生物有机能量肥。

8.1.3产成品产量：100t/d（含水量≤15%），折30000t/a。

8.1.4产品质量控制标准

（1）有益微生物活菌数≥1个亿/g；

（2）有机质≥60%；

（3）总糖≥60%，总有机氮≥15%，聚合度1-500；

（4）N+P₂O₅+K₂O≥6%；

（5）PH5.5～7.5；

（6）含水量≤15%。

8.2经济效益分析估算

8.2.1生产成本分析估算

详见表8.2.1生产成本分析估算。

表8.2.1 生产成本分析估算