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以农作物秸秆为代表的纤维类原料密度小且不易分解,在沼气发酵液中容易上浮结壳,严重限制了其沼气化利用效率。本文基于现有的秸秆沼气工程的发酵工艺,以我国三大农作物——水稻、小麦和玉米秸秆为发酵原料,采用机械预处理的方法使秸秆原料分别达到5cm、2cm和过筛10目三个粒度后,在自行设计有效容积为22 L有机玻璃发酵罐内,进行中温批式沼气发酵实验(发酵温度:35±1℃;发酵TS浓度:4.2%;发酵周期:60 d),研究其沼气发酵产气性能、结壳层物理特性和破壳强度,并根据试验结果对秸秆沼气工程破壳能耗进行分析,得出三种秸秆净能输出最大的发酵粒度,以提高工程运行效率。其试验的主要结论如下:(1)在产气性能方面,三种秸秆的不同粒度实验表明,粒度越小,产气效果越好。当粒度分别为5cm、2cm和过筛10目时,水稻秸秆产气率分别为382.42 ml/g TS、413.34 ml/g TS和483.35ml/gTS,平均甲烷含量分别为52.68%、53.45%和54.88%;小麦秸秆产气率分别为377.25 ml/g TS、398.14 ml/g TS和431.04ml/g TS,平均甲烷含量分别为58.00%、58.10%和59.53%;玉米秸秆产气率分别为416.28 ml/g TS、509.53ml/g TS和529.10ml/g TS,平均甲烷含量分别为58.40%、58.34%和58.42%。(2)在结壳层特性方面,三种粒度秸秆都呈现粒度越小,结壳层密度越大,但结壳层厚度和失水层厚度都越小,最终,破壳强度越小。当秸秆粒度为5cm、2cm和过筛10目时,水稻秸秆结壳层最终密度分别为54.84g/L、62.67g/L和99.71g/L,但结壳层最终厚度分别为20cm、17.5cm和11cm,结壳层失水层最终厚度分别为10cm、6cm和1cm,最终,破壳强度分别为3.14kPa、2.10kPa和1.24kPa;小麦秸秆结壳层最终密度分别为51.40g/L、61.39g/L和105.25g/L,但结壳层最终厚度分别为21.5cm、18cm和10.5cm,结壳层失水层最终厚度分别为10cm、6cm和1cm,最终,破壳强度分别为3.20kPa、2.17kPa和1.27kPa;玉米秸秆结壳层最终密度分别为59.43g/L、75.27g/L和112.91g/L,但结壳层最终厚度分别为19cm、15cm和10cm,结壳层失水层最终厚度分别为10cm、8cm和2.5cm,最终,破壳强度分别为1.90kPa、1.08kPa和0.81kPa。(3)对不同粒径秸秆的结壳层最低处、发酵液水位线处以及最顶处进行扫描电镜(SEM)发现:三种秸秆浮渣下部分解程度最大,厌氧消化最充分,而上部分解最弱,几乎不分解,中部分解程度居于以上两者之间,表明结壳层的形成会直接导致发酵原料的失水,影响秸秆的分解。(4)以发酵容积为500m3的秸秆沼气工程为例,分别采用粒度为5cm、2cm和过筛10目水稻、小麦和玉米秸秆为发酵原料,以30天为发酵周期,参照上述试验中原料产气率、破壳强度值,并根据不同粒径秸秆的机械预处理设备能耗,分析计算出不同粒径秸秆的净能产出。水稻、小麦和玉米秸秆都是过筛10目时,净能输出最大,分别为24352.97kW·h、23304.79kW·h和27816.60kW·h。