红外沼气分析仪在解决我国沼气工程产气量低、运行管理难中的应用

“十二五”期间，国家发展改革委会同农业部累计安排中央预算内投资 142 亿元用于农村沼气建设，并不断优化投资结构。根据农村沼气发展面临的新形势，日前国家发改委调整中央投资方向，发布了《全国农村沼气发展“十三五”规划》，并提出到2020年国家沼气总产量要达到207亿立方米，其中重点用于支持规模化大型沼气工程和生物天然气工程试点项目建设，这两项工程总投资超过了“十三五”农村沼气工程总投资的60%，农村沼气也迈出了转型升级的新步伐。截至目前，我国沼气总产量158亿立方米，这意味着未来5年内，我国沼气总产量将再增31.1%，中国沼气事业将迎来快速发展的新时期。

一、我国沼气工程管理存在的主要问题

在我国沼气事业快速发展的同时，我国沼气工程规模正逐步由过去分散经营户用沼气为主向集中管理大中型沼气工程为主的新格局转变。回顾过去，农村沼气的发展可以用“成绩巨大，问题不少”来概括，究其原因，在于我国沼气工程存在着明显的技术障碍和不确定性，一些户用沼气业主疏于对工艺过程的管理，导致产气率不高，大部分户用沼气工程闲置；不少企业建设的大中型沼气工程普遍存在工艺简单粗放、运行管理不规范、设备制造及配套不完善等问题，使得大中型沼气工程无法实现资源化利用的效益最大化，从而制约着我国大中型沼气工程的发展。因此，不管是户用小型沼气工程还是大中型沼气工程，要保证沼气工程的高效运行，就必须以沼气工程监测技术作为支撑，根据沼气成分检测数据，确切掌握沼气工程运行状况，以优化沼气生产工艺，提高产气率。

二、红外沼气分析仪在各领域中的应用

目前，国际上检测沼气成分的方法主要有五种：奥氏气体分析法、热催化燃烧检测法、热导元件检测法、气相色谱GC检测法、红外气体分析法，五种沼气成分检测方法对比如下表。其中红外气体分析法相较于奥氏、热催化燃烧、热导元件、气相色谱GC检测方法，具有响应时间快、灵敏度高、使用寿命长、仪器操作方便等优势，是目前最有效且广泛应用的沼气成分检测方法。

伴随着我国沼气事业的蓬勃发展，基于红外气体分析法的红外沼气分析仪在我国各个沼气工程领域发挥着重要的作用。

1.厌氧发酵

厌氧发酵是一个复杂的过程，预处理、接种比例、总固体浓度、原料、温度和外源添加物等因素都对厌氧发酵有显著影响。因此，除了要根据发酵原料选择适宜的工艺类型外，采用红外沼气分析仪监测沼气成分以掌握产气效果，根据产气效果掌握发酵运行情况以调整厌氧发酵沼气生产工艺，也是保障沼气工程高效运行的重要手段。

2.沼气提纯

沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，此外，还含有微量的氢气、硫化氢等。沼气并入天然气网，或用于车用燃料、发电、燃料电池等，一般都对其各组分有着严格的要求。例如，沼气中通常含有60%以上的甲烷，而汽车天然气甲烷含量须在90%以上。因此，需要通过采用变压吸附(PSA)、水洗、碳酸丙烯酯和碱溶液吸收等物理和化学方法，对沼气去杂纯化，使之成为甲烷含量高、热值和杂质气等条件符合天然气标准要求的高品质生物天然气。沼气经提纯成为生物天然气，既可替代汽油，也可替代现有的CNG作为车用燃料。使用红外沼气分析仪监测提纯沼气的甲烷与硫化氢含量，掌握甲烷回收率、脱硫效率等关键数据，业主可据此进行厌氧发酵、提纯过程的工艺优化，以提高沼气热值和生物天然气工程的经济效益。

3.热电联产

在热电联产项目中，沼气驱动的燃气发动机，通常要求沼气预处理系统的硫化氢去除能力达到99.9%，因此需要进行沼气质量检验。采用红外沼气分析仪对沼气硫化氢含量进行持续监测以保证燃料条件达到要求，从而保护发电机不会因为出现损坏和非计划停用而造成巨大的经济损失，并且能够帮助业主对内部再循环率和预处理水平进行调整，起到优化燃烧的作用。

三、红外沼气分析仪在我国沼气工程应用中的问题

1.技术依赖进口，价格昂贵

早在20世纪70年代，国外就开始了红外气体分析技术的研究，而我国研究起步相对较晚，始于80年代。其中比较先进的国家以德国、美国、日本为主，他们以销售或合资的方式打入中国市场，从仪表结构、自动化程度、技术性能来看，均比我国自主研发的产品有优势，因此国内使用的核心红外气体分析技术大部分依赖进口，但对国内企业而言，国外进口红外沼气分析仪价格昂贵，且进口仪器维修流程复杂、维护困难，这无疑增加国内企业的生产运营成本。为了扭转国产分析仪器无法与进口仪器相抗衡的技术逆差，国内研究学者对红外气体分析技术进行了深入了研究。

1990年，上海交大应用物理采用国产元件组件了一套检测大气甲烷浓度的实验装置。检测灵敏度约7000ppm，是甲烷气体大气最低爆炸极限的13%。

1996年，山西矿院对现有红外气体传感器光路结构的探讨，设计了适用于井下的光学系统，并改进了斩波技术，信号处理采用以单片机为核心的软件处理技术。同年，合肥煤炭科学研究院对法国LEL-5610防爆型红外二氧化碳检测仪进行了分析，并提出了几种国产化方案。

2004年，由武汉四方光电科技有限公司所承担的研究项目——非分光红外(NDIR)气体传感器技术研究方面，取得了新进展，这一研究结果使得我国红外气体传感器关键技术研制达到了国际同类产品的先进水平，也打破了我国红外气体分析技术长期依赖进口的魔咒。随着微机、通讯技术的发展，国产红外气体传感器研制所需的器材成本得以下降，从而使得国产红外沼气分析仪的生产成本远远低于进口产品。同时红外沼气分析仪的研制由于技术、材料、工艺领域的发展得到了技术革新的可靠保障，如交叉干扰误差消除、在线监测、自动调零、线性输出等都已成为现实。

如四方光电子公司-四方仪器自主生产研发的在线红外沼气分析仪Gasboard-3200，基于红外气体分析技术与长寿命电化学技术，可同时测量沼气中甲烷、二氧化碳、硫化氢、氧气等多组分气体的体积浓度，且多组分气体间不交叉干扰；采用两点标定方法，进气口先后通入高纯N2以及与待标气体对应的标准气体，可分别对仪器进行零点与终点标定，以减小零点漂移，相应减小量程漂移；监测数据可通过RS-485与RS-232模拟输出接口传输至中控室，无需人工值守便可实时在线监测。该在线红外沼气分析仪已广泛应用于厌氧发酵、垃圾填埋、污水处理等领域沼气成分的实时在线监测。

Gasboard-3200技术原理：双光束

2.仪器结构复杂，维护困难

继2004年之后，我国对红外气体传感器关键技术的研制虽然基本追平了国际同类产品水平，且红外气体分析仪在研制与生产成本上具有较大优势，但与国际先进技术相比，国产红外气体传感器结构复杂、体积较大，同时还缺少小型化、减量化的红外气体分析设备来满足国内市场需求与替代进口产品，进口红外气体分析仪在国内市场仍占据着主导地位，所以对国产红外气体传感器检测系统模块化的研究以实现国产仪器的减量化具有深刻意义。

四方光电作为国内最大的红外气体传感器的生厂商，一直致力于传感器检测系统的创新研制，2016年公司研发团队整合红外气体传感器检测系统，实现了红外气体传感器的模块化升级，其特点如下：

①　传感器模块与分析仪器的其他设备相分离，更换快捷，仪器维护方便。

②　一个组分对应一个传感器模块，可根据用户需求快速组装适合的气体分析仪器。

③　传感器模块具备远程自诊断功能，可自动检查传感器信号，工作人员可通过仪器诊断界面或物联网系统查看传感器信号是否异常，以做出相应的解决方案，有效解决技术人员操作不规范或流动造成的仪器维护困难等问题，大大省却人工运维成本。

基于母公司红外气体传感器模块化设计理念，同年四方仪器成功研制出了一款新型便携式红外沼气分析仪Gasboard-3200Plus，实现了国产红外沼气分析仪的减量化生产，该沼气分析仪采用红外气体分析技术及长寿命电化学技术，可同时测量沼气成分中的甲烷、二氧化碳、硫化氢与氧气等气体含量，在延续上一代产品高精度、无耗材等优势的同时，仪器体积更小、质量更轻、携带更方便、仪器维护更便捷，弥补了传统沼气分析仪设备不易携带、维修困难等不足。可广泛应用于厌氧发酵、垃圾填埋、污水处理、科研院校实验室气囊取样等领域沼气成分可靠准确的测量。

便携红外沼气分析仪Gasboard-3200Plus的现场检测

除此之外，四方仪器已将模块化传感器应用在公司所有的气体分析仪器上，除便携红外沼气分析仪外，其在线红外沼气分析仪、沼气分析系统、沼气工程物联网等核心传感器部件均采用模块化设计，有效的解决了传统红外气体分析仪器结构复杂、维修困难等问题。

四、国产红外沼气分析仪的应用实例

1.沼气分析系统

湖北省某农业专业合作社投资480万兴建了总规模6000立方米的大型沼气工程项目，为了实现对该项目沼气提纯效果与产气效果的实时在线监测，合作社采用了一体化四方仪器沼气分析系统Gasboard-9060，沼气分析系统置于项目提纯系统之后用来检测甲烷、二氧化碳、硫化氢等组分含量，其气体分析单则是采用在线红外沼气分析仪Gasboard-3200，主要用来检测沼气中甲烷、二氧化碳、硫化氢含量，工作人员则根据甲烷、二氧化碳、硫化氢的实时监测数据查看沼气脱碳、脱硫效果，以调整沼气提纯工艺，实现提纯效果的最优化，从而提高沼气适应性与热值。

项目现场

一体化沼气分析系统Gasboard-9060现场检测

据了解，该沼气项目的投入使用，满足了全村360户农民的生活用气，以及1.2万亩稻鳅共生系统有机肥需求，每年为该村农业生产减少化肥使用量500吨，节约资金130万元，同时还提高了水稻产品质量，为打造有机富硒大米，富硒鳅鱼奠定了良好的基础，为97户精准扶贫对象提高了产业帮扶脱贫支撑，也为全省解决畜禽养殖污染，农业废弃物资源化综合利用，发展生态循环有机农业起到了典型示范作用。

2.沼气工程物联网

为建设农村生态文明、转变农业发展方式，在农能办的带动下，湖南省某公司在水库旁建设了一个大型农村循环生态农业示范基地，并以种猪养殖场的水泡粪与生态园农作物秸秆为发酵原料修建了大中型沼气工程项目。该项目主体建筑为800立方米厌氧发酵罐、1000立方储气罐、微曝气池、厌氧生化池、发电室与集中控制室等。

项目现场

为了实现对沼气提纯效果的监测以及沼气的综合利用，该项目业主采用了四方仪器大中型沼气工程监测方案Gasboard-9230，对沼气成分、沼气流量等数据进行实时在线监测，并通过物联网系统对整个沼气工程进行远程监测。该方案包括一体化沼气分析系统Gasboard-9060、超声波沼气流量计BF-3000（DN50）及沼气工程标准控制箱Gasboard-9065。Gasboard-9060置于提纯系统之后，用来检测甲烷、二氧化碳、硫化氢等组分含量；BF-3000同样置于提纯系统之后，用来计量日产沼气量，测量沼气温度、压力，为后续厌氧发酵工艺的优化与沼气的综合利用提供可靠的数据参考。Gasboard-9065则用来读取、显示两个设备的监测数据并将数据传输至沼气工程物联网系统，以便业主随时查看。

大中型沼气工程监测方案Gasboard-9230检测现场

超声波沼气流量计BF-3000检测现场

其中，沼气分析系统Gasboard-9060的核心传感器部件采用模块化设计，拆卸维护更方便；同时传感器模块具备远程诊断功能，业主无需对仪器进行拆卸检查，可直接通过物联网系统查看传感器运行状态，如传感器发生故障可及时联系产品售后处理，仪器维修方便快捷，极大的减轻了人工负荷，降低了运维成本。

五、结语

在诸多利好政策的支持下，我国沼气事业迎来了蓬勃发展新时期，农村沼气转型升级也拉开了序幕，在新的形势下，沼气工程科学化、专业化大势所趋，因此沼气产业要实现可持续发展，就必须加强沼气工程的过程监管。而以国产红外气体传感器技术为核心的红外沼气成分监测设备不仅在保证沼气工程高效运行、提升生物天然气经济效益上发挥着重要作用，也将以其明显的成本优势逐渐取代进口产品成为助力我国沼气事业发展的积极力量。

（来源：沼气圈）