四方仪器|欧美沼气工程技术汇总分析及沼气成分检测系统介绍

　　随着全球能源和环境问题的日益突出。沼气工程作为一种能处理工农业废弃物，又能回收沼气能源的环境治理技术，在全世界受到重视。在沼气工程的规模和取得的环境效益方面，欧洲和美国名列前茅。特别是近10年沼气工程在欧洲取得了快速发展，其技术和模式走道了世界前列。本文针对欧美各国沼气工程技术限制进行汇总分析，希望能为我国沼气工程产业化发展提供参考。

　　一、 发酵原料

　　1、欧洲工业废水处理沼气工程的原料主要是糖加工废水、土豆加工废水、造纸废水、啤酒废水等。污水处理厂沼气工程的原料是剩余污泥与初沉污泥。农场沼气工程发酵原料主要有三种：

　　1） 畜禽粪便：牛粪、猪粪、鸡粪；

　　2） 能源植物：主要是玉米及玉米杆，其它植物如青贮饲草、三叶草、向日葵、苏丹草也变得越来越重要；

　　3） 有机废弃物：如食品与农产品加工废弃物，市场废弃物、市政垃圾有机物。

　　2、德国，大约94%的农场沼气工程是混合原料发酵，牛粪或猪粪占混合发酵原料的比例在50%~80%之间。有机副产品、农产品和食品加工废弃物、能源作物以及作物收割残余物是最常用补充发酵原料。玉米和青草是最常用的能源作物，2009年德国能源作物的种植面积为56万~58万hm2，比2008年增加了6万~8万hm2，根据政策规定，每种植1hm2能源作物可获得45欧元的补助。因为每公顷玉米的甲烷产量高，青草具有输入成本低的特点。很少的狗骗你过程采用单一能源作物作为发酵原料。

　　3、奥地利，大约10%的新建沼气工程只消化能源植物，消化能源植物与畜禽粪便混合原料的占65%，消化畜禽粪便与有机废弃物混合原料的大约占25%。新建的沼气工程很少采用单一发酵原料（占3.1%），往往是几种原料混合发酵，以4种、5种发酵原料的沼气工程最多，分别占26.1%和25%，有的多至6~7种发酵原料。能源植物与畜禽粪便混合发酵能保证系统稳定。如果只有能源植物或添加有机废弃物作原料，沼气工程的运行很困难，因为缓冲能力低、产气被回流液中的盐或氨氮抑制，系统容易失稳。

　　4、丹麦有20%~50%的沼气工程发酵原料来源于非农业废弃物。农场沼气工程十分依赖食品工业的废油如鱼油和动物油。每m3废油可产沼气700~1000m3。在畜禽粪便中添加2%~5%的废油。沼气产量将翻倍，因此使投资变得更有吸引力。一个沼气工程每年需要500~900吨废油，整个丹麦每年总需要量大约5000吨，显著高于可供量，因此还需要从汉堡和鹿特丹进口。

　　5、美国生产沼气大多数来自垃圾填埋场和城市废水处理的污泥处理，所用的原料主要是市政有机垃圾和污水处理厂的剩余污泥。

　　二、 发酵工艺

　　1、欧洲对于工业废水如糖加工废水、土豆加工废水、造纸废水、啤酒废水等原料，主要采用上流式污泥床（UASB）、膨胀颗粒床（EGSB）和内循环厌氧反应器（IC）等高效厌氧反应器。以污泥为原料的沼气工程采用完全混合式厌氧反应器（CSTR）。农场沼气工程则采用完全混合式厌氧反应器、推流式反应器或其组合工艺。

　　在欧洲能源植物的原料VS产CH4率0.33m3/kg；能源植物于粪便混合原料VS产CH4率0.45m3/kg；能源植物、畜禽粪便与有机废弃物混合原料VS产CH4率0.32m3/kg。

　　有机固体甲烷化从1990年以后成为厌氧消化新趋势。也是未来沼气产业的发展方向。这种类型的提供商在欧洲很多，每个公司都发展了自己的厌氧消化技术。主要技术包括：Valoiga、LindeBRV、Drsnco、BTAendKompogas工艺。

　　2、德国农业沼气工程普遍采用湿式完全混合式发酵工艺。湿式发酵工艺的操作条件是发酵罐中的总固体浓度低于10%，使之可用于全混合消化罐。干式发酵工艺的操作条件是发酵罐中的总固体含量在15%和35%之间。目前在农业上，湿式发酵工艺占绝大多数。

　　在德国采用湿式发酵工艺的沼气项目占总数的89%，只有40个左右的沼气工程采用了干发酵法，占总数的8%。沼气发酵罐以地上立式圆形为主。罐体材料为钢筋混凝土或搪瓷材料。罐体内部侧面或顶部中央安装有搅拌器。德国沼气工程的发酵罐平均容积为1000m3左右。产气、贮气一体化发酵罐得到了普遍的使用，发酵罐顶部一般为双层沼气贮气膜结构。

　　卧式发酵罐（推流式工艺）主要用小工程或高固体含量的原料，在德国，约占沼气工程的4%，容积一般为150~600m3。

　　3、奥地利采用完全混合式厌氧工艺的立式发酵罐沼气工程占84%左右，标准容易500和2000m3。完全混合式与推流式组合工艺占16%左右。

　　在德国和欧洲，由于越来越多的沼气工程使用能源作物进行发酵，从而发展出新型的干湿同步发酵工艺。干湿同步发酵工艺由两个主要部分组成；一是用钢筋混凝土建造的干式发酵柜，二是大体积的循环水储存池。发酵原料经过好氧预处理后温度上升，然后进入干式发酵柜中，利用渗滤液回流原理，为干物质含量高的发酵原料增加水分。发酵柜中的原料经过干发酵的水解和酸化阶段后进入湿发酵罐，进入产酸和产甲烷阶段。

　　该工艺产气稳定，保证了沼气发电的持续稳定性。厌氧发酵结束时，通过换气系统向干式发酵柜中通入空气，避免沼渣产生异味污染空气环境。

　　4、美国农场主要采用如下三种厌氧消化工艺：

　　1）覆膜厌氧塘

　　在原有的畜粪储存塘上加盖一个膜收集沼气，处理粪污TS浓度0.5～3.0％，有机负荷低，一般用于处理粪污水处理。占总沼气工程的58％。

　　2）全混合厌氧消化罐

　　罐内有搅拌机和增温设施，顶盖用固定密封顶或膜顶收集沼气。当前，德国产气储气一体化厌氧罐新技术已经在美国一些农场得到应用。因其造价低和技术可靠。已逐步成为主流池型。现占总沼气工程的27％。

　　3）塞流式厌氧消化器

　　常用于牛场粪污处理，处理粪污Ts浓度5～13％。有机负荷为1～6KgCOD／m3?d。占总沼气工程的19%。

　　其它少数农场也有采用ASBR和UASB工艺处理猪粪污水。

　　三、发酵温度

　　1、德国和奥地利的农场沼气工程，90％采用中温发醇，德国有大约9%的沼气工程采用高温发酵。奥地利只有3％左右采用高温发醇，另有3％左右采用一级高温、二级中温的组合发酵。

　　2、美国绝大部分农业沼气工程采用中温发酵（35～40.5℃）。

　　3、丹麦自1999年以后，新的联合沼气厂的建立，管理得到改进，产沼气量逐年提高。一些工厂从中温发酵转为高温发酵（52~55℃）。目前丹麦的沼气工程多采用高温发酵工艺。研究表明：经过高温，厌氧消化大肠杆菌可以从6~13×104个/ml降到5个/ml一下，还可以消除臭味，减少温室气体排放。

　　四、工程装备

　　1、德国、丹麦、荷兰等发达国家的沼气工程装备已达到了设计标准化、产品系列化、生产工业化，质量得到有效的控制。工程装备的组装技术也已模块化、规范化。德国的大型厌氧消化装置（容积在2000~5000m3）为圆柱型立式罐，多为钢结构，Lipp罐居多，如下图所示。

　　中小型厌氧消化装置（容积在200~1500m3）多为圆柱型立式罐，钢结构或钢筋混凝土结构。二级厌氧消化装置（立式罐）顶部常常装有双膜储气罩，构成了发酵、储气一体化装置，既接生了单独储气装置的费用（比分体式降低15%左右）和占地面积，又解决了在寒冷地区冬季储气装置水封防冻的问题。

　　配套设备如：带切割装置的高固形物的进料泵、低俗混合搅拌器、增温保温设施、生物脱硫装置等已形成专用、系列化产品，制造工业水平较高，产品性能稳定，很有实用价值和市场竞争力。

　　2、欧洲农场沼气工程一般采用机械搅拌。早期，普遍采用快速潜水推进式搅拌。近期，低速搅拌逐渐成为发展趋势。另外，欧洲的沼气工程的机电设备操作基本实行自动控制，工程运行管理实施远程在线监测，工程运行管理人员很少，工程运行效果可控性强，能保证全年稳定运行。

　　五、沼气净化

　　沼气净化的程度取决于沼气的用途。沼气供热，需要脱水、脱硫；沼气发电，需要脱水、脱硫、脱有机卤化物；沼气作汽车燃料，需要脱水、脱硫、脱有机卤化物、脱二氧化碳；沼气并网，需要脱水、脱硫、脱有机卤化物、脱二氧化碳以及去除金属。沼气作为汽车燃料的净化要求最高：甲烷含量大于96%，水分含量低于15mg?Nm-3，H2S含量不超过100mg?Nm-3，颗粒物质限制在40μm以下。

　　1、 在欧洲沼气净化具体方法如下：

　　脱水：两相分离、冷却。当沼气用于并网时，脱水采用乙二醇或分子筛吸附，用于燃料时，含水率低于15mg?Nm-3。

　　脱硫：Fe2O3，活性碳。水洗，可以同时脱硫和CO2。生物脱硫，在德国农业沼气工程普遍采用生物法脱硫，大部分采用发酵罐内生物脱硫，少部分采用罐外脱硫。因为生物脱硫技术比较简单，费用低并能满足发电机组的要求。

　　脱有机卤化物、重金属：活性碳吸附法。

　　脱氧：催化处理。

　　脱CO2：水洗、变压吸附，可以同时脱硫和CO2。正在进行藻类光和固定。

　　脱有机硅、碳氢化合物：活性碳吸附法。

　　2、德国采用的沼气净化工艺主要分为压力水洗法、压力交替吸附法和氨洗法。最新的膜净化工艺还处于试验阶段，尚未投入到实际应用中。

　　值得一提的是，德国要求沼气工程安装气体燃烧火炬，控制未利用的多余沼气排放到大气中，造成二次污染，产生爆炸、火灾隐患以及异味污染。根据法律条款VD13575，沼气工程只被允许向大气中排放不多于20m3/h的未经净化或未燃烧的沼气。

　　六、沼气燃料电池

　　最近几年。沼气作燃料电池的试验已经在整个欧洲进行。欧盟AMONCO项目研究结果已经显示出沼气燃料电池的潜力，例如：与目前的气体发动机相比，热电联产机组中燃料电池能提高效率。采用现代发动机可以将沼气发电效率从30％提高到35％，而燃料电池的电效率可以达到60％以上。在家庭，燃料电池能代替老的加热设备，直接供电供热。沼气燃料电池分为低温燃料电池和高温燃料电池。今后的发展趋势是高温燃料电池，因为它具有高效。甲烷纯度要求不高，沼气净化、转化系统简单，蒸汽需要量低（CO2用于转化）等优点。

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　　系统组成：

　　1）超声波气体流量计BF-3000（DN50-DN300）

　　2）大中型沼气工程控制器Gasboard-9065

　　3）温度传感器

　　4）压力传感器、pH、液位传感器

　　5）一体化沼气分析系统Gasboard-9060

　　6）红外甲烷泄漏报警器等

　　注：其中3、4、6可根据现场需求选配。脱硫系统监控必须安装项目5。

　　（来源：沼气圈）