沼气分析系统

多年来，得益于中央投资的带动，中国沼气事业得到了快速发展。国家发改委日前发布《全国农村沼气发展“十三五”规划》，提出到2020年我国沼气总产量要达到207亿立方米，截至目前，我国沼气总产量为158亿立方米，这意味着未来5年内，沼气总产量将再增31.1%。 据悉，生物天然气工程和大型沼气工程已成为国家发改委、农业部推进农村沼气转型升级的核心方向，这两项工程的总投资超过“十三五”农村沼气工程总投资的60%。 总体来说，中国沼气正在逐步由过去的以户用沼气为主向多元化发展新格局转变。回顾过去，农村沼气可以用“成绩巨大、问题不少”来概括，究其原因，就在于业主对沼气工程各个环节上疏于管理。生物天然气工程是一个更为复杂的系统，从原料收集到生产过程再到副产品的利用消纳都必须保证中间环节的通畅，其整个过程就必须要集中的监测技术作为支撑，才能实现高效运行，进而显著提高经济效益。一、优化监测与厌氧发酵 厌氧消化器是大中型沼气工程的核心设备，微生物的繁殖、有机物的分解转化、沼气的生成都是在消化器里进行的。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和消化器结构，通过监测系统掌握厌氧消化器的运行情况也是保障沼气工程高效运行的重点。通过监测数据对厌氧发酵工艺进行深入研究，探索改良性能的潜在可能，对发酵条件进行及时调整及优化，对提升产气效率和提高甲烷含量具有重要意义。 产甲烷菌二、优化监测与沼气提纯 沼气的主要成分是CH4和CO2，此外，还含有一些其他微量成分，如H2、H2S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CH4含量高、热值和杂质气体组分品质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。与天然气相比，它具有可利用废弃物生产、不受气源和地域限制、可再生等特点。日产沼气3至4万立方米的沼气工程，提纯后可产2万立方米以上天然气，效益十分可观。使用沼气分析仪监测甲烷含量，掌握甲烷回收率、脱硫效率等关键数据，并据此进行厌氧发酵、提纯过程的工艺优化，可以显著提高沼气和生物天然气工程的经济效益。相应的，对沼气工程各个环节疏于管理，则会直接造成利润下滑，这也是为什么我国中小型沼气工程多数亏损的重要原因之一。 提纯装置出口沼气分析仪 三、优化监测与热电联产 在热电联产项目中，燃气轮机和热交换器被用来加热厌氧消化池和发电。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（H2S）去除能力达到99.9%，因此需要进行沼气质量检验。持续的沼气监测使得燃料条件达到要求，从而保护发电机不会因为出现损坏和非计划停用而造成收益损失，并且能够帮助工作人员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。可以进一步说，提高燃烧效率和设备利用时间就是提高生物天然气工程的利润空间。 德国、瑞典等欧洲国家非常重视技术的持续创新，通过监测技术来提高产气效率和设备稳定性，同时降低沼气工程运行成本、人工和维护费，实现了沼气工程的产业化和市场化，并形成了行业的良性发展，他们的成功经验值得我们借鉴。 我国农村沼气转型升级的序幕已经拉开，在新的形势下，沼气产业要做大做强和实现可持续发展，就必须强化科技支撑和监管能力。展望沼气产业的未来，沼气工程专业化是大势所趋，沼气监测设备，不仅在支撑沼气工程高效运行、提升生物天然气经济效益上发挥着不可或缺的重要作用，也将成为推动沼气产业变革的一股不容小觑的积极力量。 版权声明:本文转载自微信公众号@沼气工程及其测控技术，如欲转载，请务必注明来源，违者必究。

随着国家对沼气能源的重视，越来越多的行业生产和回收沼气，如污水处理厂，垃圾填埋场等，对沼气成分的监测也就必不可少了。下面小编就简要介绍一下沼气分析仪在污水处理厂、垃圾填埋场的现场应用，以及在高校实验室中，沼气分析仪现场应用的常见问题和解决方法。污水处理厂的现场应用污水先通过截流井进入格栅间的粗格栅（打捞较大的渣滓）到格栅间的细格栅（打捞较小的渣滓）到沉砂池（以重力分离为基础，将污水中比重较大的无机颗粒沉淀并排除）再经过提升泵（提升水的高度），提升泵的出水进入生物处理设备（厌氧池、好氧池、缺氧池），生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放。污水处理厂工艺流程其中生物处理设备中有厌氧反应器，污水经过厌氧反应器后产生了沼气，其中CH4的浓度在50%-60%，沼气分析仪采样点就在厌氧反应器后的管道，可以测试出沼气中CH4、CO2、O2和H2S的浓度，样气中主要含水和粉尘，需要经过预处理后，进入仪器测试，通过测试沼气中可燃气体中的浓度（主要是CH4浓度）和沼气的日产量来判断该沼气能否适用。垃圾填埋场的现场应用垃圾填埋场是采用卫生填埋方式下的垃圾集中堆放场地，垃圾卫生填埋场因为成本低、卫生程度好，近年来在国内被广泛应用。垃圾填埋场一般采用分层覆土填埋的方式对垃圾进行处理，堆积一层垃圾后再覆盖一层黄土，这样很容易降低垃圾的污染。垃圾填埋场中沼气是各个气井上的空压机施压将井底的沼气排出，汇总到主输出管道进入气水分离器，除去沼气中的水分和杂质，通过罗茨风机沼气进入原气压缩机，压缩和提高沼气中CH4的浓度，经过提纯后的沼气进行脱硫、脱碳，进入成品气脱水装置再次脱水，最后进入成品气压缩机制成成品气民用。垃圾填埋场工艺流程成品沼气中CH4的浓度在98%左右。沼气分析仪的采样点一般可在气水分离器后和成品气压缩机后的分支管道上，此处样气比较干净，但也必须经过预处理后，才能进入仪器测试，通过测试沼气中气体的浓度判断该气是否适用。对以上两种工艺现场的沼气成分监测，均适合使用在线的沼气分析Gasboard-3200，改产品采用自主研发的NDIR非分光红外技术和ECD长寿命电化学技术，可实时在线测量沼气中CH4、CO2、H2S、O2的体积浓度，测量精度高、结构简单、操作方便、实用性好，目前在国内外垃圾填埋、污水处理、厌氧发酵生产工艺和CDM计量等领域广泛应用。高校沼气项目常见问题和解决方案国内高校和研究所也对发酵产生沼气项目进行试验，需要便携的沼气分析仪对试验进程中每天产生的沼气进行监测。下图是华中农业大学秸秆发酵实验室：Gasboard-3200L现场应用沼气分析仪Gasboard-3200L可同时测量CH4、CO2、O2、H2S的体积浓度，在现场测试的过程中，结合现场使用经验以及返厂维修仪器的情况，以下几个问题需要留意：1仪器进水。沼气中含有大量水分，如果没经过除水或除水效果不好，沼气进入仪器时会带入液态水，导致传感器污染，仪器不能正常使用。2实验室发酵沼气产生量很少，一天一般只有300-500ml，但需要每天进行监测，样气不足，导致仪器测试数值的不准确和不稳定。3实验者对生产的沼气很有信心，对测试样气数据有疑问，但现场无标准气体进行验证。针对以上几个常见问题，解决方案如下：1沼气分析仪配备了预处理，针对水分较多的现场，建议在预处理后加入一个除水过滤器，能有效地除去沼气中的水分和污染物，保证仪器的传感器不进水。2现场沼气产量较少，导致测试值不准确，可通过和客户沟通，沼气过水后，采集起来，直接抽取进入沼气分析仪测试，流量范围在0.7-1.2L/MIN，抽取20s即可读取数据。3在销售过程中，最好建议客户配置标准气体，特别是CH4标准气体，客户对测试样气有疑问时，可测试标准气体，以验证是仪器问题还是沼气生产工艺问题。随着国家对沼气能源的重视，高校、科研部门与沼气相关的研究，大中型沼气工程等沼气相关项目的大量出现，沼气分析仪将有更大的市场和更好的发展前景。

正值中国共产党第十九次全国代表大会胜利召开之际，2017年10月17日-20日，中国沼气学会学术年会作为第15届国际水协会厌氧大会（简称AD15）边会，与AD15大会同期在国家会议中心顺利召开。武汉四方光电科技有限公司作为世界厌氧大会AD15金牌赞助商与企业代表携手全资子公司四方仪器自控系统有限公司出席盛会，四方仪器沼成分及流量测量新品——沼气分析系统Gasboard-9061和超声波沼气流量计BF-3000B也悉数亮相。本届沼气年会由中国沼气学会、清华大学、德国农业协会主办。会议作为世界最有影响力、规模最大的专业级AD15大会的边会，以“创新、发展、和谐、共享”为会议主题，聚集了来自世界各沼气工程领域的专家、学者、企业代表等800余人参会，与会人员围绕产业政策与发展趋势、创新技术与模式、工程应用与案例、厌氧消化技术等议题展开了研讨，为促进国内沼气工程技术进步，加快国内沼气行业发展国际化进程，推动我国沼气事业蓬勃发展献计献策，以更好地服务于生态文明建设，服务于“美丽中国”建设。 2017年中国沼气学会学术年会暨中德合作论坛开幕式现场10月19日，2017年中国沼气学会学术年会暨中德合作论坛开幕式拉开序幕。中国沼气学会理事长张凤桐，农业部科技教育司副司长李波，农业部科技教育司能源生态处处长陈彦宾，中国沼气学会秘书长、清华大学环境学院教授王凯军，农业部农业生态与资源保护总站首席专家、中国沼气学会副理事长李景明，中国沼气学会副理事长、西北农林科技大学教授邱凌，农业部农业生态与资源保护总站可再生能源处处长李惠斌等出席开幕式并致辞，会议由王凯军主持。会上，学会领导高度评价了由四方光电赞助的首届“四方杯”沼气创新创业大赛，并与公司达成共识：未来五年连续支持学会开展”四方杯”沼气创新创业大赛，助力沼气行业技术创新与发展。10月15日，“四方杯”沼气创新创业大赛总决赛现场在本届AD15大会和沼气学会年会上，四方光电董事长熊友辉博士受邀作了Low cost Laser Raman Gas Analyzer for Anaerobic Fermentation and Bio-methane Process Monitoring与“激光拉曼光谱气体分析在大型沼气生物天然气工程中的应用探索”的主题报告。熊博士在AD15大会现场作专题报告报告中，熊博士分析总结了大型沼气和生物天然气制取全流程监测的行业背景，系统阐述了提高沼气和生物天然气经济价值的解决方案及激光拉曼光谱气体分析仪在大型生物天然气工程中的应用优势。他指出优化生物天然气制取过程中气体成分及流量监控是提高生物天然气经济价值最有效的途径，而激光拉曼光谱气体分析技术相较于其他气体分析技术，更能满足大型沼气和生物天然气工程全流程监测的需求。大型沼气和生物天然气工程全流程监控解决方案 目前，国内外对生物天然气制取过程中气体成分监测多采用红外(NDIR)、色谱(GC)、质谱(MS)气体分析技术，但这些技术在实际应用中又存在诸多局限：NDIR不能分析对称结构无极性双原子分子(O2、N2、H2)及单原子分子气体，且量程范围小；GC使用需要载气和耗材，响应时间长，专业性要求高；MS价格昂贵，维护成本高，操作复杂。而激光拉曼光谱气体分析仪响应速度快、使用操作简单，性价比高，可满足生物天然气制取过程中全组分、全流程的实时监测需求。此外，激光拉曼光谱气体分析仪不仅可以测量常规的沼气成分（CH4、CO2、O2、N2、H2S），还可以测量沼气状态工程指标参数（CO、H2）,生物天然气微量H2S和露点，燃烧尾气，甚至是沼气工程中VFA、NH3、Siloxane（有待实验）等。同时激光拉曼光谱气体分析仪可实现对多个监测点的实时监测。因此，熊博士提出：一套激光拉曼光谱气体分析仪器可解决沼气生产与生物天然气制取过程中所有取样点的监测。激光拉曼光谱气体分析仪对于生物天然气流程各监测点的全覆盖2012年，由四方光电牵头承担的“激光拉曼光谱气体分析仪的研发与应用”项目获得“国家重大科学仪器设备开发专项”立项，其研发生产的激光拉曼光谱气体分析仪LRGA-6000除可广泛应用于废水厌氧发酵沼气监测、固体废弃物厌氧发酵沼气监测、甲烷回收项目气体监测、二氧化碳回收项目气体监测等沼气工程领域外，在发电厂、化肥、炼油、石油、油田录井、煤化工、钢铁厂、水泥、陶瓷、生物工程等众多工业生产领域均发挥着重要作用。LRGA-6000能测量几乎所有气体成分，一台仪器可同时测量多种气体成分，适合复杂混合气体的测量，同时还可集成多项功能，以满足不同应用的需求。作为行业领先的沼气工程监测解决方案提供商，四方光电全资子公司四方仪器携自主研发的沼成分及流量测量的专利新产品——稀释法红外沼气分析系统Gasboard-9061和旁流式超声波沼气流量计BF-3000B亮相本次盛会，并吸引了众多业内人士参观及咨询。四方光电-四方仪器展位现场沼气分析系统Gasboard-9061获“稀释法沼气成分测量”技术专利，气体分析单元沼气分析仪荣获“国家重点新产品”，适用于高湿、高H2S含量的沼气监测环境。稀释法沼气成分测量专利技术可将高湿、高H2S含量的沼气进行稀释，有效避免水分凝结对管路及传感器的影响，同时降低H2S气体浓度，延长H2S传感器使用寿命，无需复杂昂贵的预处理单元；气体传感器均采用模块化设计，拆卸更换方便，即插即用，使用和维护成本低；系统搭载超声波气体流量检测单元，可同时检测样气与稀释样气的流量和稀释比。超声波沼气流量计BF-3000B获“超声波同时测量沼气成分与流量”与“旁路式超声波气体流量测量”两项国家发明专利。创新采用旁路式超声波气体流量测量技术，针对高腐蚀、高湿度沼气流量测量，可有效解决传感器被腐蚀、水分冷凝干扰、CO2干扰等测量难题。独创沼气成分与流量同时测量技术，并具备温度、压力补偿功能，可实现沼气流量、成分、温度及压力的同时测量，极大地降低了企业的运行成本。自四方仪器2010年创立以来，始终致力于为沼气工程监测提供整套解决方案，2013年，公司“沼气工程物联网系统及其关键技术研究”项目通过湖北省科技厅成果鉴定，达到国际先进水平；同时，该项目获得国家工信部物联网发展专项资助。截止到目前，公司已为我国多个省份建成沼气工程物联网监测系统，核心技术共申请专利35项，拥有专利权15项，完成软著登记32项，注册商标7项，产品辐射全国各地并出口到近80个国家和地区。科学仪器设备是引领和支撑自主创新的利器，是助推经济社会发展和民生改善的重要技术支撑。今后，四方仪器还将继续加强企业自主创新与产品研发力度，为沼气工程监测提供更加先进、完善的整套解决方案，助力沼气事业的蓬勃发展。