車庫型干法沼氣工程高效自控系統的設計

黑龍江省農業機械工程科學研究院 農村能源中心 ■ 李劍 欒玥 羅光輝 盛力偉 李存斌

一 車庫型干法沼氣工程的利弊

傳統的沼氣發酵均采用濕法技術[1]，由于濕法技術發酵耗能高、處理原料的成本高、檢修需要較長啟動時間等缺點，限制了其應用的地域和范圍。國外對于沼氣干法發酵技術的工程化研究起步較早，20世紀70年代末到80年代[2]，美國、法國、荷蘭、丹麥等國家相繼建立了采用沼氣干法發酵工藝處理垃圾的試驗工廠，對干法發酵沼氣工程技術進行了深入地研發。從90年代起，德國大量資助新型的間歇式干法沼氣發酵技術的研發，90年代末，德國間歇式干法沼氣工藝和裝備通過了中試，2002年生產出工業級裝備并投入實際運行。目前，國外的工程化沼氣干法發酵技術有車庫型、氣袋型干濕聯合型、滲濾液儲存桶型和儲罐型等多種技術類型[3～5]。

新型的干法沼氣發酵技術與傳統的濕法技術相比具有的優點有：(1)能耗低，由于干發酵采用較高含量干物質濃度進行發酵，所以處理相同重量的原料，消耗的供熱能源主要用于原料自身的產氣需求[6,7]。(2)預處理過程簡單，干發酵適合于不同的原料，包括農作物秸稈、生活垃圾(有機質部分)、畜禽糞便等固體可發酵有機物，可大大節省預處理成本。(3)采用車庫型發酵倉，發酵倉內部不設置任何機械設備，故障率低。(4)沼氣質量高，由于采用高效噴淋系統，所以原料不易形成產酸過剩的問題，這樣沼氣中只有50～300ppm的硫化氫含量。(5)發酵倉為模塊化結構，易擴展。(6)進出料設備可采用鏟車，設備效率高。(7)發酵后的沼渣一般含水率≤80%，原料經過簡單的干化即可用于篩分做農業肥料。(8)由于干發酵用水量較低幾乎沒有污水排放，有效節省了水費和污水處理費。

干法沼氣發酵技術的主要缺點有：(1)發酵初期和末期需要排除倉內廢氣，同時也排出了部分甲烷，整體減少了原料總產氣能力[8～10]；(2)進出料時需開啟密封門，此時沼氣與空氣混合需通過防爆點，為了保證工程的安全，需要高度安全可靠的自動控制系統，由此增加了項目的初始投資。(3)發酵菌在發酵物中的繁殖速度保障，需要高效的發酵菌液噴淋回流系統，以防止管道堵塞等問題。

二 工程技術難題分析

1 防爆安全

發酵初期發酵倉內氣體從空氣變成甲烷含量較高的沼氣，發酵末期發酵倉內從較高甲烷含量的沼氣降至與新鮮空氣一致，這兩個過程都會經歷甲烷與空氣混合體積百分比在5%～15%的階段(標準沼氣8.8%～24.4%)，此時工程需要高度安全可靠的自動控制系統。

基于工程的安全可靠性要求，發酵倉倉體采用鋼筋混凝土澆筑以達到強度及密封性要求。倉門采用液壓門，倉頂設置換氣管道，管道上設置防爆電動閥以及防爆風機。倉內設置沼氣取樣管道，可實時分析發酵倉內氣體成分，至少分析CH4、CO2、O2、H2S 四種成分。

發酵初期倉內O2濃度較高，隨著好氧微生物的作用O2逐漸耗完轉入厭氧階段，通過發酵作用產生沼氣，此時氣體甲烷含量較低，需要利用電動閥及風機將廢氣抽走，處理后排放；發酵末期原料產氣能力越來越弱，當沼氣流量低于設計值時，開啟電動閥及風機將廢氣抽走，同時開啟進氣閥，為系統提供惰性氣源(一般為二氧化碳及氮氣的混合物)，當倉內甲烷值低于4%，再通入新鮮空氣，至沼氣分析儀分析倉內氣體接近空氣成分時開啟密封門。操作人員可在安全距離外利用自控系統開啟倉門，倉門開啟后利用大型鏟車進出料，以控制進出料的效率，根據實時分析的氣體成分確定倉內氣體是否達到標準，進出料同時保持倉內的持續通風以確保駕駛員良好的呼吸環境。

2 發酵菌繁殖速度

由于發酵原料干物質濃度較高，厭氧發酵菌不能在這種狀態下長時間存活，所以發酵菌在發酵物中的繁殖速度保障需要高效的發酵菌液噴淋回流自動控制系統。

基于發酵工藝的要求，從理論上要解決此問題的最佳辦法就是控制噴淋的速度及頻率。首先需要有一個甲烷菌的培養容器，這個容器內有足夠的厭氧菌可持續不斷地噴灑到原料上，噴灑到原料上的厭氧菌在很短的時間內以有機物為底物進行厭氧反應產生沼氣，然后流入沼液儲存池，最后又泵送至甲烷菌培養容器，如此循環以保證系統的持續運行。

當發酵倉容積為400m3時，可考慮噴淋液流量為60m3/h，每次在單倉內噴淋5min，然后切換至下一個倉，噴淋周期保證在2h噴淋一次，至發酵末期停止噴淋以收集原料內的噴淋液。

工程運行時可以利用沼液儲存池內液位計控制回流菌液及時泵送至甲烷菌培養容器，通過倉頂噴淋管道上電磁閥控制倉內菌液噴淋設定時間后，停止噴淋等待菌液從上部流經原料后回到沼液儲存池，通過不同發酵倉的切換，始終保持噴淋泵恒壓工作。

3 發酵溫度

發酵溫度的控制直接關系著沼氣工程的成敗。作為一種能源環保型的項目，車庫型干法沼氣工程最佳工作溫度為35～40℃[11]。由于環境溫度的不穩定，所以要保證原料的穩定中溫發酵必須提供外部的熱源，這樣可選擇的方式包括鍋爐和發電機組余熱利用兩種途徑。對于大型沼氣工程利用發電機組余熱利用途徑顯然非常經濟，但是前提是有足夠的電力使用設備或可發電上網[12]；使用鍋爐則包括使用化石能源鍋爐和沼氣鍋爐兩種，沼氣鍋爐則涉及到系統的啟動問題。無論采取哪種方式，車庫型干法沼氣工程需要外接熱源，而工程本身的自控系統則需要將這些熱量穩定的分配到各個發酵倉內。

發酵倉要維持倉內原料穩定均勻的熱量，不僅需要在倉底部均勻鋪設采暖管，同時還需要在混凝土澆筑的倉墻壁上鋪設。每一個倉都利用進水及出水的電動閥控制，進回水管道上均設置溫度變送器，進水主管道溫度維持在50℃，回水主管道溫度維持在40℃，甲烷菌培養容器采暖管溫度控制在40～42℃，發酵倉采暖管溫度控制在38～40℃。由于厭氧菌在短時期的劇烈溫差下會產生大量死亡的現象，所以系統采用低溫供熱方式。

當發酵倉或甲烷菌培養容器低于設定溫度時，提高供熱主管道溫度，最大升高溫度不宜超過2℃；當發酵倉或者甲烷菌培養容器高于設定溫度時，關閉對應電磁閥，溫度將至低于設定溫度2℃后自動開啟。

三 高效自控系統設計

通過對工程技術難題的分析，車庫型干法沼氣工程高效自控系統流程圖如圖1所示。

圖1 高效自控系統流程圖

高效自控系統有5個大系統，其中1號系統為排氣系統，利用風機將新鮮空氣打入發酵倉內，然后利用倉頂排氣管道排放至生物濾器，過濾后排放；2號系統為液壓門系統，利用控制室電磁閥及液壓電機控制液壓門的開啟與關閉；3號系統為供熱系統，高溫熱源經過低溫換熱后給發酵倉及甲烷菌培養容器增溫；4號系統為噴淋系統，發酵倉內甲烷菌液流入沼液儲存池，再泵回甲烷菌培養容器，最后打入發酵倉；5號系統為氣體處理系統，其中包括沼氣分析系統、廢氣燃燒系統及沼氣利用系統，經沼氣分析系統確定氣體成分，當甲烷濃度低于設定值排放至生物濾器內，達到設定值進入沼氣利用系統，沼氣利用系統需要檢修，利用火炬系統燃燒廢氣。

四 結語

車庫型干法沼氣工程近年來日益受到人們關注[13,14]，但是此類工程在我國還沒有一個成型的案例，本文就車庫型干法沼氣工程的生產工藝設計了一套高效的自控系統，通過該系統可得到以下結論：

(1)通過風機系統、液壓門系統、排氣系統以及大型鏟車進出料，可安全高效度過氣體防爆點。

(2)通過噴淋系統，可保證發酵菌液均勻高效的噴灑至原料上，最大限度地提高原料的產氣潛力。

(3)通過低溫采暖系統，可實時監控發酵倉及甲烷菌培養容器內溫度，可保障厭氧菌在穩定的溫度下高效地生產沼氣。

為了更好地引進車庫型干法沼氣發酵技術，本自控系統從理論上解決了干發酵的主要技術難題，為了保證工程的技術先進及經濟合理性，需要首先通過中試以測試自控系統的工業可行性，當系統處于完全成熟階段后再進行大規模的產業化安裝運行。

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