生物能源沼氣發電熱電聯產項目中沼氣成分檢測方法的探討

厲亞輝，邱惠珍，俞建龍，楊遂平

(寶鋼氣體上海基量標準氣體有限公司，上海201713)

1 概述

沼氣屬于可再生能源中的生物能源，它是各種有機物質在隔絕空氣(還原條件)、適宜的溫度、pH值條件下，經過微生物的發酵作用產生的一種可燃燒氣體。沼氣屬于二次能源，并且是可再生能源。沼氣燃燒發電是隨著大型沼氣池建設和沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術，它將厭氧發酵處理產生的沼氣用于發動機上，并裝有綜合發電裝置，以產生電能和熱能。沼氣發電具有創效、節能、安全和環保等特點，是一種分布廣泛且價廉的分布式能源。

1.1 因地制宜、就地供電

我國沼氣發電有30多年的歷史，在“十五”期間研制出20～600 kW純燃沼氣發電機組系列產品，氣耗率0.6～0.8 m3/(kW·h)(沼氣熱值 ～ ＞21 MJ/m3)。但國內沼氣發電研究和應用市場都還處于不完善階段，特別是適用于我國廣大農村地區小型沼氣發電技術研究更少，我國農村偏遠地區還有許多地方嚴重缺電，如牧區、海島、偏僻山區等高壓輸電較為困難，而這些地區卻有著豐富的生物質原料。如能因地制宜地發展小沼氣電站，則可取長補短就地供電。

1.2 環保、節能，變廢為寶

沼氣發電技術是集環保和節能于一體的能源綜合利用新技術。它是利用工業、農業或城鎮生活中的大量有機廢棄物(例如酒糟液、禽畜糞、城市垃圾和污水等)，經厭氧發酵處理產生的沼氣，驅動沼氣發電機組發電，并可充分將發電機組的余熱用于沼氣生產。

沼氣發電技術本身提供的是清潔能源，不僅解決了沼氣工程中的環境問題、消耗了大量廢棄物、保護了環境、減少了溫室氣體的排放，而且變廢為寶，產生了大量的熱能和電能，符合能源再循環利用的環保理念，同時也帶來巨大的經濟效益，因而沼氣發電得到國家政策大力支持。

1.3 雙贏回報機制

一般來說，無論是單獨投資沼氣發電站或者是工廠自行投資發電機組都可以得到雙贏的回報效果。工廠將沼氣免費提供給電站使用，沼氣電站作為工廠的自備電廠，其發出的電將以相對網電而言較低的價格出售給工廠。一方面解決了產生的沼氣處理的費用問題，另一方面可以得到免費的原料來源，同時，可以就近供電，達到雙贏。

1.4 成本與收益分析

理想狀態下，標準配置的沼氣發電電站，電價可以按0.28元/(kW·h)考慮。對于工廠而言，以電網購電價格0.70元/(kW·h)計，工廠沒有對電站投資，卻節省了0.38～0.47元/(kW·h)的電費支出;對于電站而言，扣除運行成本后，還有可觀的盈利。另外沼氣的主要成分甲烷作為溫室氣體的一種，其溫室氣體效應是二氧化碳的21倍，因此，大型的沼氣發電項目還可申請CDM項目。

沼氣發電一般要求沼氣熱值＞21 MJ/m3，沼氣中雜質含量如N2、H2S等應控制在一定的范圍內，因此，沼氣的成分檢測及熱值的計算就起到了關鍵作用，本文結合現場實例介紹了沼氣成分分析的具體流程。

2 沼氣主要成分

沼氣主要成分見表1。

表1 沼氣主要成分Table 1 Main components of Biogas

3 實驗部分

3.1 儀器與試劑

儀器:GC-910(TCD)氣相色譜儀、HP5890(FID)氣相色譜儀、VARIAN3800(PFPD)氣相色譜儀。氣體標準物質:上海基量標準氣體有限公司配制，詳見表2。

表2 氣體標準物質列表Table 2 The list of standard gas

3.2 分析流程

無機部分組分由 GC-910(TCD)與 VARIAN3800(PFPD)氣相色譜儀檢測;有機部分組分由HP5890(FID)氣相色譜儀檢測。

圖1 GC-910(TCD)氣相色譜儀色譜氣路系統流程圖Fig.1 The flow chart of GC-910(TCD)gas chromatograph

3.3 分析條件

分析條件見表3。

3.4 譜圖

沼氣TCD譜圖及FID譜圖分別見圖2、3。

表3 分析條件表Table 3 The experimental condition

圖2 沼氣TCDFig.2 Biogas TCD

圖3 沼氣FIDFig.3 Biogas FID

3.5 檢測結果列表

檢測分析結果見表4。

3.6 其它雜質檢測

沼氣中氨、氯及微量元素的檢測對項目的運行以及后續的排放有重要意義，采用原子吸收分光光度法與離子色譜法對燃氣中金屬離子和NH3、氯進行檢測，數據見表5。

表4 分析結果表Table 4 The results of the analysis

表5 微量元素分析結果表Table 5 The results of the analysis Trace elements

4 熱值計算

燃氣組分氣體的熱值計算見表6。

根據表4的分析結果計算沼氣的低位熱值為21.73 MJ/m3。

表6 燃氣組分氣體的熱值Table 6 The calorific value of gas components

5 結論與討論

1.實踐證明，利用生物能源沼氣發電熱電聯產項目，不僅可以緩解企業用電、局部偏遠地區供電成本高等問題，而且可以減少廢棄物對環境的污染，減少溫室效應氣體的排放，取得節能、增電、改善環境并達到能源循環利用的效果，為企業創造可觀的經濟效益和綜合社會效益，特別值得大中型牛羊豬等養殖場推廣。

2.采用氣相色譜法(熱導、氫火焰、脈沖火焰光度檢測器)可全面分析沼氣成分，為沼氣發電熱值計算提供可靠數據，有利于沼氣發電質量控制以及發電效率的改進提高。

3.如需持續提高沼氣發電質量及加強安全生產控制，還可以采用其他分析方法，對沼氣中氨、氯及微量元素作進一步檢測。

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