厌氧发酵原位提纯CH4浓度高达94%的技术探秘

    近日在湖南某沼气工程现场，工作人员惊奇地发现：仅通过厌氧发酵工艺，竟然直接制取出了CH₄浓度高达94%的生物天然气！*，一般沼气生产生物天然气要经过净化和提纯两个步骤，才可得到高甲烷浓度的生物天然气，以用作管道燃气、热电联供、生产压缩天然气和罐装燃气等。而该沼气工程项目并没有复杂的净化、提纯过程，就制出了CH₄浓度高达94%的生物天然气，让人匪夷所思！

发酵罐

    据了解，该项目厌氧发酵罐规模为800m³ ，其发酵原料主要来源于种猪养殖场的粪便与尿液，项目数据监测则采用武汉四方光电子公司-四方仪器自控的沼气工程监测方案Gasboard-9230产品，用以对沼气流量，沼气成分，发酵罐温度和PH值等数据的监测与无线传输。对于直接通过厌氧发酵产出CH₄浓度高达94%的沼气，所有人的*反应是检测仪器出了故障。为了解决大家心里的困惑，公司派出检测人员，携带系列专业气体检测仪器，逐一对项目产出的沼气成分进行检测。

大中型沼气工程监测现场

    工作人员首先使用100%CH₄和50%CO₂的标准气体，对现场一体化沼气分析系统Gasboard-9060进行校准。

对一体化沼气分析系统Gasboard-9060进行校准

    首先，采用该在线检测设备对现场沼气成分进行检测，结果显示CH₄浓度为94.39%！根据以往经验，在没有进行提纯前，沼气成分中的CH₄一般在40-65%之间，很难超过70%。如今却是94.39%。

一体化沼气分析系统Gasboard-9060的检测数据

    随后，使用公司研发的沼气分析仪（智能便携型）Gasboard-3200Plus进行检测。该产品采用非分光红外气体分析技术，其分析仪器检测显示的结果依然达到了94.42%！与在线仪器无差别，仪器故障的可能性逐渐被排除。

用沼气分析仪（智能便携型）Gasboard-3200plus再次检测

Gasboard-3200Plus的检测数据

    考虑到沼气中除含有甲烷外，可能还含有复杂的烷烃成分（乙烷等），在红外吸收光谱中，甲烷的中红外吸收特征波长易受乙烷影响，从而影响检测设备对甲烷浓度的测量。为了排除这种可能，检测人员提出采用公司的红外煤气分析仪Gasboard-3100再检测一次。煤气分析仪Gasboard-3100同样采用非分光红外气体分析技术，可同时测量煤气、生物燃气的热值，以及甲烷、乙烷等气体浓度，zui重要的是可排除乙烷影响并准确检测甲烷浓度。然后，检测结果仍是惊人的96.08%的高浓度！自此，仪器故障、检测不准的原因被*排除了。

用煤气分析仪（在线型）Gasboard-3100检测排除干扰可能

Gasboard-3100的检测数据

    排除了仪器故障问题，但疑云仍未拨开！为此，锐意自控总熊友辉博士携带相关气体成分检测仪器驱车300多公里，亲临项目现场对该沼气项目再次进行了深入调查研究与分析。

熊博士在监测现场

    现场在线监测系统显示仪器进气流量正常，这次Gasboard-9060监测系统显示CH₄浓度为91.38%。

Gasboard-9060的检测数据

Gasboard-3200Plus的检测数据

便携红外天然气热值分析仪Gasboard-3110P的检测数据

    从这次现场的检测数据来看，厌氧发酵产出的沼气CH₄含量确实在90%以上，检测数据可靠性没有问题。但是有一个现象引起了大家的重视，就是该项目安装的超声波沼气流量计BF-3000的瞬时流量接近是零，累计流量只有1500多立方米。也就是说，安装监测系统一个月以来，平均每日的产气量只有50m³左右，显然这个沼气工程没有达到设计的中温发酵1.0（800m³）的容积产气率，即使是常温发酵，容积产气率0.3（240m³）也没有达到。为了探其究竟，熊博士与业主进行了深入的交流。

超声波沼气流量计BF-3000累计流量显示数据

    由于发电机组噪音大，发电也不能上网，生产的沼气用途不大，因此实际发电没有正常进行，只是偶尔需要的时候发电。同时沼气发酵产生的沼液沼渣也需要处理，而附近没有可以*消纳沼液沼渣的场所，因此厌氧发酵装置无法真正发挥作用。由于本项目位于一个大型的水库附近，粪污排放受到严格控制，为了*解决问题，业主将干清粪的粪便用于生产有机肥，清粪的粪水和尿液通过沉淀池后一部分进入发酵罐用于生产沼气，一部分通过自行设计的微曝气池再进入额外设计的好氧生化氧化池进行水处理，发酵罐产生的沼液沼渣也排入好氧生化氧化池进行污水处理后达标排放。

微曝气池

好氧生化池

    由于大量废水进入厌氧发酵罐产生的沼气不被经常使用，更易溶于水的CO₂被溶解（水洗沼气净化提纯就是利用这个原理），并随着大量低浓度的沼液一起排出，造成发酵罐中沼气CH₄含量的不断升高。至此，沼气工程项目直接制取高浓度生物天然气的原因终于真相大白。通过持续脱除溶解在发酵液中的CO₂，沼气中CH₄含量持续升高，甚至达到接近天然气的水平。其实国外正在进行厌氧发酵沼气原位提纯的研究，通过改变厌氧发酵过程中CO₂、H₂等含量，脱除CO₂或增加H₂含量等都可以显著提高沼气中的CH₄含量，达到直接制取生物天然气的目标。

    通过本次调研我们也发现，限制我国大型养殖企业沼气工程发展的难点在于沼液沼渣的处理，沼液看似是一种有机肥，但是受有机肥覆盖面积、长期使用适应性以及需求季节性的影响，企业都很难妥善处理沼液的利用问题，沼渣以及基于干粪形成的有机肥倒是不存在销售出路问题。如果不能有效处理沼液问题，采用干湿分离，冲水粪尿采用污水处理工艺或许是一个更加正确的选择。

    目前，大型畜禽粪便沼气工程或许需要一次整体系统性的技术提升，才能够从一个不健康的产业中走出来！

（来源：公众号@沼气工程及其测控技术）