厭氧發酵原位提純CH4濃度高達94%的技術探秘

    近日在湖南某沼氣工程現場，工作人員驚奇地發現：僅通過厭氧發酵工藝，竟然直接制取出了CH₄濃度高達94%的生物天然氣！*，一般沼氣生產生物天然氣要經過凈化和提純兩個步驟，才可得到高甲烷濃度的生物天然氣，以用作管道燃氣、熱電聯供、生產壓縮天然氣和罐裝燃氣等。而該沼氣工程項目并沒有復雜的凈化、提純過程，就制出了CH₄濃度高達94%的生物天然氣，讓人匪夷所思！

發酵罐

    據了解，該項目厭氧發酵罐規模為800m³ ，其發酵原料主要來源于種豬養殖場的糞便與尿液，項目數據監測則采用武漢四方光電子公司-四方儀器自控的沼氣工程監測方案Gasboard-9230產品，用以對沼氣流量，沼氣成分，發酵罐溫度和PH值等數據的監測與無線傳輸。對于直接通過厭氧發酵產出CH₄濃度高達94%的沼氣，所有人的*反應是檢測儀器出了故障。為了解決大家心里的困惑，公司派出檢測人員，攜帶系列專業氣體檢測儀器，逐一對項目產出的沼氣成分進行檢測。

大中型沼氣工程監測現場

    工作人員首先使用100%CH₄和50%CO₂的標準氣體，對現場一體化沼氣分析系統Gasboard-9060進行校準。

對一體化沼氣分析系統Gasboard-9060進行校準

    首先，采用該在線檢測設備對現場沼氣成分進行檢測，結果顯示CH₄濃度為94.39%！根據以往經驗，在沒有進行提純前，沼氣成分中的CH₄一般在40-65%之間，很難超過70%。如今卻是94.39%。

一體化沼氣分析系統Gasboard-9060的檢測數據

    隨后，使用公司研發的沼氣分析儀（智能便攜型）Gasboard-3200Plus進行檢測。該產品采用非分光紅外氣體分析技術，其分析儀器檢測顯示的結果依然達到了94.42%！與在線儀器無差別，儀器故障的可能性逐漸被排除。

用沼氣分析儀（智能便攜型）Gasboard-3200plus再次檢測

Gasboard-3200Plus的檢測數據

    考慮到沼氣中除含有甲烷外，可能還含有復雜的烷烴成分（乙烷等），在紅外吸收光譜中，甲烷的中紅外吸收特征波長易受乙烷影響，從而影響檢測設備對甲烷濃度的測量。為了排除這種可能，檢測人員提出采用公司的紅外煤氣分析儀Gasboard-3100再檢測一次。煤氣分析儀Gasboard-3100同樣采用非分光紅外氣體分析技術，可同時測量煤氣、生物燃氣的熱值，以及甲烷、乙烷等氣體濃度，zui重要的是可排除乙烷影響并準確檢測甲烷濃度。然后，檢測結果仍是驚人的96.08%的高濃度！自此，儀器故障、檢測不準的原因被*排除了。

用煤氣分析儀（在線型）Gasboard-3100檢測排除干擾可能

Gasboard-3100的檢測數據

    排除了儀器故障問題，但疑云仍未撥開！為此，銳意自控總熊友輝博士攜帶相關氣體成分檢測儀器驅車300多公里，親臨項目現場對該沼氣項目再次進行了深入調查研究與分析。

熊博士在監測現場

    現場在線監測系統顯示儀器進氣流量正常，這次Gasboard-9060監測系統顯示CH₄濃度為91.38%。

Gasboard-9060的檢測數據

Gasboard-3200Plus的檢測數據

便攜紅外天然氣熱值分析儀Gasboard-3110P的檢測數據

    從這次現場的檢測數據來看，厭氧發酵產出的沼氣CH₄含量確實在90%以上，檢測數據可靠性沒有問題。但是有一個現象引起了大家的重視，就是該項目安裝的超聲波沼氣流量計BF-3000的瞬時流量接近是零，累計流量只有1500多立方米。也就是說，安裝監測系統一個月以來，平均每日的產氣量只有50m³左右，顯然這個沼氣工程沒有達到設計的中溫發酵1.0（800m³）的容積產氣率，即使是常溫發酵，容積產氣率0.3（240m³）也沒有達到。為了探其究竟，熊博士與業主進行了深入的交流。

超聲波沼氣流量計BF-3000累計流量顯示數據

    由于發電機組噪音大，發電也不能上網，生產的沼氣用途不大，因此實際發電沒有正常進行，只是偶爾需要的時候發電。同時沼氣發酵產生的沼液沼渣也需要處理，而附近沒有可以*消納沼液沼渣的場所，因此厭氧發酵裝置無法真正發揮作用。由于本項目位于一個大型的水庫附近，糞污排放受到嚴格控制，為了*解決問題，業主將干清糞的糞便用于生產有機肥，清糞的糞水和尿液通過沉淀池后一部分進入發酵罐用于生產沼氣，一部分通過自行設計的微曝氣池再進入額外設計的好氧生化氧化池進行水處理，發酵罐產生的沼液沼渣也排入好氧生化氧化池進行污水處理后達標排放。

微曝氣池

好氧生化池

    由于大量廢水進入厭氧發酵罐產生的沼氣不被經常使用，更易溶于水的CO₂被溶解（水洗沼氣凈化提純就是利用這個原理），并隨著大量低濃度的沼液一起排出，造成發酵罐中沼氣CH₄含量的不斷升高。至此，沼氣工程項目直接制取高濃度生物天然氣的原因終于真相大白。通過持續脫除溶解在發酵液中的CO₂，沼氣中CH₄含量持續升高，甚至達到接近天然氣的水平。其實國外正在進行厭氧發酵沼氣原位提純的研究，通過改變厭氧發酵過程中CO₂、H₂等含量，脫除CO₂或增加H₂含量等都可以顯著提高沼氣中的CH₄含量，達到直接制取生物天然氣的目標。

    通過本次調研我們也發現，限制我國大型養殖企業沼氣工程發展的難點在于沼液沼渣的處理，沼液看似是一種有機肥，但是受有機肥覆蓋面積、長期使用適應性以及需求季節性的影響，企業都很難妥善處理沼液的利用問題，沼渣以及基于干糞形成的有機肥倒是不存在銷售出路問題。如果不能有效處理沼液問題，采用干濕分離，沖水糞尿采用污水處理工藝或許是一個更加正確的選擇。

    目前，大型畜禽糞便沼氣工程或許需要一次整體系統性的技術提升，才能夠從一個不健康的產業中走出來！

（來源：公眾號@沼氣工程及其測控技術）