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靳红燕：有机废弃物厌氧发酵（消化）未来路之：初识沼气

2022-12-26 09:24| 发布者: admin| 查看: 87| 评论: 0

摘要: 我们都知道厌氧发酵技术，最大的价值在于能产生沼气，而沼气的主要成分是甲烷（甲烷含量约50~75%），提纯后就是所谓的生物天然气（甲烷含量一般在95%以上）。但做厌氧多年的人都知道，沼气行业之所以一直发展的不好 ...

我们都知道厌氧发酵技术，最大的价值在于能产生沼气，而沼气的主要成分是甲烷（甲烷含量约50~75%），提纯后就是所谓的生物天然气（甲烷含量一般在95%以上）。但做厌氧多年的人都知道，沼气行业之所以一直发展的不好，“沼气”这个大宝贝，真是又爱又恨。爱，是因为它是能源，是厌氧最大的价值所在，也是所有厌氧从业者想要追求的东西。恨，是因为这么多年，能发挥其最大价值的项目少之又少。有时候去项目现场，看着一把火将沼气烧成灰烬，真是心疼。不过，随着我国碳达峰和碳中和目标的推进，以及国内外越来越短缺的能源形势，近期天然气市场价格不断攀升，沼气行业也跟着热了起来。用沼气制生物天然气不但技术成熟可靠，原料来源也十分广泛，而且可以利用废物，起到保护环境和资源循环的效果，这条路感觉上是非常好的。于是，当前越来越多的人开始关心如何低成本获得沼气，以及如何高效利用沼气。而且也有越来越多的人注意到这条路的不顺畅，并开始思考如何解决，这让一直不看好这个行业的人（比如我）又一次看到了希望。所以，我也打算围绕沼气写一些文章，希能和更多的同行互通有无，携手共进。本文，我先来梳理一下什么是沼气、沼气的主要成分、不同物料产沼气性能，以及沼气的主要利用方式等一些基础信息。
1沼气的主要成分
沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体。沼气由50%-75%甲烷（CH4）、25%-45%二氧化碳（CO2）、0%-2%氮气（N2）、小于1%的氢气（H2）、小于2%的氧气（O2）与少量硫化氢（H2S）等气体组成。由于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。其特性与天然气相似。空气中如含有8.6-20.8%（按体积计）的沼气时，就会形成爆炸性的混合气体。可以看出沼气的主要成分是甲烷，而甲烷是一种理想的气体燃料。每立方米纯甲烷的发热量约为35807KJ，因此每立方米沼气的发热量约为17900－26900KJ。即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。沼气成分及杂质影响可参考下表。

注：本表引自董仁杰，伯恩哈特·蓝宁阁《沼气工程与技术》

注：本表引自邓良伟等《沼气工程》；

注：本表部分信息引自邓良伟等《沼气工程》；
2沼气中甲烷含量决定因素
甲烷是沼气利用的重点。那么我们肯定希望沼气中甲烷含量越高越好。那甲烷含量取决于什么呢？沼气中甲烷含量基本上取决于底物组成，也就是与物料中的蛋白质、脂肪、碳水化合物的比例有关。这几种物质中，蛋白质产甲烷量最高，其次是脂肪，最低的是碳水化合物。每种组分的沼气产量和甲烷含量可参见表2。

注：本表引自董仁杰，伯恩哈特·蓝宁阁《沼气工程与技术》，VS表示有机干物质含量。
说到沼气中甲烷含量基本由底物决定，我再给大家拓展两点。一是，根据这个规律，我们可以对不同物料的沼气成分进行预判，比如秸秆产生的沼气甲烷含量绝对不可能超过粪便，牛粪的甲烷含量不会高于猪粪、鸡粪和餐厨垃圾。这个预判在缺少工程实际数据的情况下，还是有一定作用的。
记得我曾做过一个尾菜厌氧的方案，由于当时国内还没有尾菜厌氧项目，没有工程数据可参考。我按照尾菜特性预测甲烷含量应在50%左右。但其他厂家给出数据却在60%以上。销售回来说业主质疑我们技术，发电量比起别家少了很多。我为此还专门写了一篇报告给业主。后来，又在实验室做了很久的测试，测试结果与我预测的也基本一致。当然业主对工艺技术产生质疑，也不是全无道理，因为甲烷含量除了与底物相关外，与发酵工艺也确实有些许相关。有机质的厌氧消化，分为水解、酸化、产甲烷几个阶段（详见图1）。在酸化过程中，会产生氢气和二氧化碳。如果项目采用两相厌氧，水解酸化罐产生的气体，若采取放空或去除臭系统的方式，而不是进入后端产甲烷罐（即厌氧罐），那么厌氧罐产生的沼气里面二氧化碳相对会少一些，也就是说甲烷含量相对就会高一些。不过这种操作有很大安全隐患，而且氢气和二氧化碳本身也是产甲烷的来源，虽然甲烷含量相对高了，但绝对量却减少了。所以没必要用这种方式去提高甲烷含量。

图1 厌氧发酵示意图
第二个拓展点，沼气甲烷含量基本由底物决定这个特性是可以用来监测厌氧罐运行的稳定性的。根据这个特性，如果项目来料变化不大，正常状态下甲烷含量也基本稳定。如果运行中甲烷含量出现了较大波动，而发现来料并没有变化，而那大概率是厌氧罐甲烷化过程受到抑制，有酸化的迹象，最好赶紧减少/停止进料，同时还应赶紧观察挥发性有机酸、碱度、PH等指标的变化。如发现有酸化迹象，应立即采取措施。用甲烷含量的变化是判断厌氧罐的稳定性的一个重要先行指标，会比其他指标更快捷。
3不同物料产沼气/产甲烷性能
我们说到各种原料的产甲烷性能，既然是由底物决定的，那么只要知道物料的总量和产沼气/产甲烷性能，就能推算出沼气产量/甲烷产量。关于沼气产量的计算方法，我之前写过一篇文章《一次性教会你6种沼气产量估算方法》，感兴趣的可以参考。
其实绝大多数有机物都能作为产沼气的原料，当然我们现在用最多的是一些农业有机废物，如畜禽粪便和秸秆，以及市政类有机废物，如餐厨垃圾/厨余垃圾等。每种物料特性不一样，所选用的发酵技术也应符合其特性（当然这又是一个比较大的课题，以后慢慢再说），但每种物料的理论产沼气/产甲烷性能一般是比较稳定的。如果遇到没有参考数据的新物料，可以委托检测机构做产甲烷潜力测试。本文放一些总结较为全面的产气特性数据，供大家参考。

注：本表引自《大中型沼气工程技术规范》GB/T 51063-2014，TS表示总固体含量。本表物料特性数据不太准确，产气率数据可以参考。

注：本表引自农业部《2015年农村沼气工程转型升级工作方案》，TS表示总固体含量。

注：本表引自邓良伟等《沼气工程》；FM表示鲜重，TS表示总固体含量，VS表示有机干物质含量。

注：本表引自董仁杰，伯恩哈特·蓝宁阁《沼气工程与技术》；FM表示鲜重，TS表示总固体含量，VS表示有机干物质含量。
4沼气主要利用方式
前面说了沼气的主要成分是甲烷，而甲烷是一种高热值的清洁能源，因而沼气的利用，也主要是对甲烷进行利用。目前我国沼气主要的利用方式有：锅炉供热、沼气发电/热电联产、沼气提纯制生物天然气。另外，近几年氢能也受到了越来越多的关注，用沼气制氢气也被越来越多被提及。这些利用方式，国内外都有相应的技术和成功的运行案例，技术方面不存在壁垒。关于沼气利用，过去还有直接供气的说法，但是直接供沼气需要修建专用管网，较难实现，也不经济，我这里就不提了。各种利用方式具体情况及其优缺点可参考下图。