車庫(kù)型干法沼氣工程高效自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 農(nóng)村能源中心 ■ 李劍 欒玥 羅光輝 盛力偉 李存斌

一 車庫(kù)型干法沼氣工程的利弊

傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵均采用濕法技術(shù)[1]，由于濕法技術(shù)發(fā)酵耗能高、處理原料的成本高、檢修需要較長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用的地域和范圍。國(guó)外對(duì)于沼氣干法發(fā)酵技術(shù)的工程化研究起步較早，20世紀(jì)70年代末到80年代[2]，美國(guó)、法國(guó)、荷蘭、丹麥等國(guó)家相繼建立了采用沼氣干法發(fā)酵工藝處理垃圾的試驗(yàn)工廠，對(duì)干法發(fā)酵沼氣工程技術(shù)進(jìn)行了深入地研發(fā)。從90年代起，德國(guó)大量資助新型的間歇式干法沼氣發(fā)酵技術(shù)的研發(fā)，90年代末，德國(guó)間歇式干法沼氣工藝和裝備通過了中試，2002年生產(chǎn)出工業(yè)級(jí)裝備并投入實(shí)際運(yùn)行。目前，國(guó)外的工程化沼氣干法發(fā)酵技術(shù)有車庫(kù)型、氣袋型干濕聯(lián)合型、滲濾液儲(chǔ)存桶型和儲(chǔ)罐型等多種技術(shù)類型[3～5]。

新型的干法沼氣發(fā)酵技術(shù)與傳統(tǒng)的濕法技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)有：(1)能耗低，由于干發(fā)酵采用較高含量干物質(zhì)濃度進(jìn)行發(fā)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(chǎn)氣需求[6,7]。(2)預(yù)處理過程簡(jiǎn)單，干發(fā)酵適合于不同的原料，包括農(nóng)作物秸稈、生活垃圾(有機(jī)質(zhì)部分)、畜禽糞便等固體可發(fā)酵有機(jī)物，可大大節(jié)省預(yù)處理成本。(3)采用車庫(kù)型發(fā)酵倉(cāng)，發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)部不設(shè)置任何機(jī)械設(shè)備，故障率低。(4)沼氣質(zhì)量高，由于采用高效噴淋系統(tǒng)，所以原料不易形成產(chǎn)酸過剩的問題，這樣沼氣中只有50～300ppm的硫化氫含量。(5)發(fā)酵倉(cāng)為模塊化結(jié)構(gòu)，易擴(kuò)展。(6)進(jìn)出料設(shè)備可采用鏟車，設(shè)備效率高。(7)發(fā)酵后的沼渣一般含水率≤80%，原料經(jīng)過簡(jiǎn)單的干化即可用于篩分做農(nóng)業(yè)肥料。(8)由于干發(fā)酵用水量較低幾乎沒有污水排放，有效節(jié)省了水費(fèi)和污水處理費(fèi)。

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

二 工程技術(shù)難題分析

1 防爆安全

發(fā)酵初期發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)氣體從空氣變成甲烷含量較高的沼氣，發(fā)酵末期發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)從較高甲烷含量的沼氣降至與新鮮空氣一致，這兩個(gè)過程都會(huì)經(jīng)歷甲烷與空氣混合體積百分比在5%～15%的階段(標(biāo)準(zhǔn)沼氣8.8%～24.4%)，此時(shí)工程需要高度安全可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

基于工程的安全可靠性要求，發(fā)酵倉(cāng)倉(cāng)體采用鋼筋混凝土澆筑以達(dá)到強(qiáng)度及密封性要求。倉(cāng)門采用液壓門，倉(cāng)頂設(shè)置換氣管道，管道上設(shè)置防爆電動(dòng)閥以及防爆風(fēng)機(jī)。倉(cāng)內(nèi)設(shè)置沼氣取樣管道，可實(shí)時(shí)分析發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)氣體成分，至少分析CH4、CO2、O2、H2S 四種成分。

發(fā)酵初期倉(cāng)內(nèi)O2濃度較高，隨著好氧微生物的作用O2逐漸耗完轉(zhuǎn)入?yún)捬蹼A段，通過發(fā)酵作用產(chǎn)生沼氣，此時(shí)氣體甲烷含量較低，需要利用電動(dòng)閥及風(fēng)機(jī)將廢氣抽走，處理后排放；發(fā)酵末期原料產(chǎn)氣能力越來越弱，當(dāng)沼氣流量低于設(shè)計(jì)值時(shí)，開啟電動(dòng)閥及風(fēng)機(jī)將廢氣抽走，同時(shí)開啟進(jìn)氣閥，為系統(tǒng)提供惰性氣源(一般為二氧化碳及氮?dú)獾幕旌衔?，當(dāng)倉(cāng)內(nèi)甲烷值低于4%，再通入新鮮空氣，至沼氣分析儀分析倉(cāng)內(nèi)氣體接近空氣成分時(shí)開啟密封門。操作人員可在安全距離外利用自控系統(tǒng)開啟倉(cāng)門，倉(cāng)門開啟后利用大型鏟車進(jìn)出料，以控制進(jìn)出料的效率，根據(jù)實(shí)時(shí)分析的氣體成分確定倉(cāng)內(nèi)氣體是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)出料同時(shí)保持倉(cāng)內(nèi)的持續(xù)通風(fēng)以確保駕駛員良好的呼吸環(huán)境。

2 發(fā)酵菌繁殖速度

由于發(fā)酵原料干物質(zhì)濃度較高，厭氧發(fā)酵菌不能在這種狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間存活，所以發(fā)酵菌在發(fā)酵物中的繁殖速度保障需要高效的發(fā)酵菌液噴淋回流自動(dòng)控制系統(tǒng)。

基于發(fā)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(gè)甲烷菌的培養(yǎng)容器，這個(gè)容器內(nèi)有足夠的厭氧菌可持續(xù)不斷地噴灑到原料上，噴灑到原料上的厭氧菌在很短的時(shí)間內(nèi)以有機(jī)物為底物進(jìn)行厭氧反應(yīng)產(chǎn)生沼氣，然后流入沼液儲(chǔ)存池，最后又泵送至甲烷菌培養(yǎng)容器，如此循環(huán)以保證系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。

當(dāng)發(fā)酵倉(cāng)容積為400m3時(shí)，可考慮噴淋液流量為60m3/h，每次在單倉(cāng)內(nèi)噴淋5min，然后切換至下一個(gè)倉(cāng)，噴淋周期保證在2h噴淋一次，至發(fā)酵末期停止噴淋以收集原料內(nèi)的噴淋液。

工程運(yùn)行時(shí)可以利用沼液儲(chǔ)存池內(nèi)液位計(jì)控制回流菌液及時(shí)泵送至甲烷菌培養(yǎng)容器，通過倉(cāng)頂噴淋管道上電磁閥控制倉(cāng)內(nèi)菌液噴淋設(shè)定時(shí)間后，停止噴淋等待菌液從上部流經(jīng)原料后回到沼液儲(chǔ)存池，通過不同發(fā)酵倉(cāng)的切換，始終保持噴淋泵恒壓工作。

3 發(fā)酵溫度

發(fā)酵溫度的控制直接關(guān)系著沼氣工程的成敗。作為一種能源環(huán)保型的項(xiàng)目，車庫(kù)型干法沼氣工程最佳工作溫度為35～40℃[11]。由于環(huán)境溫度的不穩(wěn)定，所以要保證原料的穩(wěn)定中溫發(fā)酵必須提供外部的熱源，這樣可選擇的方式包括鍋爐和發(fā)電機(jī)組余熱利用兩種途徑。對(duì)于大型沼氣工程利用發(fā)電機(jī)組余熱利用途徑顯然非常經(jīng)濟(jì)，但是前提是有足夠的電力使用設(shè)備或可發(fā)電上網(wǎng)[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(tǒng)的啟動(dòng)問題。無論采取哪種方式，車庫(kù)型干法沼氣工程需要外接熱源，而工程本身的自控系統(tǒng)則需要將這些熱量穩(wěn)定的分配到各個(gè)發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)。

發(fā)酵倉(cāng)要維持倉(cāng)內(nèi)原料穩(wěn)定均勻的熱量，不僅需要在倉(cāng)底部均勻鋪設(shè)采暖管，同時(shí)還需要在混凝土澆筑的倉(cāng)墻壁上鋪設(shè)。每一個(gè)倉(cāng)都利用進(jìn)水及出水的電動(dòng)閥控制，進(jìn)回水管道上均設(shè)置溫度變送器，進(jìn)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(yǎng)容器采暖管溫度控制在40～42℃，發(fā)酵倉(cāng)采暖管溫度控制在38～40℃。由于厭氧菌在短時(shí)期的劇烈溫差下會(huì)產(chǎn)生大量死亡的現(xiàn)象，所以系統(tǒng)采用低溫供熱方式。

當(dāng)發(fā)酵倉(cāng)或甲烷菌培養(yǎng)容器低于設(shè)定溫度時(shí)，提高供熱主管道溫度，最大升高溫度不宜超過2℃；當(dāng)發(fā)酵倉(cāng)或者甲烷菌培養(yǎng)容器高于設(shè)定溫度時(shí)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)電磁閥，溫度將至低于設(shè)定溫度2℃后自動(dòng)開啟。

三 高效自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)工程技術(shù)難題的分析，車庫(kù)型干法沼氣工程高效自控系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 高效自控系統(tǒng)流程圖

高效自控系統(tǒng)有5個(gè)大系統(tǒng)，其中1號(hào)系統(tǒng)為排氣系統(tǒng)，利用風(fēng)機(jī)將新鮮空氣打入發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)，然后利用倉(cāng)頂排氣管道排放至生物濾器，過濾后排放；2號(hào)系統(tǒng)為液壓門系統(tǒng)，利用控制室電磁閥及液壓電機(jī)控制液壓門的開啟與關(guān)閉；3號(hào)系統(tǒng)為供熱系統(tǒng)，高溫?zé)嵩唇?jīng)過低溫?fù)Q熱后給發(fā)酵倉(cāng)及甲烷菌培養(yǎng)容器增溫；4號(hào)系統(tǒng)為噴淋系統(tǒng)，發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)甲烷菌液流入沼液儲(chǔ)存池，再泵回甲烷菌培養(yǎng)容器，最后打入發(fā)酵倉(cāng)；5號(hào)系統(tǒng)為氣體處理系統(tǒng)，其中包括沼氣分析系統(tǒng)、廢氣燃燒系統(tǒng)及沼氣利用系統(tǒng)，經(jīng)沼氣分析系統(tǒng)確定氣體成分，當(dāng)甲烷濃度低于設(shè)定值排放至生物濾器內(nèi)，達(dá)到設(shè)定值進(jìn)入沼氣利用系統(tǒng)，沼氣利用系統(tǒng)需要檢修，利用火炬系統(tǒng)燃燒廢氣。

四 結(jié)語

車庫(kù)型干法沼氣工程近年來日益受到人們關(guān)注[13,14]，但是此類工程在我國(guó)還沒有一個(gè)成型的案例，本文就車庫(kù)型干法沼氣工程的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)了一套高效的自控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可得到以下結(jié)論：

(1)通過風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、液壓門系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)以及大型鏟車進(jìn)出料，可安全高效度過氣體防爆點(diǎn)。

(2)通過噴淋系統(tǒng)，可保證發(fā)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(chǎn)氣潛力。

(3)通過低溫采暖系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)酵倉(cāng)及甲烷菌培養(yǎng)容器內(nèi)溫度，可保障厭氧菌在穩(wěn)定的溫度下高效地生產(chǎn)沼氣。

為了更好地引進(jìn)車庫(kù)型干法沼氣發(fā)酵技術(shù)，本自控系統(tǒng)從理論上解決了干發(fā)酵的主要技術(shù)難題，為了保證工程的技術(shù)先進(jìn)及經(jīng)濟(jì)合理性，需要首先通過中試以測(cè)試自控系統(tǒng)的工業(yè)可行性，當(dāng)系統(tǒng)處于完全成熟階段后再進(jìn)行大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化安裝運(yùn)行。

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