沼氣干式發(fā)酵裝置與技術(shù)的研究進(jìn)展

陳 程，王金麗，鄭 勇，何 真*，張窩羊，俞國燕，劉長亮

(1.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東湛江524088;2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東湛江524091)

2013年國務(wù)院印發(fā)的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中提到“構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，對于保障我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義”，指出沼氣將作為農(nóng)村可再生能源建設(shè)重點(diǎn)工程［1］。沼氣工程的發(fā)展有利于建設(shè)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，支持國家經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展。沼氣干式厭氧發(fā)酵技術(shù)作為未來沼氣能源制取的一個(gè)重要途徑，與其相關(guān)的發(fā)酵裝置和監(jiān)控方法就成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。筆者在此簡單介紹了干式發(fā)酵裝置的3種主要類型，對實(shí)現(xiàn)干式發(fā)酵系統(tǒng)自動化控制的相關(guān)技術(shù)、設(shè)備進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)對發(fā)酵裝置數(shù)據(jù)采集所用傳感器和監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，詳細(xì)分析了基于PLC、基于單片機(jī)和利用LabVIEW的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，展望了未來沼氣工程的發(fā)展趨勢。

1 沼氣干式發(fā)酵及其裝置概述

干式厭氧發(fā)酵是指用一些干物質(zhì)濃度在20%以上的物料作為生產(chǎn)原料，由于厭氧菌的作用，產(chǎn)生含CH4、CO2等成分氣體的發(fā)酵工藝［2－3］。這種發(fā)酵方式無污染、低能耗(可利用好氧發(fā)酵升溫)、氣肥聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益高，但與最佳微生物生長環(huán)境相矛盾，原料能源利用率偏低、厭氧反應(yīng)器即時(shí)進(jìn)出料難，且在這種反應(yīng)方式中還需要控制好接種物與新料的混合程度。在沼氣干式發(fā)酵整個(gè)工藝流程中(圖1)，原料先進(jìn)入好氧發(fā)酵棚進(jìn)行人工物料預(yù)處理，再投入混料機(jī)中與接種物進(jìn)行充分混合，最后進(jìn)入發(fā)酵罐厭氧發(fā)酵。產(chǎn)生的沼氣通過凝水器、脫硫罐之后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)可用沼氣，進(jìn)入用戶使用。在出料口產(chǎn)生的沼渣少數(shù)一部分作為接種物進(jìn)行二次發(fā)酵，其余的可用于生產(chǎn)有機(jī)肥料。在沼氣產(chǎn)生的整個(gè)過程中，從物料的混合到進(jìn)入發(fā)酵罐發(fā)酵均需要相應(yīng)的物料處理與監(jiān)控裝置，并對發(fā)酵所產(chǎn)生的氣體成分實(shí)時(shí)監(jiān)控采集，以保證達(dá)到最高的沼氣產(chǎn)氣率和操作安全。

近年來隨著沼氣工程的推廣，有關(guān)于沼氣干式發(fā)酵技術(shù)及其裝備的研究不斷深入，其中最主要的3種干式發(fā)酵裝置類型如下:

(1)車庫式發(fā)酵裝置。車庫式發(fā)酵裝置采用混凝土車庫型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，高精度的液壓驅(qū)動密封門。這種發(fā)酵系統(tǒng)沒有安裝特殊的機(jī)械攪拌裝置，它主要依靠發(fā)酵后的沼液回流噴淋裝置，把沼液作為接種物與物料混合，使接種物與物料發(fā)生傳質(zhì)、傳熱和生化反應(yīng)［4］。典型的 BIOFerm工藝與BEKON工藝均采用的是車庫型發(fā)酵裝置。

(2)機(jī)械式攪拌裝置。機(jī)械式攪拌裝置有立式與臥式的不同發(fā)酵灌裝置，均是在進(jìn)料口通過螺旋輸入，內(nèi)部螺旋泵攪拌混合，再通過出口處螺旋推送出。典型的Kompogas工藝和BRV工藝［5］便是這種攪拌方式。

(3)推流式發(fā)酵裝置。推流式發(fā)酵裝置是一種內(nèi)部沒有攪拌裝置，通過物料自身的重力、廢物的塞運(yùn)動和生物氣產(chǎn)生的氣泡實(shí)現(xiàn)混合的發(fā)酵裝置。推流式發(fā)酵裝置有立式和臥式之分，從Dranco推流式發(fā)酵裝置到Valorga立式推流式攪拌裝置［6］，裝置功能在不斷地優(yōu)化，從一開始的自然混合到后面的加熱增壓混合給整個(gè)工藝帶來更多益處。

3種發(fā)酵裝置的特性比較如表1所示。

表1 典型發(fā)酵裝置比較

2 沼氣工程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

在沼氣發(fā)酵過程中，需要對整個(gè)工藝過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)酵過程的智能化。整個(gè)監(jiān)控過程主要可分為以下幾個(gè)部分:①檢測沼氣的溫度、壓力、氣體成分、pH等必要物理量;②對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，數(shù)模轉(zhuǎn)換;③通過有線或無線傳輸監(jiān)測所得到的數(shù)據(jù);④通過終端控制界面控制發(fā)酵過程，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并作出動態(tài)調(diào)整，優(yōu)化生產(chǎn)過程以得到更好的產(chǎn)氣率。整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 沼氣監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器和檢測技術(shù) 沼氣監(jiān)控系統(tǒng)中，各項(xiàng)數(shù)據(jù)的檢測與采集需通過傳感器以及其他特定器材的配合使用，所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號或其他形式輸出，再實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與反饋。在沼氣工程的數(shù)據(jù)采集中，需要采集的數(shù)據(jù)類型有發(fā)酵罐內(nèi)參數(shù)(壓力、溫度、pH等)、發(fā)酵裝置運(yùn)行過程中外部設(shè)備參數(shù)(攪籠正反轉(zhuǎn)、原料運(yùn)輸量、電機(jī)轉(zhuǎn)速和啟停等)、發(fā)酵后物料物化參數(shù)(揮發(fā)性脂肪酸等)。為了采集這些數(shù)據(jù)，將用到大量傳感器和一些特殊的檢測技術(shù)，且所用采集設(shè)備和檢測技術(shù)正朝著更為精確的方向發(fā)展。當(dāng)前沼氣工程中主要數(shù)據(jù)采集所用傳感器和部分物化參數(shù)檢測技術(shù)如表2～3所示。

2.2 沼氣工程監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀 沼氣工程的監(jiān)控系統(tǒng)正從原先單一的底層(下位機(jī))自動控制向著基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能的智能控制方向發(fā)展。其中下位機(jī)控制系統(tǒng)主要分為基于PLC的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)和基于單片機(jī)的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)。

表2 沼氣監(jiān)控系統(tǒng)中的主要傳感器

表3 沼氣監(jiān)控系統(tǒng)中的物化參數(shù)檢測技術(shù)

2.2.1 下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)分類。

2.2.1.1 基于PLC的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)。PLC是目前使用較多的開發(fā)形式，PLC本身有著較多的優(yōu)點(diǎn)，如耐用、故障排查方便;編程簡單，一般用語句表和梯形圖編寫;操作使用簡單，技術(shù)含量低;功能性強(qiáng)。在沼氣工程發(fā)酵系統(tǒng)中一般用PLC采集和調(diào)控模擬信號、開關(guān)量，在下位機(jī)中處理好各種數(shù)值，可保持與上位機(jī)的通訊。如諸剛等的設(shè)計(jì)中下位機(jī)便是以S7-200 PLC為核心［7－9］，張影微等則是利用 S7-300PLC 編寫控制程序［10］，這2種雖然是不同類型的PLC型號，但均使整個(gè)沼氣發(fā)酵裝置在運(yùn)行中更加可靠、安全。由于PLC的集成化和配置靈活化，讓整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)組建難度降低，更有利于提高監(jiān)控?cái)U(kuò)展性，使整個(gè)工程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集更可靠。

2.2.1.2 基于單片機(jī)的沼氣監(jiān)控系統(tǒng)。單片機(jī)由于體積小、易嵌入、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)也常用于沼氣工程。在單片機(jī)的使用工程中發(fā)現(xiàn)它確實(shí)使用簡單，且可以降低生產(chǎn)成本，但它的維護(hù)性比較差，有系統(tǒng)故障時(shí)很難找出，需要直接更換單片機(jī)，不利于整個(gè)工程的長期使用與維護(hù)。如劉雪梅等就以AT89C51單片機(jī)為核心，配以檢測電路、報(bào)警電路、顯示電路、溫控電路組成新的溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了冬季沼氣池溫度控制問題，保證沼氣生產(chǎn)的連續(xù)性［11］。孟曉麗利用基于單片機(jī)的沼氣設(shè)備通用控制器監(jiān)控沼氣中溫度、壓力、濃度、流量等一些列指標(biāo)，達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)隨時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)［12］。

2.2.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)分類。上位機(jī)主要是對沼氣工程現(xiàn)場狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控的顯示，并可以隨時(shí)控制現(xiàn)場狀況，它的數(shù)據(jù)來自于下位機(jī)的采集，所以說傳輸信號的穩(wěn)定性至關(guān)重要。上位機(jī)作為顯示結(jié)果界面一般會采用工控機(jī)或觸摸屏，在Windows平臺下采用組態(tài)軟件。組態(tài)軟件又稱為監(jiān)控組態(tài)軟件，可用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。它有著強(qiáng)大的界面顯示功能、極好的開放性、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫、可編程語言、功能模塊相當(dāng)豐富及仿真功能，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)、通訊組態(tài)、圖形菜單組態(tài)、圖形編輯、圖形動態(tài)、文本編輯、報(bào)表顯示、故障報(bào)警組態(tài)、歷史報(bào)表組態(tài)等。目前常見的組態(tài)軟件有德國Simenss公司的WinCC、美國Wonderwre公司的Intouch、Intellution公司的FIX系統(tǒng)、昆侖公司的MCGS、亞控公司的KingView組態(tài)王、三維公司的力控等。如魏東輝等用的就是力控組態(tài)軟件［13］，官雪芳等采用Intouch組態(tài)軟件［14］，而楊鵬躍等則用了Wincc6.0［15］。與此同時(shí)可通過C++Builder6.0和VC++6.0等組態(tài)編程語言，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的密碼權(quán)限管理、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警畫面、歷史記錄及與下位機(jī)的通訊。

目前，LabVIEW作為一種基于圖形編程的虛擬儀器，與上述組態(tài)軟件一樣擁有工程界面設(shè)計(jì)功能，同時(shí)具備數(shù)據(jù)采集、分析、模擬等諸多功能。在沼氣工程中利用LabVIEW作為上位機(jī)，可以通過配套的數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，簡化監(jiān)控中系統(tǒng)上下位機(jī)通訊問題，縮短通訊時(shí)間，如李卉萍等使用虛擬儀器LabVIEW對沼氣工程的主要參數(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集、智能監(jiān)控［16］;趙利利采用虛擬儀器技術(shù)對沼氣工程中的傳感器進(jìn)行信號采集，并對整個(gè)過程中的閥門信號進(jìn)行自動化控制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)溫度的恒溫控制和上位機(jī)智能調(diào)控，且使沼氣工程中的每個(gè)工藝步驟基本可實(shí)現(xiàn)自動化控制，提高了沼氣產(chǎn)氣率［17］。由于LabVIEW的價(jià)格偏高，目前的沼氣工程監(jiān)控系統(tǒng)中并未得到廣泛應(yīng)用，隨著社會發(fā)展和研究深入，這種系統(tǒng)在不久的將來會得到很好的發(fā)展。

3 小結(jié)

近年來隨著沼氣工程的推廣，有關(guān)于沼氣干式發(fā)酵技術(shù)及其裝備的研究不斷深入，但隨著沼氣工程的推廣應(yīng)用，需要結(jié)合沼氣建造區(qū)域環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素綜合考慮采用何種干式沼氣發(fā)酵裝置，并研發(fā)相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，未來的沼氣工程將會向著以下方向發(fā)展:①沼氣發(fā)酵裝置形式向多樣化發(fā)展，成本降低，擴(kuò)大使用范圍;②數(shù)據(jù)檢測方法、檢測設(shè)備在逐漸增多，沼氣工程中監(jiān)控的數(shù)據(jù)內(nèi)容更為全面、具體、可靠;③整個(gè)沼氣工程由手動向自動發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

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