车库型干法沼气工程高效自控系统的设计

黑龙江省农业机械工程科学研究院 农村能源中心 ■ 李剑 栾玥 罗光辉 盛力伟 李存斌

一 车库型干法沼气工程的利弊

传统的沼气发酵均采用湿法技术[1]，由于湿法技术发酵耗能高、处理原料的成本高、检修需要较长启动时间等缺点，限制了其应用的地域和范围。国外对于沼气干法发酵技术的工程化研究起步较早，20世纪70年代末到80年代[2]，美国、法国、荷兰、丹麦等国家相继建立了采用沼气干法发酵工艺处理垃圾的试验工厂，对干法发酵沼气工程技术进行了深入地研发。从90年代起，德国大量资助新型的间歇式干法沼气发酵技术的研发，90年代末，德国间歇式干法沼气工艺和装备通过了中试，2002年生产出工业级装备并投入实际运行。目前，国外的工程化沼气干法发酵技术有车库型、气袋型干湿联合型、渗滤液储存桶型和储罐型等多种技术类型[3～5]。

新型的干法沼气发酵技术与传统的湿法技术相比具有的优点有：(1)能耗低，由于干发酵采用较高含量干物质浓度进行发酵，所以处理相同重量的原料，消耗的供热能源主要用于原料自身的产气需求[6,7]。(2)预处理过程简单，干发酵适合于不同的原料，包括农作物秸秆、生活垃圾(有机质部分)、畜禽粪便等固体可发酵有机物，可大大节省预处理成本。(3)采用车库型发酵仓，发酵仓内部不设置任何机械设备，故障率低。(4)沼气质量高，由于采用高效喷淋系统，所以原料不易形成产酸过剩的问题，这样沼气中只有50～300ppm的硫化氢含量。(5)发酵仓为模块化结构，易扩展。(6)进出料设备可采用铲车，设备效率高。(7)发酵后的沼渣一般含水率≤80%，原料经过简单的干化即可用于筛分做农业肥料。(8)由于干发酵用水量较低几乎没有污水排放，有效节省了水费和污水处理费。

干法沼气发酵技术的主要缺点有：(1)发酵初期和末期需要排除仓内废气，同时也排出了部分甲烷，整体减少了原料总产气能力[8～10]；(2)进出料时需开启密封门，此时沼气与空气混合需通过防爆点，为了保证工程的安全，需要高度安全可靠的自动控制系统，由此增加了项目的初始投资。(3)发酵菌在发酵物中的繁殖速度保障，需要高效的发酵菌液喷淋回流系统，以防止管道堵塞等问题。

二 工程技术难题分析

1 防爆安全

发酵初期发酵仓内气体从空气变成甲烷含量较高的沼气，发酵末期发酵仓内从较高甲烷含量的沼气降至与新鲜空气一致，这两个过程都会经历甲烷与空气混合体积百分比在5%～15%的阶段(标准沼气8.8%～24.4%)，此时工程需要高度安全可靠的自动控制系统。

基于工程的安全可靠性要求，发酵仓仓体采用钢筋混凝土浇筑以达到强度及密封性要求。仓门采用液压门，仓顶设置换气管道，管道上设置防爆电动阀以及防爆风机。仓内设置沼气取样管道，可实时分析发酵仓内气体成分，至少分析CH4、CO2、O2、H2S 四种成分。

发酵初期仓内O2浓度较高，随着好氧微生物的作用O2逐渐耗完转入厌氧阶段，通过发酵作用产生沼气，此时气体甲烷含量较低，需要利用电动阀及风机将废气抽走，处理后排放；发酵末期原料产气能力越来越弱，当沼气流量低于设计值时，开启电动阀及风机将废气抽走，同时开启进气阀，为系统提供惰性气源(一般为二氧化碳及氮气的混合物)，当仓内甲烷值低于4%，再通入新鲜空气，至沼气分析仪分析仓内气体接近空气成分时开启密封门。操作人员可在安全距离外利用自控系统开启仓门，仓门开启后利用大型铲车进出料，以控制进出料的效率，根据实时分析的气体成分确定仓内气体是否达到标准，进出料同时保持仓内的持续通风以确保驾驶员良好的呼吸环境。

2 发酵菌繁殖速度

由于发酵原料干物质浓度较高，厌氧发酵菌不能在这种状态下长时间存活，所以发酵菌在发酵物中的繁殖速度保障需要高效的发酵菌液喷淋回流自动控制系统。

基于发酵工艺的要求，从理论上要解决此问题的最佳办法就是控制喷淋的速度及频率。首先需要有一个甲烷菌的培养容器，这个容器内有足够的厌氧菌可持续不断地喷洒到原料上，喷洒到原料上的厌氧菌在很短的时间内以有机物为底物进行厌氧反应产生沼气，然后流入沼液储存池，最后又泵送至甲烷菌培养容器，如此循环以保证系统的持续运行。

当发酵仓容积为400m3时，可考虑喷淋液流量为60m3/h，每次在单仓内喷淋5min，然后切换至下一个仓，喷淋周期保证在2h喷淋一次，至发酵末期停止喷淋以收集原料内的喷淋液。

工程运行时可以利用沼液储存池内液位计控制回流菌液及时泵送至甲烷菌培养容器，通过仓顶喷淋管道上电磁阀控制仓内菌液喷淋设定时间后，停止喷淋等待菌液从上部流经原料后回到沼液储存池，通过不同发酵仓的切换，始终保持喷淋泵恒压工作。

3 发酵温度

发酵温度的控制直接关系着沼气工程的成败。作为一种能源环保型的项目，车库型干法沼气工程最佳工作温度为35～40℃[11]。由于环境温度的不稳定，所以要保证原料的稳定中温发酵必须提供外部的热源，这样可选择的方式包括锅炉和发电机组余热利用两种途径。对于大型沼气工程利用发电机组余热利用途径显然非常经济，但是前提是有足够的电力使用设备或可发电上网[12]；使用锅炉则包括使用化石能源锅炉和沼气锅炉两种，沼气锅炉则涉及到系统的启动问题。无论采取哪种方式，车库型干法沼气工程需要外接热源，而工程本身的自控系统则需要将这些热量稳定的分配到各个发酵仓内。

发酵仓要维持仓内原料稳定均匀的热量，不仅需要在仓底部均匀铺设采暖管，同时还需要在混凝土浇筑的仓墙壁上铺设。每一个仓都利用进水及出水的电动阀控制，进回水管道上均设置温度变送器，进水主管道温度维持在50℃，回水主管道温度维持在40℃，甲烷菌培养容器采暖管温度控制在40～42℃，发酵仓采暖管温度控制在38～40℃。由于厌氧菌在短时期的剧烈温差下会产生大量死亡的现象，所以系统采用低温供热方式。

当发酵仓或甲烷菌培养容器低于设定温度时，提高供热主管道温度，最大升高温度不宜超过2℃；当发酵仓或者甲烷菌培养容器高于设定温度时，关闭对应电磁阀，温度将至低于设定温度2℃后自动开启。

三 高效自控系统设计

通过对工程技术难题的分析，车库型干法沼气工程高效自控系统流程图如图1所示。

图1 高效自控系统流程图

高效自控系统有5个大系统，其中1号系统为排气系统，利用风机将新鲜空气打入发酵仓内，然后利用仓顶排气管道排放至生物滤器，过滤后排放；2号系统为液压门系统，利用控制室电磁阀及液压电机控制液压门的开启与关闭；3号系统为供热系统，高温热源经过低温换热后给发酵仓及甲烷菌培养容器增温；4号系统为喷淋系统，发酵仓内甲烷菌液流入沼液储存池，再泵回甲烷菌培养容器，最后打入发酵仓；5号系统为气体处理系统，其中包括沼气分析系统、废气燃烧系统及沼气利用系统，经沼气分析系统确定气体成分，当甲烷浓度低于设定值排放至生物滤器内，达到设定值进入沼气利用系统，沼气利用系统需要检修，利用火炬系统燃烧废气。

四 结语

车库型干法沼气工程近年来日益受到人们关注[13,14]，但是此类工程在我国还没有一个成型的案例，本文就车库型干法沼气工程的生产工艺设计了一套高效的自控系统，通过该系统可得到以下结论：

(1)通过风机系统、液压门系统、排气系统以及大型铲车进出料，可安全高效度过气体防爆点。

(2)通过喷淋系统，可保证发酵菌液均匀高效的喷洒至原料上，最大限度地提高原料的产气潜力。

(3)通过低温采暖系统，可实时监控发酵仓及甲烷菌培养容器内温度，可保障厌氧菌在稳定的温度下高效地生产沼气。

为了更好地引进车库型干法沼气发酵技术，本自控系统从理论上解决了干发酵的主要技术难题，为了保证工程的技术先进及经济合理性，需要首先通过中试以测试自控系统的工业可行性，当系统处于完全成熟阶段后再进行大规模的产业化安装运行。

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