沼气干式发酵装置与技术的研究进展

陈 程，王金丽，郑 勇，何 真*，张窝羊，俞国燕，刘长亮

(1.广东海洋大学工程学院，广东湛江524088;2.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东湛江524091)

2013年国务院印发的《能源发展“十二五”规划》中提到“构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系，对于保障我国经济社会可持续发展具有重要战略意义”，指出沼气将作为农村可再生能源建设重点工程［1］。沼气工程的发展有利于建设稳定、安全、经济、清洁的现代能源产业体系，支持国家经济的稳步发展。沼气干式厌氧发酵技术作为未来沼气能源制取的一个重要途径，与其相关的发酵装置和监控方法就成为国内外学者的研究热点。笔者在此简单介绍了干式发酵装置的3种主要类型，对实现干式发酵系统自动化控制的相关技术、设备进行了深入分析，重点对发酵装置数据采集所用传感器和监测技术进行了总结，详细分析了基于PLC、基于单片机和利用LabVIEW的沼气监控系统的特点，展望了未来沼气工程的发展趋势。

1 沼气干式发酵及其装置概述

干式厌氧发酵是指用一些干物质浓度在20%以上的物料作为生产原料，由于厌氧菌的作用，产生含CH4、CO2等成分气体的发酵工艺［2－3］。这种发酵方式无污染、低能耗(可利用好氧发酵升温)、气肥联产经济效益高，但与最佳微生物生长环境相矛盾，原料能源利用率偏低、厌氧反应器即时进出料难，且在这种反应方式中还需要控制好接种物与新料的混合程度。在沼气干式发酵整个工艺流程中(图1)，原料先进入好氧发酵棚进行人工物料预处理，再投入混料机中与接种物进行充分混合，最后进入发酵罐厌氧发酵。产生的沼气通过凝水器、脱硫罐之后达到标准可用沼气，进入用户使用。在出料口产生的沼渣少数一部分作为接种物进行二次发酵，其余的可用于生产有机肥料。在沼气产生的整个过程中，从物料的混合到进入发酵罐发酵均需要相应的物料处理与监控装置，并对发酵所产生的气体成分实时监控采集，以保证达到最高的沼气产气率和操作安全。

近年来随着沼气工程的推广，有关于沼气干式发酵技术及其装备的研究不断深入，其中最主要的3种干式发酵装置类型如下:

(1)车库式发酵装置。车库式发酵装置采用混凝土车库型反应器结构，高精度的液压驱动密封门。这种发酵系统没有安装特殊的机械搅拌装置，它主要依靠发酵后的沼液回流喷淋装置，把沼液作为接种物与物料混合，使接种物与物料发生传质、传热和生化反应［4］。典型的 BIOFerm工艺与BEKON工艺均采用的是车库型发酵装置。

(2)机械式搅拌装置。机械式搅拌装置有立式与卧式的不同发酵灌装置，均是在进料口通过螺旋输入，内部螺旋泵搅拌混合，再通过出口处螺旋推送出。典型的Kompogas工艺和BRV工艺［5］便是这种搅拌方式。

(3)推流式发酵装置。推流式发酵装置是一种内部没有搅拌装置，通过物料自身的重力、废物的塞运动和生物气产生的气泡实现混合的发酵装置。推流式发酵装置有立式和卧式之分，从Dranco推流式发酵装置到Valorga立式推流式搅拌装置［6］，装置功能在不断地优化，从一开始的自然混合到后面的加热增压混合给整个工艺带来更多益处。

3种发酵装置的特性比较如表1所示。

表1 典型发酵装置比较

2 沼气工程监控系统发展现状

在沼气发酵过程中，需要对整个工艺过程进行实时监控，实现整个发酵过程的智能化。整个监控过程主要可分为以下几个部分:①检测沼气的温度、压力、气体成分、pH等必要物理量;②对检测的数据进行读取，数模转换;③通过有线或无线传输监测所得到的数据;④通过终端控制界面控制发酵过程，监控数据并作出动态调整，优化生产过程以得到更好的产气率。整个系统的监控结构如图2所示。

2.1 沼气监控系统中的传感器和检测技术 沼气监控系统中，各项数据的检测与采集需通过传感器以及其他特定器材的配合使用，所得数据转换为电信号或其他形式输出，再实时转换以实现远程监控与反馈。在沼气工程的数据采集中，需要采集的数据类型有发酵罐内参数(压力、温度、pH等)、发酵装置运行过程中外部设备参数(搅笼正反转、原料运输量、电机转速和启停等)、发酵后物料物化参数(挥发性脂肪酸等)。为了采集这些数据，将用到大量传感器和一些特殊的检测技术，且所用采集设备和检测技术正朝着更为精确的方向发展。当前沼气工程中主要数据采集所用传感器和部分物化参数检测技术如表2～3所示。

2.2 沼气工程监控系统研发现状 沼气工程的监控系统正从原先单一的底层(下位机)自动控制向着基于计算机技术、人工智能的智能控制方向发展。其中下位机控制系统主要分为基于PLC的沼气监控系统和基于单片机的沼气监控系统。

表2 沼气监控系统中的主要传感器

表3 沼气监控系统中的物化参数检测技术

2.2.1 下位机监控系统分类。

2.2.1.1 基于PLC的沼气监控系统。PLC是目前使用较多的开发形式，PLC本身有着较多的优点，如耐用、故障排查方便;编程简单，一般用语句表和梯形图编写;操作使用简单，技术含量低;功能性强。在沼气工程发酵系统中一般用PLC采集和调控模拟信号、开关量，在下位机中处理好各种数值，可保持与上位机的通讯。如诸刚等的设计中下位机便是以S7-200 PLC为核心［7－9］，张影微等则是利用 S7-300PLC 编写控制程序［10］，这2种虽然是不同类型的PLC型号，但均使整个沼气发酵装置在运行中更加可靠、安全。由于PLC的集成化和配置灵活化，让整个发酵系统组建难度降低，更有利于提高监控扩展性，使整个工程的实时监控、数据采集更可靠。

2.2.1.2 基于单片机的沼气监控系统。单片机由于体积小、易嵌入、实时性好等特点也常用于沼气工程。在单片机的使用工程中发现它确实使用简单，且可以降低生产成本，但它的维护性比较差，有系统故障时很难找出，需要直接更换单片机，不利于整个工程的长期使用与维护。如刘雪梅等就以AT89C51单片机为核心，配以检测电路、报警电路、显示电路、温控电路组成新的温度控制系统，实现了冬季沼气池温度控制问题，保证沼气生产的连续性［11］。孟晓丽利用基于单片机的沼气设备通用控制器监控沼气中温度、压力、浓度、流量等一些列指标，达到各项指标随时监控调节［12］。

2.2.2 上位机监控系统分类。上位机主要是对沼气工程现场状况的实时监控的显示，并可以随时控制现场状况，它的数据来自于下位机的采集，所以说传输信号的稳定性至关重要。上位机作为显示结果界面一般会采用工控机或触摸屏，在Windows平台下采用组态软件。组态软件又称为监控组态软件，可用于数据采集与监控。它有着强大的界面显示功能、极好的开放性、强大的数据库、可编程语言、功能模块相当丰富及仿真功能，可以实现系统中的系统设计、系统参数组态、通讯组态、图形菜单组态、图形编辑、图形动态、文本编辑、报表显示、故障报警组态、历史报表组态等。目前常见的组态软件有德国Simenss公司的WinCC、美国Wonderwre公司的Intouch、Intellution公司的FIX系统、昆仑公司的MCGS、亚控公司的KingView组态王、三维公司的力控等。如魏东辉等用的就是力控组态软件［13］，官雪芳等采用Intouch组态软件［14］，而杨鹏跃等则用了Wincc6.0［15］。与此同时可通过C++Builder6.0和VC++6.0等组态编程语言，实现系统中的密码权限管理、数据采集、参数设定、报警画面、历史记录及与下位机的通讯。

目前，LabVIEW作为一种基于图形编程的虚拟仪器，与上述组态软件一样拥有工程界面设计功能，同时具备数据采集、分析、模拟等诸多功能。在沼气工程中利用LabVIEW作为上位机，可以通过配套的数据采集卡采集数据，简化监控中系统上下位机通讯问题，缩短通讯时间，如李卉萍等使用虚拟仪器LabVIEW对沼气工程的主要参数实现了实时采集、智能监控［16］;赵利利采用虚拟仪器技术对沼气工程中的传感器进行信号采集，并对整个过程中的阀门信号进行自动化控制，实现了发酵系统中的关键参数温度的恒温控制和上位机智能调控，且使沼气工程中的每个工艺步骤基本可实现自动化控制，提高了沼气产气率［17］。由于LabVIEW的价格偏高，目前的沼气工程监控系统中并未得到广泛应用，随着社会发展和研究深入，这种系统在不久的将来会得到很好的发展。

3 小结

近年来随着沼气工程的推广，有关于沼气干式发酵技术及其装备的研究不断深入，但随着沼气工程的推广应用，需要结合沼气建造区域环境、技术、经济等因素综合考虑采用何种干式沼气发酵装置，并研发相应的监控系统。随着计算机、网络、人工智能等技术的发展，未来的沼气工程将会向着以下方向发展:①沼气发酵装置形式向多样化发展，成本降低，扩大使用范围;②数据检测方法、检测设备在逐渐增多，沼气工程中监控的数据内容更为全面、具体、可靠;③整个沼气工程由手动向自动发展，逐步实现自动化、智能化、网络化。

［1］能源发展“十二五”规划［EB/OL］.(2013－01－30)［2014－09－28］.http://www.biogas.cn/CN/B_PolicyDetails.aspx?pid=aea98b5d －bd81－4d97－a1 f7－c8fc4d192492＆pnme=能源发展“十二五”规划＆tid=62063c9b－1e62－4b17－a28d－51291a5d04ce＆tnme=政策法规.

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［4］邱荣娥.干法厌氧发酵反应器设计与启动实验研究［D］.武汉:华中科技大学，2012.

［5］PARTL H.Independent Review of the KOMPOGAS Technology［R］.Australia，2006.

［6］NICHOLS C E.Overview of anaerobic digestion technologies in Europe［J］.Bio Cycle，2004，45(1):47 －53.

［7］诸刚.沼气发酵装置自动监控系统的实现［J］.机电产品开发与创新，2013(1):139－141.

［8］胡万里，刘荣厚，杜章永.基于S7－200的大中型软体沼气工程控制系统设计［J］.农机化研究，2013，35(11):215 －217.

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［11］刘雪梅，章海亮.基于单片机的沼气发酵装置增温控制系统设计［J］.中国农机化，2012(1):166 －168，172.

［12］孟晓丽.基于单片机的沼气设备通用控制器研究［J］.电子测试，2013(6):76－77.

［13］魏东辉，李文哲.PLC和组态软件在沼气生产中的应用［J］.农机化研究，2010(3):196 －198.

［14］官雪芳，徐庆贤，林碧芬，等.智能化大型沼气池高效产气自控系统［J］.福建农业学报，2013(2):166 －171.

［15］杨鹏跃，李伟清.PLC自动控制在沼气发电中的应用［J］.农机化研究，2013，35(2):233 －236.

［16］李卉萍，赵小磊.基于LabVIEW的沼气恒温监控系统的研究与应用［J］.中国沼气，2014(3):51 －54，68.

［17］赵利利.基于LabVIEW大中型沼气工程监测和控制系统设计［D］.太原:太原理工大学，2013.