沼气工程装备研究应用现状与展望

孙振锋

(河北省新能源技术推广站， 河北 石家庄 050021)

1 沼气工程装备概述

沼气工程装备是进行沼气发酵的保障，从原料预处理到沼气产品的处理和利用，都需要沼气工程装备提供良好的环境条件[2]。在过去很长一段时间内，我国对沼气工程的研究重点都围绕在沼气发酵技术上，忽略了对沼气工程装备技术的研究和开发。随着发酵技术水平的提高，国内逐步意识到沼气工程装备对沼气发酵同样具有很大影响，先进配套的装备技术不仅可以提高产气率，还能节约大量的人力以及成本。我国沼气装备自动化程度低，从原料预处理到沼液沼渣利用，许多作业环节都是依靠人工运行。在一些企业中，工人们工作环境非常恶劣，刺鼻的气味、破旧的设备等严重威胁工人的人身健康。于企业而言，人工成本高昂，人工操作存在失误、检测不及时等客观因素，降低了沼气的生产效率和企业效益。因此随着厌氧发酵的深入研究，急需发展出与我国沼气技术配套，制造精良的沼气装备。

欧洲的沼气工程在20世纪90年代进入快速发展期，到2000年以后欧洲的沼气产业更是得到了迅猛发展[1]。由表1可知，我国沼气是在政府支持下，以解决生态环境问题为主要出发点，与欧洲成熟的工业化发展相比，无论是在技术水平还是管理水平上都处于落后阶段。在沼气装备上，欧洲研制出了机械化、自动化程度高的沼气系列装备，已经实现无人值守的管理模式及机械化原料输送，我国的沼气工程装备发展程度低，目前主要还是采用效率低下的人工作业；在欧洲，沼液应用与装备设计一体考虑，采用机械化发展模式，我国沼液处理的应用与装备设计独立进行，机械化程度较低。综合来看，我国的沼气工程装备技术与欧洲相比还有较大差距。

表1 欧洲和中国沼气工程技术比较

2 沼气工程原料预处理及输送装备

2.1 原料的粉碎预处理

沼气发酵的原料包括畜禽粪便、农作物秸秆、餐厨垃圾等[2-4]，为了提高产气率，在发酵前通常需要对原料进行预处理。例如为了使原料能够混合得更加均匀，需要对原料进行粉碎处理。在工程装备上，我国已经研制出了相关的粉碎预处理装备，但是这些装备因为破碎功率、技术指标等未形成标准化，性能存在很大的差异性。在秸秆破碎技术上，欧洲普遍使用大型秸秆青贮联合收获机进行作业，这种大型收获机能够一次性完成收割、切碎和运输秸秆，既提高了生产效率，也降低了成本[3]。国内将秸秆收购以后，通常先运输到厂房，再用秸秆切碎机粉碎，这种作业方式不仅效率低下、生产成本高，与欧洲的青贮联合收获机相比，粉碎质量也相对较差。

在匀浆预处理上，欧洲沼气工程中常用的切碎机主要有两种:一是刀片-孔盘组合式切碎机，这种切碎机工作部件是由开有众多孔固定式控盘和在控盘附近的旋转刀片组成[5]。工作原理是原料中的杂物通过固定式孔盘的小孔时，旋转刀片对通过的匀浆进行切割，通过调节旋转刀片的转速来控制切割物的形状大小，增大旋转刀片的转速切割物形状减小，减小旋转刀片的转速切割后的杂物形状增大。另一种是滚剪切式切碎机，根据旋转凸轮泵的双转子原理，设计了一种与转子旋转凸轮转子不同的滚切式斩波器。这种斩波器由两套相对转动的圆盘刀组成，通过选择叶片类型和控制叶片与圆盘刀的相对位置，调节废弃物的破碎程度[7]。我国匀浆切碎装备才刚刚起步，距离国外的切碎机械还有很大差距，特别是在粗杂分离与较大杂物切碎方面。

2.2 原料输送

在沼气工程中，液态浆料输送和固态碎秸秆输送是最常见的两种原料的输送方式。国内的沼气工程大多数是以畜禽粪便为发酵原料[3],因此常选用螺杆泵作为输送泵。螺杆泵具有工作效率高、使用寿命长、噪声低等特点，但同时螺杆泵耗能较大，维修的费用比较高，并且无法输送物料总固体浓度超过25%的原料。在欧洲，为了解决这些问题，沼气工程上通常采用凸轮转子泵或者高密度固体泵来代替螺杆泵，凸轮转子泵可以通过转速调节泵流量，转速越高，流量越大，且能输送粘度、粒度较大的物料。凸轮转子泵还具有逆向运转功能，通过改变转子的方向，便可完成泵的装、卸工作。固体输送泵适应性强，输送距离广，可以输送管径60%～70%大小，TS 20%～40%浓度的原料，输送距离达到200 m[7]。我国目前没有成熟的固态秸秆输送设备，主要是由于秸秆流动性差、输送不稳定等关键性问题没有解决，限制了我国原料输送装备的发展。

3 沼气发酵装置及搅拌装备

3.1 沼气发酵装置

沼气发酵装置是为沼气发酵提供场所的主要装置，是沼气发酵过程稳定进行的重要保障，也是处理废弃物、生产清洁沼气的专用设备[2，8-14]。沼气发酵装置根据材料不同可分为钢混凝土沼气发酵装置、钢结构沼气发酵装置和非金属沼气发酵装置，其中钢混凝土的沼气发酵装置在传统的沼气工程中得到广泛应用[15]，这种结构的发酵装置建造难度大、工期长[16-18]。

钢结构沼气发酵装置的建设材料为钢材，根据制造工艺的不同主要分为利浦罐、拼装罐和焊接罐3种形式。利浦罐主要材料是不锈钢复合板或镀锌钢板，通过专用设备将钢材按照“螺旋、双折边、咬合”的制造工艺，卷制成不同体积的利浦池，然后镶嵌以钢混结构为基础的底部，利浦罐相对于钢混结构沼气发酵装置质量轻，减少了上部结构对底部的作用力，因此底板厚度、混凝土用量都相应减少[19]。利浦罐具有占地面积小、建设时间短、生产成本低等特点。焊接罐制造时，将不同规格的钢板运输到现场进行焊接。现场焊接是一个繁琐的作业过程，工人劳动强度大，对焊接技术要求高并且容易受到环境的影响；拼装罐其主要材料是碳钢钢板，将碳钢加工成型后只需对钢板进行电泳漆或热喷涂处理，便可在现场进行拼接，工人劳动强度小，并且建造周期短[20]。电泳漆拼装罐和热喷涂拼装罐是两种比较常见的拼装罐。

随着沼气工程装备的发展，非金属材料的沼气发酵装置也逐渐发展起来，常见的非金属沼气发酵装置主要有两种[20]。一种是新型柔性搪瓷装配板，装配板表面喷有搪瓷，能够有效阻止装置表面腐蚀，具有耐酸、耐碱、维修方便、外形美观等特点[21]。这种装配板可以在施工基地直接进行拼装，施工周期短、使用寿命长，并且相对于碳钢结构的沼气发酵装置生产成本也低。国家环保总局将这该项技术作为国家重点环境保护实用技术，目前已经在国内的多处沼气工程中投入使用。另一种是以玻璃纤维和树脂为材料制成的玻璃钢沼气发酵装置，这种装置具有良好的耐腐蚀性，能够对空气土壤中的水、酸性、碱性物质具有良好的抵抗能力。玻璃钢的导热系数只有1.42 kJ·m-1h-1℃，大约是钢筋混凝土的1/4，具有良好的保温性能[22]。玻璃钢复合材料综合了树脂和玻璃纤维材质轻、力学性能好的优势，只需要10 mm的壁厚就能满足作业要求。由于玻璃钢沼气发酵装置工作性能好、生产成本低且使用寿命长，正逐渐受到广大企业的欢迎。

此外，我国北方冬季温度较低，沼气池中发酵温度较低，产气率不理想。为了解决此类问题，肖国良[23]等研究了一种附有太阳能系统的可移动式沼气发酵装置，沼气池的结构主要由钢架结构、加热装置、搅拌器、保温层和进出口5部分组成。在加热系统中，光伏板为循环泵提供电源，循环泵将太阳能热水器中的热水通过水管泵入沼气发酵装置中，为沼气发酵装置提供热量，实验表明，经过加热的沼气发酵装置比普通沼气发酵装置的产气含量有明显提升。沼气发酵装置内部的环境温度对产气率的影响极大，在我国很多地区，季节性温度差大、昼夜温差大这些因素都严重限制了沼气工程的发展。因此，研究一种内部具有自动温度调节装置的沼气发酵装置将是一个崭新的方向，自动调节装置通过与外部的热源相连接，进行吸热、散热保持恒温。

3.2 搅拌设备

厌氧发酵中机械搅拌是最有效、耗能最少的搅拌方式。机械搅拌是利用搅拌叶片转动来达到物料混合的过程。在传统的沼气工程，大约55%的在沼气发酵装置采用1个搅拌器，随着发酵原料的浓度提高，越来越多的沼气工程会在1个沼气发酵装置内安装2个或者3个搅拌器[24]。机械搅拌关键问题在于搅拌叶片的选型设计，相对于化学工业上搅拌叶片已经形成的标准化，沼气工程搅拌叶片的研究才刚刚起步[25]。

水力搅拌是指通过水循环带动原料流动达到物料混合的过程，这种搅拌设备有两种：一种是在沼气发酵装置外部或者内部安装导流筒螺旋泵；另一种是在沼气发酵装置外部安装管道系统、离心泵以及螺旋泵。此外，为了增强水力循环的效果，还可以在沼气发酵装置内部安装水力喷射器等辅助装置[24]。相对于机械搅拌而言，水力循环安装维护更加方便，所以一般沼气工程中多采用水力循环，具体参数是根据沼气发酵装置规模进行选择。

气体搅拌是指气体在物料中运动使物料循环达到混合物料的过程。在沼气工程中，通常选择沼气作为气体循环介质。以竖管式气体搅拌为例，在沼气发酵装置中安装数根平行竖管，工作时，加压泵将储存在集气柜中的沼气抽出并加压，输送到平行竖管内，高压沼气从竖管另一侧喷出，带动物料循环流动[26]。虽然相对于机械搅拌和水力搅拌而言，气体搅拌在沼气发酵装置中安装的设备更少，设备成本也更低，但是气体搅拌在高浓度物料中搅拌效果较低。

4 沼气工程装备发展趋势展望

4.1 沼气工程装备与自动化控制系统相结合

沼气发酵是一个复杂的生化反应过程，需要在一定的温度、酸碱度、浓度等环境中进行，反应过程中除了会产生甲烷外，还会产生硫化氢、水蒸气、二氧化碳、氢气、氮气等杂质气体。因此，为了提高发酵效率，需要对沼气发酵装置中的温度、酸碱度等反应条件进行监测，在这些参数超出发酵所需要的设置范围后及时进行调节。对于具有污染环境以及腐蚀设备的杂质性气体要进行在线监测，避免对环境以及设备产生危害。人工监测常常具有不及时、误差大、操作难度高等特点，因此沼气工程装备急需与自动化控制系统相结合，提高企业的生产效率、节约劳力与生产成本。我国沼气工程装备自动化控制起步晚、自动化控制程度低，还处于发展阶段。沼气工程装备与自动化控制系统相结合是未来的重要发展方向。

4.2 沼气工程装备标准化与成套化

目前，我国沼气装备距离形成产业化还有较大差距，不同地区不同企业的沼气设备零零散散，没有统一的规格。很多企业能够根据自身的需求制造出相应的设备，但这种设备往往结构简单、制造工艺较差，且只能够满足单一的功能。沼气行业作为去污节能的朝阳企业，未来必定沿着规模化、产业化的方向发展。因此，为了使沼气装备更高效率地服务沼气行业，对沼气工程装备提出了更高的要求：完善沼气工程装备体系，形成产业链；建立统一的标准，提高装备的研发、制造效率和生产质量；加大配套设备的研制力度，减少生产过程中的作业环节，提高生产效率以及资源利用率。

4.3 加强自主核心装备的研发

欧洲沼气工程装备技术的成熟很大一部分归功于其自主核心装备的研发，我们在对比国外沼气工程发展形势、学习先进经验的同时，也要加强我国对沼气工程装备技术的自主研发能力。我国是一个农业大国，在原料来源、发酵类型、沼气利用上都与国外存一定的差异，一味地学习国外的发展经验并不能完全适用于我国特殊的国情。例如在沼气利用上，德国大力发展热电联产技术，生产的沼气主要用来发电，而我国生产的沼气主要作为燃料使用，发展的差异性要求了我们必须大力发展适用于我沼气工程现状的核心装备。只有我们加强自主创新能力，坚定不移地走自我研发道路，我国的沼气工程装备技术才能达到一个新的高度。