沼氣干式發酵裝置與技術的研究進展

陳 程，王金麗，鄭 勇，何 真*，張窩羊，俞國燕，劉長亮

(1.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524088;2.中國熱帶農業科學院農業機械研究所，廣東湛江524091)

2013年國務院印發的《能源發展“十二五”規劃》中提到“構建安全、穩定、經濟、清潔的現代能源產業體系，對于保障我國經濟社會可持續發展具有重要戰略意義”，指出沼氣將作為農村可再生能源建設重點工程［1］。沼氣工程的發展有利于建設穩定、安全、經濟、清潔的現代能源產業體系，支持國家經濟的穩步發展。沼氣干式厭氧發酵技術作為未來沼氣能源制取的一個重要途徑，與其相關的發酵裝置和監控方法就成為國內外學者的研究熱點。筆者在此簡單介紹了干式發酵裝置的3種主要類型，對實現干式發酵系統自動化控制的相關技術、設備進行了深入分析，重點對發酵裝置數據采集所用傳感器和監測技術進行了總結，詳細分析了基于PLC、基于單片機和利用LabVIEW的沼氣監控系統的特點，展望了未來沼氣工程的發展趨勢。

1 沼氣干式發酵及其裝置概述

干式厭氧發酵是指用一些干物質濃度在20%以上的物料作為生產原料，由于厭氧菌的作用，產生含CH4、CO2等成分氣體的發酵工藝［2－3］。這種發酵方式無污染、低能耗(可利用好氧發酵升溫)、氣肥聯產經濟效益高，但與最佳微生物生長環境相矛盾，原料能源利用率偏低、厭氧反應器即時進出料難，且在這種反應方式中還需要控制好接種物與新料的混合程度。在沼氣干式發酵整個工藝流程中(圖1)，原料先進入好氧發酵棚進行人工物料預處理，再投入混料機中與接種物進行充分混合，最后進入發酵罐厭氧發酵。產生的沼氣通過凝水器、脫硫罐之后達到標準可用沼氣，進入用戶使用。在出料口產生的沼渣少數一部分作為接種物進行二次發酵，其余的可用于生產有機肥料。在沼氣產生的整個過程中，從物料的混合到進入發酵罐發酵均需要相應的物料處理與監控裝置，并對發酵所產生的氣體成分實時監控采集，以保證達到最高的沼氣產氣率和操作安全。

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

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

(2)機械式攪拌裝置。機械式攪拌裝置有立式與臥式的不同發酵灌裝置，均是在進料口通過螺旋輸入，內部螺旋泵攪拌混合，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)推流式發酵裝置。推流式發酵裝置是一種內部沒有攪拌裝置，通過物料自身的重力、廢物的塞運動和生物氣產生的氣泡實現混合的發酵裝置。推流式發酵裝置有立式和臥式之分，從Dranco推流式發酵裝置到Valorga立式推流式攪拌裝置［6］，裝置功能在不斷地優化，從一開始的自然混合到后面的加熱增壓混合給整個工藝帶來更多益處。

3種發酵裝置的特性比較如表1所示。

表1 典型發酵裝置比較

2 沼氣工程監控系統發展現狀

在沼氣發酵過程中，需要對整個工藝過程進行實時監控，實現整個發酵過程的智能化。整個監控過程主要可分為以下幾個部分:①檢測沼氣的溫度、壓力、氣體成分、pH等必要物理量;②對檢測的數據進行讀取，數模轉換;③通過有線或無線傳輸監測所得到的數據;④通過終端控制界面控制發酵過程，監控數據并作出動態調整，優化生產過程以得到更好的產氣率。整個系統的監控結構如圖2所示。

2.1 沼氣監控系統中的傳感器和檢測技術 沼氣監控系統中，各項數據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，所得數據轉換為電信號或其他形式輸出，再實時轉換以實現遠程監控與反饋。在沼氣工程的數據采集中，需要采集的數據類型有發酵罐內參數(壓力、溫度、pH等)、發酵裝置運行過程中外部設備參數(攪籠正反轉、原料運輸量、電機轉速和啟停等)、發酵后物料物化參數(揮發性脂肪酸等)。為了采集這些數據，將用到大量傳感器和一些特殊的檢測技術，且所用采集設備和檢測技術正朝著更為精確的方向發展。當前沼氣工程中主要數據采集所用傳感器和部分物化參數檢測技術如表2～3所示。

2.2 沼氣工程監控系統研發現狀 沼氣工程的監控系統正從原先單一的底層(下位機)自動控制向著基于計算機技術、人工智能的智能控制方向發展。其中下位機控制系統主要分為基于PLC的沼氣監控系統和基于單片機的沼氣監控系統。

表2 沼氣監控系統中的主要傳感器

表3 沼氣監控系統中的物化參數檢測技術

2.2.1 下位機監控系統分類。

2.2.1.1 基于PLC的沼氣監控系統。PLC是目前使用較多的開發形式，PLC本身有著較多的優點，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，技術含量低;功能性強。在沼氣工程發酵系統中一般用PLC采集和調控模擬信號、開關量，在下位機中處理好各種數值，可保持與上位機的通訊。如諸剛等的設計中下位機便是以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，但均使整個沼氣發酵裝置在運行中更加可靠、安全。由于PLC的集成化和配置靈活化，讓整個發酵系統組建難度降低，更有利于提高監控擴展性，使整個工程的實時監控、數據采集更可靠。

2.2.1.2 基于單片機的沼氣監控系統。單片機由于體積小、易嵌入、實時性好等特點也常用于沼氣工程。在單片機的使用工程中發現它確實使用簡單，且可以降低生產成本，但它的維護性比較差，有系統故障時很難找出，需要直接更換單片機，不利于整個工程的長期使用與維護。如劉雪梅等就以AT89C51單片機為核心，配以檢測電路、報警電路、顯示電路、溫控電路組成新的溫度控制系統，實現了冬季沼氣池溫度控制問題，保證沼氣生產的連續性［11］。孟曉麗利用基于單片機的沼氣設備通用控制器監控沼氣中溫度、壓力、濃度、流量等一些列指標，達到各項指標隨時監控調節［12］。

2.2.2 上位機監控系統分類。上位機主要是對沼氣工程現場狀況的實時監控的顯示，并可以隨時控制現場狀況，它的數據來自于下位機的采集，所以說傳輸信號的穩定性至關重要。上位機作為顯示結果界面一般會采用工控機或觸摸屏，在Windows平臺下采用組態軟件。組態軟件又稱為監控組態軟件，可用于數據采集與監控。它有著強大的界面顯示功能、極好的開放性、強大的數據庫、可編程語言、功能模塊相當豐富及仿真功能，可以實現系統中的系統設計、系統參數組態、通訊組態、圖形菜單組態、圖形編輯、圖形動態、文本編輯、報表顯示、故障報警組態、歷史報表組態等。目前常見的組態軟件有德國Simenss公司的WinCC、美國Wonderwre公司的Intouch、Intellution公司的FIX系統、昆侖公司的MCGS、亞控公司的KingView組態王、三維公司的力控等。如魏東輝等用的就是力控組態軟件［13］，官雪芳等采用Intouch組態軟件［14］，而楊鵬躍等則用了Wincc6.0［15］。與此同時可通過C++Builder6.0和VC++6.0等組態編程語言，實現系統中的密碼權限管理、數據采集、參數設定、報警畫面、歷史記錄及與下位機的通訊。

目前，LabVIEW作為一種基于圖形編程的虛擬儀器，與上述組態軟件一樣擁有工程界面設計功能，同時具備數據采集、分析、模擬等諸多功能。在沼氣工程中利用LabVIEW作為上位機，可以通過配套的數據采集卡采集數據，簡化監控中系統上下位機通訊問題，縮短通訊時間，如李卉萍等使用虛擬儀器LabVIEW對沼氣工程的主要參數實現了實時采集、智能監控［16］;趙利利采用虛擬儀器技術對沼氣工程中的傳感器進行信號采集，并對整個過程中的閥門信號進行自動化控制，實現了發酵系統中的關鍵參數溫度的恒溫控制和上位機智能調控，且使沼氣工程中的每個工藝步驟基本可實現自動化控制，提高了沼氣產氣率［17］。由于LabVIEW的價格偏高，目前的沼氣工程監控系統中并未得到廣泛應用，隨著社會發展和研究深入，這種系統在不久的將來會得到很好的發展。

3 小結

近年來隨著沼氣工程的推廣，有關于沼氣干式發酵技術及其裝備的研究不斷深入，但隨著沼氣工程的推廣應用，需要結合沼氣建造區域環境、技術、經濟等因素綜合考慮采用何種干式沼氣發酵裝置，并研發相應的監控系統。隨著計算機、網絡、人工智能等技術的發展，未來的沼氣工程將會向著以下方向發展:①沼氣發酵裝置形式向多樣化發展，成本降低，擴大使用范圍;②數據檢測方法、檢測設備在逐漸增多，沼氣工程中監控的數據內容更為全面、具體、可靠;③整個沼氣工程由手動向自動發展，逐步實現自動化、智能化、網絡化。

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

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