沼氣工程裝備研究應用現狀與展望

孫振鋒

(河北省新能源技術推廣站， 河北 石家莊 050021)

1 沼氣工程裝備概述

沼氣工程裝備是進行沼氣發酵的保障，從原料預處理到沼氣產品的處理和利用，都需要沼氣工程裝備提供良好的環境條件[2]。在過去很長一段時間內，我國對沼氣工程的研究重點都圍繞在沼氣發酵技術上，忽略了對沼氣工程裝備技術的研究和開發。隨著發酵技術水平的提高，國內逐步意識到沼氣工程裝備對沼氣發酵同樣具有很大影響，先進配套的裝備技術不僅可以提高產氣率，還能節約大量的人力以及成本。我國沼氣裝備自動化程度低，從原料預處理到沼液沼渣利用，許多作業環節都是依靠人工運行。在一些企業中，工人們工作環境非常惡劣，刺鼻的氣味、破舊的設備等嚴重威脅工人的人身健康。于企業而言，人工成本高昂，人工操作存在失誤、檢測不及時等客觀因素，降低了沼氣的生產效率和企業效益。因此隨著厭氧發酵的深入研究，急需發展出與我國沼氣技術配套，制造精良的沼氣裝備。

歐洲的沼氣工程在20世紀90年代進入快速發展期，到2000年以后歐洲的沼氣產業更是得到了迅猛發展[1]。由表1可知，我國沼氣是在政府支持下，以解決生態環境問題為主要出發點，與歐洲成熟的工業化發展相比，無論是在技術水平還是管理水平上都處于落后階段。在沼氣裝備上，歐洲研制出了機械化、自動化程度高的沼氣系列裝備，已經實現無人值守的管理模式及機械化原料輸送，我國的沼氣工程裝備發展程度低，目前主要還是采用效率低下的人工作業；在歐洲，沼液應用與裝備設計一體考慮，采用機械化發展模式，我國沼液處理的應用與裝備設計獨立進行，機械化程度較低。綜合來看，我國的沼氣工程裝備技術與歐洲相比還有較大差距。

表1 歐洲和中國沼氣工程技術比較

2 沼氣工程原料預處理及輸送裝備

2.1 原料的粉碎預處理

沼氣發酵的原料包括畜禽糞便、農作物秸稈、餐廚垃圾等[2-4]，為了提高產氣率，在發酵前通常需要對原料進行預處理。例如為了使原料能夠混合得更加均勻，需要對原料進行粉碎處理。在工程裝備上，我國已經研制出了相關的粉碎預處理裝備，但是這些裝備因為破碎功率、技術指標等未形成標準化，性能存在很大的差異性。在秸稈破碎技術上，歐洲普遍使用大型秸稈青貯聯合收獲機進行作業，這種大型收獲機能夠一次性完成收割、切碎和運輸秸稈，既提高了生產效率，也降低了成本[3]。國內將秸稈收購以后，通常先運輸到廠房，再用秸稈切碎機粉碎，這種作業方式不僅效率低下、生產成本高，與歐洲的青貯聯合收獲機相比，粉碎質量也相對較差。

在勻漿預處理上，歐洲沼氣工程中常用的切碎機主要有兩種:一是刀片-孔盤組合式切碎機，這種切碎機工作部件是由開有眾多孔固定式控盤和在控盤附近的旋轉刀片組成[5]。工作原理是原料中的雜物通過固定式孔盤的小孔時，旋轉刀片對通過的勻漿進行切割，通過調節旋轉刀片的轉速來控制切割物的形狀大小，增大旋轉刀片的轉速切割物形狀減小，減小旋轉刀片的轉速切割后的雜物形狀增大。另一種是滾剪切式切碎機，根據旋轉凸輪泵的雙轉子原理，設計了一種與轉子旋轉凸輪轉子不同的滾切式斬波器。這種斬波器由兩套相對轉動的圓盤刀組成，通過選擇葉片類型和控制葉片與圓盤刀的相對位置，調節廢棄物的破碎程度[7]。我國勻漿切碎裝備才剛剛起步，距離國外的切碎機械還有很大差距，特別是在粗雜分離與較大雜物切碎方面。

2.2 原料輸送

在沼氣工程中，液態漿料輸送和固態碎秸稈輸送是最常見的兩種原料的輸送方式。國內的沼氣工程大多數是以畜禽糞便為發酵原料[3],因此常選用螺桿泵作為輸送泵。螺桿泵具有工作效率高、使用壽命長、噪聲低等特點，但同時螺桿泵耗能較大，維修的費用比較高，并且無法輸送物料總固體濃度超過25%的原料。在歐洲，為了解決這些問題，沼氣工程上通常采用凸輪轉子泵或者高密度固體泵來代替螺桿泵，凸輪轉子泵可以通過轉速調節泵流量，轉速越高，流量越大，且能輸送粘度、粒度較大的物料。凸輪轉子泵還具有逆向運轉功能，通過改變轉子的方向，便可完成泵的裝、卸工作。固體輸送泵適應性強，輸送距離廣，可以輸送管徑60%～70%大小，TS 20%～40%濃度的原料，輸送距離達到200 m[7]。我國目前沒有成熟的固態秸稈輸送設備，主要是由于秸稈流動性差、輸送不穩定等關鍵性問題沒有解決，限制了我國原料輸送裝備的發展。

3 沼氣發酵裝置及攪拌裝備

3.1 沼氣發酵裝置

沼氣發酵裝置是為沼氣發酵提供場所的主要裝置，是沼氣發酵過程穩定進行的重要保障，也是處理廢棄物、生產清潔沼氣的專用設備[2，8-14]。沼氣發酵裝置根據材料不同可分為鋼混凝土沼氣發酵裝置、鋼結構沼氣發酵裝置和非金屬沼氣發酵裝置，其中鋼混凝土的沼氣發酵裝置在傳統的沼氣工程中得到廣泛應用[15]，這種結構的發酵裝置建造難度大、工期長[16-18]。

鋼結構沼氣發酵裝置的建設材料為鋼材，根據制造工藝的不同主要分為利浦罐、拼裝罐和焊接罐3種形式。利浦罐主要材料是不銹鋼復合板或鍍鋅鋼板，通過專用設備將鋼材按照“螺旋、雙折邊、咬合”的制造工藝，卷制成不同體積的利浦池，然后鑲嵌以鋼混結構為基礎的底部，利浦罐相對于鋼混結構沼氣發酵裝置質量輕，減少了上部結構對底部的作用力，因此底板厚度、混凝土用量都相應減少[19]。利浦罐具有占地面積小、建設時間短、生產成本低等特點。焊接罐制造時，將不同規格的鋼板運輸到現場進行焊接。現場焊接是一個繁瑣的作業過程，工人勞動強度大，對焊接技術要求高并且容易受到環境的影響；拼裝罐其主要材料是碳鋼鋼板，將碳鋼加工成型后只需對鋼板進行電泳漆或熱噴涂處理，便可在現場進行拼接，工人勞動強度小，并且建造周期短[20]。電泳漆拼裝罐和熱噴涂拼裝罐是兩種比較常見的拼裝罐。

隨著沼氣工程裝備的發展，非金屬材料的沼氣發酵裝置也逐漸發展起來，常見的非金屬沼氣發酵裝置主要有兩種[20]。一種是新型柔性搪瓷裝配板，裝配板表面噴有搪瓷，能夠有效阻止裝置表面腐蝕，具有耐酸、耐堿、維修方便、外形美觀等特點[21]。這種裝配板可以在施工基地直接進行拼裝，施工周期短、使用壽命長，并且相對于碳鋼結構的沼氣發酵裝置生產成本也低。國家環保總局將這該項技術作為國家重點環境保護實用技術，目前已經在國內的多處沼氣工程中投入使用。另一種是以玻璃纖維和樹脂為材料制成的玻璃鋼沼氣發酵裝置，這種裝置具有良好的耐腐蝕性，能夠對空氣土壤中的水、酸性、堿性物質具有良好的抵抗能力。玻璃鋼的導熱系數只有1.42 kJ·m-1h-1℃，大約是鋼筋混凝土的1/4，具有良好的保溫性能[22]。玻璃鋼復合材料綜合了樹脂和玻璃纖維材質輕、力學性能好的優勢，只需要10 mm的壁厚就能滿足作業要求。由于玻璃鋼沼氣發酵裝置工作性能好、生產成本低且使用壽命長，正逐漸受到廣大企業的歡迎。

此外，我國北方冬季溫度較低，沼氣池中發酵溫度較低，產氣率不理想。為了解決此類問題，肖國良[23]等研究了一種附有太陽能系統的可移動式沼氣發酵裝置，沼氣池的結構主要由鋼架結構、加熱裝置、攪拌器、保溫層和進出口5部分組成。在加熱系統中，光伏板為循環泵提供電源，循環泵將太陽能熱水器中的熱水通過水管泵入沼氣發酵裝置中，為沼氣發酵裝置提供熱量，實驗表明，經過加熱的沼氣發酵裝置比普通沼氣發酵裝置的產氣含量有明顯提升。沼氣發酵裝置內部的環境溫度對產氣率的影響極大，在我國很多地區，季節性溫度差大、晝夜溫差大這些因素都嚴重限制了沼氣工程的發展。因此，研究一種內部具有自動溫度調節裝置的沼氣發酵裝置將是一個嶄新的方向，自動調節裝置通過與外部的熱源相連接，進行吸熱、散熱保持恒溫。

3.2 攪拌設備

厭氧發酵中機械攪拌是最有效、耗能最少的攪拌方式。機械攪拌是利用攪拌葉片轉動來達到物料混合的過程。在傳統的沼氣工程，大約55%的在沼氣發酵裝置采用1個攪拌器，隨著發酵原料的濃度提高，越來越多的沼氣工程會在1個沼氣發酵裝置內安裝2個或者3個攪拌器[24]。機械攪拌關鍵問題在于攪拌葉片的選型設計，相對于化學工業上攪拌葉片已經形成的標準化，沼氣工程攪拌葉片的研究才剛剛起步[25]。

水力攪拌是指通過水循環帶動原料流動達到物料混合的過程，這種攪拌設備有兩種：一種是在沼氣發酵裝置外部或者內部安裝導流筒螺旋泵；另一種是在沼氣發酵裝置外部安裝管道系統、離心泵以及螺旋泵。此外，為了增強水力循環的效果，還可以在沼氣發酵裝置內部安裝水力噴射器等輔助裝置[24]。相對于機械攪拌而言，水力循環安裝維護更加方便，所以一般沼氣工程中多采用水力循環，具體參數是根據沼氣發酵裝置規模進行選擇。

氣體攪拌是指氣體在物料中運動使物料循環達到混合物料的過程。在沼氣工程中，通常選擇沼氣作為氣體循環介質。以豎管式氣體攪拌為例，在沼氣發酵裝置中安裝數根平行豎管，工作時，加壓泵將儲存在集氣柜中的沼氣抽出并加壓，輸送到平行豎管內，高壓沼氣從豎管另一側噴出，帶動物料循環流動[26]。雖然相對于機械攪拌和水力攪拌而言，氣體攪拌在沼氣發酵裝置中安裝的設備更少，設備成本也更低，但是氣體攪拌在高濃度物料中攪拌效果較低。

4 沼氣工程裝備發展趨勢展望

4.1 沼氣工程裝備與自動化控制系統相結合

沼氣發酵是一個復雜的生化反應過程，需要在一定的溫度、酸堿度、濃度等環境中進行，反應過程中除了會產生甲烷外，還會產生硫化氫、水蒸氣、二氧化碳、氫氣、氮氣等雜質氣體。因此，為了提高發酵效率，需要對沼氣發酵裝置中的溫度、酸堿度等反應條件進行監測，在這些參數超出發酵所需要的設置范圍后及時進行調節。對于具有污染環境以及腐蝕設備的雜質性氣體要進行在線監測，避免對環境以及設備產生危害。人工監測常常具有不及時、誤差大、操作難度高等特點，因此沼氣工程裝備急需與自動化控制系統相結合，提高企業的生產效率、節約勞力與生產成本。我國沼氣工程裝備自動化控制起步晚、自動化控制程度低，還處于發展階段。沼氣工程裝備與自動化控制系統相結合是未來的重要發展方向。

4.2 沼氣工程裝備標準化與成套化

目前，我國沼氣裝備距離形成產業化還有較大差距，不同地區不同企業的沼氣設備零零散散，沒有統一的規格。很多企業能夠根據自身的需求制造出相應的設備，但這種設備往往結構簡單、制造工藝較差，且只能夠滿足單一的功能。沼氣行業作為去污節能的朝陽企業，未來必定沿著規模化、產業化的方向發展。因此，為了使沼氣裝備更高效率地服務沼氣行業，對沼氣工程裝備提出了更高的要求：完善沼氣工程裝備體系，形成產業鏈；建立統一的標準，提高裝備的研發、制造效率和生產質量；加大配套設備的研制力度，減少生產過程中的作業環節，提高生產效率以及資源利用率。

4.3 加強自主核心裝備的研發

歐洲沼氣工程裝備技術的成熟很大一部分歸功于其自主核心裝備的研發，我們在對比國外沼氣工程發展形勢、學習先進經驗的同時，也要加強我國對沼氣工程裝備技術的自主研發能力。我國是一個農業大國，在原料來源、發酵類型、沼氣利用上都與國外存一定的差異，一味地學習國外的發展經驗并不能完全適用于我國特殊的國情。例如在沼氣利用上，德國大力發展熱電聯產技術，生產的沼氣主要用來發電，而我國生產的沼氣主要作為燃料使用，發展的差異性要求了我們必須大力發展適用于我沼氣工程現狀的核心裝備。只有我們加強自主創新能力，堅定不移地走自我研發道路，我國的沼氣工程裝備技術才能達到一個新的高度。