秸稈沼氣集中供氣工程運行管理維護研究

孫萬剛

(江蘇新誠潤科工程咨詢有限公司, 江蘇 徐州 2210000)

秸稈沼氣集中供氣模式是沼氣工程的一個發展方向，但由于投資大、后期運行管理存在一些弊端，阻礙了秸稈沼氣集中供氣工程的發展[1]，因此，需要尋找出解決這些問題的辦法，促進秸稈沼氣集中供氣工程的推廣和應用。

1 秸稈沼氣站簡介

鳳凰村秸稈沼氣站是西部第1座以秸稈為原料的沼氣集中供氣站，沼氣站位于成都市雙流縣永安鎮鳳凰村，整個沼氣站占地面積約6畝，沼氣站核心工程是300 m3厭氧發酵罐和發酵罐頂層的150 m3雙膜儲氣囊，沼氣站的工藝流程圖如圖1所示[2]。主要的發酵原料是小麥秸稈，收購于周邊的農戶約400元·噸-1。沼氣站運行初期，秸稈加入量100 kg·d-1，正常運行后加入量為350 kg·d-1。溫度維持在35℃±2℃。夏季日產氣量70 ～100 m3，冬季日產氣量20～40 m3，冬季需增溫。產生的沼氣供應鳳凰村100戶農戶，沼氣的價格是1.5元·m-3。每戶安裝一個IC膜式流量表，一戶持有一卡，農戶持卡到沼氣站充卡付費，便于管理。

圖1 鳳凰村沼氣站的工藝流程圖

使用的儀器：沼氣流速的測定：氣體渦輪流量計(ZRG150-125A，成都川崎科技開發有限公司)；硫化氫的測定：便攜紅外沼氣氣體分析儀(GASBOARD-3200L系列，武漢四方光電科技有限公司)；溫度的測定：水銀溫度計；電量測定：沼氣站內電表(DTS72型，江蘇林洋電子有限公司)。

2 秸稈沼氣站產氣和用氣情況

鳳凰村秸稈沼氣站啟動運行初期，罐體的溫度沒有達到微生物正常發酵溫度，而且剛接種的污泥需要一段時間的馴化[3]，另外秸稈的纖維素含量高，降解速度慢，并且具有很高的C/N[4]，因此秸稈沼氣工程啟動速度慢，啟動初期產氣量低，隨著罐內溫度的提高和啟動時間的增長，產氣量逐漸提高。

鳳凰村秸稈沼氣站7月末啟動運行，經過一個月的升溫調試，產氣逐量提高。從圖2可以看出，9月份，日產氣量逐漸提高，到9月末，日產氣量達到最高峰100 m3·d-1。10月份的產氣量突然大幅度降低，主要原因是10月7日～10日期間進行了試出料，在出料時罐體內的溫度迅速降低，影響發酵原料的正常產氣。11月份日產氣量有所回升，但由于11月份成都地區大幅度降溫，而罐體的保溫效果差，罐體內溫度也隨之降低，產氣量受到影響，日產氣量20～40 m3·d-1。

圖2 9～11月日產氣量

從圖3可以看出，9月份產氣量充足，可以滿足農戶各個時段的用氣。3個高峰期的用氣農戶，晚上最多，中午次之，早上最少。在早上，農戶做飯較簡單，用氣量少，沼氣流出氣站的速度慢。中午沼氣流出的速度較晚間慢的原因是中午用氣農戶不如晚間的多，目前鳳凰村的部分農戶到附近的縣鎮務工，中午一般在外就餐。

圖3 9月份農戶的日用氣情況

11月份由于出料和氣溫降低的雙重影響，導致罐體內的溫度降低，影響了產氣量，日產氣量20～40 m3·d-1。為保證農戶用氣，沼氣站采取定時供氣。供氣情況如圖4所示，早上供氣時間6:00～9:00，中午供氣時間11:00～13:00，晚間供氣時間17:00～21:00。采取定時供氣可以保證在農戶用氣的時候，有較大的沼氣流速，較旺的火苗，縮短炊事時間。從圖4中可以看出，在晚間的時候，沼氣流出速度明顯低于中午時段，與9月份的供氣情況相反。主要原因是11月份產氣量低，中午經過農戶大量用氣后，剩余的氣量不足，因此晚間農戶用氣時沼氣流速低于中午。

圖4 11月份農戶的日用氣情況

3 進料和氣溫對沼氣中硫化氫的影響

沼氣中含有硫化氫是因為罐體內的菌群中含有硫酸鹽還原菌(SRB)，能利用硫酸鹽或者其它氧化態硫化物作為電子受體來異化有機物質的微生物，在其代謝活動中，除CO2和水外，還產生高濃度的硫化氫為呼吸終產物[5]。

從圖5可以看出，早上的硫化氫含量最多，中午最少低至零，晚間沼氣中硫化氫含量回升。分析原因是中午進料時，有少量的空氣隨著原料進入罐體中，將沼氣中的硫化氫氧化，減少了沼氣中硫化氫的含量。

圖5 進料情況下沼氣中硫化氫含量的變化情況

從圖6可以看出，在全天不進料的情況下，沼氣中的硫化氫的量在1 mg·L-1以上，早中晚逐漸降低，在下午氣溫降低時，沼氣中硫化氫的含量有所提高。圖5、圖6中顯示溫度對沼氣中硫化氫含量有一定的影響，日最高溫度10℃時沼氣中硫化氫最高含量2.5 mg·L-1以上，日最高氣溫20℃時沼氣中硫化氫含量低于1 mg·L-1。由于罐體保溫效果差，罐體中的溫度受環境溫度的影響，當氣溫降低時，罐體內的溫度也隨之降低。硫酸鹽還原菌(SRB)大多數屬于低溫種[6]，硫化氫的產量受低溫影響較小，甲烷菌在溫度較低時活性降低，產氣量減少[7]，沼氣中甲烷所占的比例下降，因此沼氣中硫化氫含量，隨溫度的降低而升高。

圖6 全天不進料時沼氣中硫化氫含量的變化情況

中午進料后，生物脫硫塔可以停止運行，減少沼氣站的能耗。保證日進料量相同的情況下，可以采取早中晚3次進料的方式以達到降低沼氣中硫化氫的目的，這樣可以減少生物脫硫塔的能耗和化學脫硫塔的脫硫劑的使用量。在氣溫較高的時節，沼氣中硫化氫的含量較低，可以適當縮短生物脫硫塔的運行時間，減少能耗。

4 秸稈沼氣站的主要能耗

沼氣站主要的耗電裝置有粉碎機、攪拌機、潛污泵、循環攪拌機、風機、生物脫硫塔曝氣裝置、循環泵。大耗電裝置是粉碎機、風機和循環攪拌機。沼氣站內的日耗電情況如表1所示。

表1 沼氣站日耗電情況

粉碎機平均每2天粉碎秸稈一次，每次運行約2個小時。風機在農戶用氣時，要頻繁啟動，向雙膜氣膜的內外膜中充入空氣，保證內膜中的沼氣能夠在內外膜間產生壓力的作用下，向農戶輸送，因此農戶在用氣的情況下，風機會因為內膜中沼氣的減少，內外膜中的壓力降低而頻繁啟動，使內外膜中的相對壓力始終維持在4 kPa。潛污泵和攪拌機是在進料時啟動運行，當秸稈進入調節池時，在攪拌機的作用下，秸稈與回流液混合均勻后，經潛污泵泵入厭氧發酵罐中。循環攪拌機每日進料后開啟運行。生物脫硫塔有兩個用電設備，曝氣時使用的空壓機和噴淋時使用的循環泵，空壓機和循環泵每日在早中晚3個時段使用，可以根據上面所總結的情況，即進料后或氣溫較高時減少生物脫硫塔的使用時間，降低能耗。沼氣站其他能耗有照明、水泵、電腦，相比以上的大功率用電設備這些用電設備的能耗可以忽略不計。

從圖7可以看出粉碎秸稈時沼氣站日耗電情況，平均每天的耗電量在20 kWh以上。其中粉碎機是沼氣站最大的耗電裝置。減少粉碎機的使用時間，降低粉碎機磨損，減少沼氣站的運行成本。

圖7 粉碎秸稈時沼氣站日用電情況

沼氣站在9月份的一段時間里，發酵原料是豬糞和豬場廢水，秸稈粉碎機在這段時間里沒有運行。圖8顯示秸稈粉碎機未使用的這段時間里沼氣站的耗電情況，可以看出每日用電量在20 kWh以下，最低時每日用電量在8 kWh。因此，豬糞的加入可以減少秸稈的使用量和粉碎機的使用時間，這樣既可以延長收購秸稈的使用時間，又可以減少沼氣站的大部分能耗，節約沼氣站的運行成本。

圖8 加入豬糞時沼氣站日用電情況

5 秸稈沼氣站運行中遇到的問題及解決辦法

5.1 發酵罐保溫效果差

秸稈沼氣站的核心工程是300 m3厭氧發酵裝置，采用中溫發酵工藝，罐體內的平均溫度維持在35℃±2℃[8]，產氣量能達到100 m3以上，滿足農戶全天任意時刻的用氣需要。在7～9月，罐體中的平均溫度在40℃以上，日產氣量100 m3以上，可以滿足農戶的需求。10～11月氣溫大幅度降低，最低氣溫低至5℃，由于罐體保溫效果差，而且產氣儲氣一體化的缺點是頂層保溫效果差，罐體的底層幾乎無保溫措施，因此罐體的頂層和底層溫度降低得很快，罐體底部溫度低至18.9℃，日產氣量低至20 m3，早、中、晚飯期間供氣，其余時間停止供氣，滿足農戶的用氣需求。溫度繼續降低，產氣量繼續減少，無法滿足農戶的用氣需求，因此，需用煤炭作為燃料加熱罐體，溫度升至35℃以上，產氣量恢復正常。停止加熱后溫度降低很快。另外，出料也會大幅度地降低發酵罐內的溫度。因此，出料時間應延遲到夏季氣溫最高的時候。

解決辦法：1)罐體的保溫層需至少達到一定厚度，滿足大型沼氣工程罐體保溫的標準。做好頂層和底層保溫。2)夏日氣溫升高，產氣量增多，多余的沼氣可以使用簡易的儲氣裝置儲存，在冬天氣溫降低時用來加熱罐體。這樣可以避免煤炭燃燒加熱罐體，產生大量的有毒氣體。3)在沼氣站內合適的位置，建一個地下磚混的沼氣池，產生的沼氣儲存，冬季用來加熱罐體。4)使用沼氣鍋爐，在加熱罐體時，可以減少沼氣的用量。

5.2 秸稈產沼氣出料困難

鳳凰村秸稈沼氣站的出料裝置是氣浮塔，它的原理是在出料時，罐體中的混合物在自身重力作用下進入氣浮塔，由于秸稈的比重低于沼液，浮于沼液表面，氣浮塔頂層的刮渣設備將漂浮在沼液表面的秸稈刮除。但實際的運行中，由于秸稈比重輕易結殼，秸稈漂浮于整個發酵罐的頂層，當出料時，被壓入到氣浮塔中的秸稈很少，幾乎是沼液，因此秸稈很難從罐體中排出，影響沼氣站的正常運行。

解決辦法：1)河北滄州市青縣秸稈沼氣工程的出料經驗是加入秸稈的同時，加入適當比例的黃土，這樣可以增加秸稈的比重，使秸稈沉入發酵罐底層，不僅提高了沼液與秸稈的接觸面積，也保證了后期正常出料。2)加入不影響厭氧發酵的絮凝劑，使秸稈成團，沉入發酵罐的底層。3)農作物秸稈的主要成分是木質素和纖維素，木質素是一個以芳香族為基本結構的復雜聚合是不溶性聚合物，使用秸稈腐化菌劑使它們轉化為水溶性含有苯環的簡單合物，苯環最后破裂產生簡單的有機小分子，這樣不僅可以加快產氣速度，還可以使秸稈沉于罐體底部，便于出料[9]。

5.3 雙膜儲氣安全水封使用問題

厭氧發酵罐處有兩個安全水封，其主要作用是保證儲氣膜和罐體不會因為壓力過大而破裂。其中，外膜與內膜處的安全水封，保證內外膜間的壓力維持在固定的值。此處的安全水封與風機相連，當內外膜間的壓力降低到一定值時風機自動運行，向內外膜間抽入空氣，使內外膜間的壓力增大，保證內膜中的沼氣向農戶不斷的輸送。當內外膜中的壓力過大時，安全水封中的水將排除，內外膜中的壓力降低，當安全水封中的水排光后，風機將頻繁的啟動，增加內外膜中的壓力，此時，應及時向水封中加水，減少風機的使用次數，降低沼氣站的能耗。與內膜相通的安全水封，在罐體中沼氣量過多時，罐體中壓力增高，則內膜處的安全水封中的水將被壓出，沼氣將通過安全水封排出，降低罐體中的壓力，避免罐體破裂。因此，與內膜相通的安全水封要時刻開啟，并且要經常檢查安全水封中的水量，當水量不足時應及時增加，避免安全水封中的水被全部排出后，造成沼氣泄露。

5.4 其他問題

進料管道和潛污泵長期使用后發生堵塞，影響進料。需要工程設計人員在進料環節上加以改進，找到合適的解決方案；管理人員在長期的操作中，總結經驗(如：秸稈和回流液的混合比例)，減少此種情況的發生，從而不影響整個沼氣站的運行。加熱鍋爐能耗大，加熱效果差，應使用專用的沼氣鍋爐，減少加熱罐體時沼氣的使用量。秸稈粉碎機需要兩臺，達到一備一用的目的，因為粉碎機時常在粉碎秸稈時發生故障，因此，需要一臺備用的秸稈粉碎機。沼氣站還需配備一臺沼氣發電機，在停電的時候，可以利用沼氣發電，這樣可以保證進料，保證沼氣供應農戶時風機的運轉，從而不影響農戶的日常炊事。

6 結論

(1)農戶使用沼氣的情況是早中晚用氣逐漸增多，因此在定時供氣時，也應適當增加各時段的供氣時間，滿足農戶的用氣需要。

(2)沼氣中硫化氫的含量，受溫度和進料的影響，氣溫低時，沼氣中的甲烷含量低，因此硫化氫的比例升高。進料時，少量氧氣隨秸稈進入罐體內，氧化了沼氣中的硫化氫，使出氣中的硫化氫的含量減少。因此，增加進料次數，可以降低沼氣中的硫化氫的含量，從而減少脫硫劑的使用量。

(3)秸稈沼氣工程亟待解決的兩個問題：一是罐體保溫；二是秸稈出料問題。沼氣工程保溫是重中之重，如果沼氣工程的溫度無法維持，那么整個工程后期運行升溫成本巨大。出料問題，一直都是秸稈沼氣的難點，只有正常出料，秸稈沼氣工程才能正常地運轉。

(4)管理人員要每日檢查內外膜處的安全水封，及時增加安全水封中的水，減少風機的使用次數，減少能耗；避免沼氣從安全水封處流失，發現后及時處理。循環攪拌泵每日開啟時間要固定，盡量不要加長其使用時間降低站內能耗。

(5)增加簡易儲氣裝置，儲存夏天過剩的沼氣，在冬天氣溫較低時代替煤炭給罐體加熱。