沼氣工程運行中沼氣組分影響因素分析

摘要：本文以運行中的沼氣工程厭氧工藝生產線為研究對象，通過對比沼氣組分數據與日常記錄找出各影響因素，明確進料數量、進料組分、運行溫度、攪拌、輔料添加等因素對沼氣組分的影響，同時提出切實可行的不利影響削減方法。其間根據不同影響因素制定不同的運行方案，從原料檢測、原料運輸等方面入手，配合運行溫度控制、攪拌等技術手段，保證厭氧系統穩定運行與沼氣組分平穩。沼氣組分對沼氣工程的經濟性有較大影響，也是衡量沼氣工程厭氧系統運行的重要指標。本研究明確了沼氣組分的主要影響因素，并給出減少不利影響的方案，提高了厭氧系統運行的穩定性。

關鍵詞：沼氣工程；厭氧系統；沼氣組分；影響因素

中圖分類號：X799.3 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）06-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.06.020

Analysis of Factors Influencing the Composition of Biogas in the Operation of Biogas Engineering

YOU Yujia

（Guofeng Qingyuan Bioenergy Co.， Ltd.， Beijing 100022， China）

Abstract： Taking the anaerobic process production line of biogas engineering in operation as the research object， this paper identifies various influencing factors by comparing biogas composition data and daily records， clarifies the impact of factors such as feed quantity， feed composition， operating temperature， stirring， and auxiliary material addition on biogas composition， and proposes practical and feasible methods for reducing adverse effects. During this period， different operation plans are formulated based on different influencing factors， starting from raw material detection， transportation， and other aspects， combined with technical means such as operating temperature control and stirring， to ensure the stable operation of the anaerobic system and the stable composition of biogas. The components of biogas have a significant impact on the economy of biogas engineering and are also important indicators for measuring the operation of anaerobic systems in biogas engineering. This study clarifies the main influencing factors of biogas components and provides a plan to reduce adverse effects， improving the stability of anaerobic system operation.

Keywords： biogas engineering; anaerobic system; biogas components; influencing factor

在沼氣工程中，原料中的有機物在厭氧微生物的作用下轉化成沼氣[1]。沼氣作為能量載體，通過燃燒發電或提純制燃氣等方式得到重新利用。沼氣組分會直接影響沼氣后續利用過程的運行成本及運行收益[2]。因此，有必要分析影響沼氣組分的各種因素。本文結合實際沼氣工程，觀察并分析運行期間沼氣組分的變化情況，找出影響沼氣組分的各種因素，掌握運行規律，解決運行過程中出現的各種問題，使沼氣工程連續安全平穩運行。

1 工程概況

本沼氣工程以養殖場畜禽糞污與水稻秸稈為原料，設計日產沼氣60 000 m3。工程已于2019年完成啟動調試并轉入運營。該沼氣工程厭氧系統采用濕式中溫兩級厭氧發酵工藝，發酵罐形式為完全混合式發酵罐。設計工藝參數如表1所示。

2 沼氣組分變化

沼氣中各組分采用沼氣分析儀進行自動采樣分析。沼氣中甲烷為可燃氣體，是可利用組分，也是評價沼氣組分的主要指標[3]。沼氣通常還含有硫化氫，該氣體有腐蝕性，且燃燒后會產生限制排放的二氧化硫，因此必須通過技術手段降低硫化氫濃度。使用手持式沼氣分析儀每日對沼氣管道中的沼氣進行取樣檢測。按照月平均濃度，本工程沼氣組分變化情況如圖1所示。

3 影響甲烷濃度的因素

3.1 原料

由圖1曲線分析可知，沼氣中甲烷濃度穩定維持在55%以上，符合沼氣工程相關規范要求。最高月平均濃度出現在2022年2月，達到67.5%。單日最高甲烷濃度為70.8%。甲烷濃度較高與處理原料種類有關。運行期間，全部使用畜禽糞污作為處理原料，未加入秸稈。糞污原料含固率為25%，有機含固率達到前者含固率的65%，原料中可供發酵的有機物較多，且易于厭氧降解，因此產生的沼氣中甲烷濃度偏高。同時，進料量基本保持穩定，發酵罐有機負荷保持穩定，產生的沼氣中甲烷濃度也能夠保持相對穩定。從圖1可見，2021年6月甲烷平均濃度出現明顯下降，且7月持續下降，下降近10個百分點。分析發現，甲烷濃度降低與處理原料中添加秸稈有關。從

2021年5月下旬開始，除畜禽糞污外，開始使用水稻秸稈作為發酵原料，且秸稈添加量逐步增加。

水稻秸稈水解過程較長，與畜禽糞污的水解過程并不同步，所以發酵罐內秸稈水解后產生的有機酸更占優勢，罐體pH呈現下降趨勢，造成罐內產甲烷菌活性受到抑制，從而導致沼氣中甲烷濃度降低[4]。發酵罐內pH變化曲線如圖2所示。從圖2可以看出，發酵罐內物料取樣檢測得出的pH在2021年6—7月出現下降。秸稈水解時間較長，對pH的影響會出現滯后效應。秸稈的加入增加了發酵罐內有機酸的產量，進而影響沼氣中甲烷濃度。進料量保持穩定，隨著秸稈的持續加入，甲烷濃度與物料pH變化不大，物料pH基本穩定，甲烷濃度緩慢回升至59%左右并保持穩定，這說明厭氧系統已經適應秸稈原料加入帶來的有機負荷增加，重新進入穩定運行狀態。

在厭氧系統的生產運行中，增加新原料會對原有工藝運行參數產生影響。要提前對新原料進行檢測，掌握新加入物料的有機物含固率，結合發酵罐的設計負荷進行驗算，確定新物料的每日添加量。本工程實際運行數據表明，秸稈的加入會造成沼氣中甲烷濃度降低，但會增加沼氣產量。運營單位應根據后期沼氣利用情況進行綜合分析，判定使用哪種原料以及使用多少對經營更為有利。

3.2 溫度

本工程厭氧系統的設計運行溫度為37～39 ℃。使用熱水作為熱媒，采用罐內盤管對發酵罐內物料進行加熱，攪拌器攪動物料使其均勻受熱。根據圖2曲線可知，運行溫度在2020年5—10月基本穩定保持在37 ℃以上，自2020年11月起，溫度降至37 ℃以下。經分析，供熱鍋爐在10月下旬出現故障，兩臺鍋爐全部停機檢修。

由于恰逢冬季，原料溫度較低，且進料量較大，加之沒有外部熱量補充，厭氧過程放熱不能維持發酵罐內溫度，因此發酵罐運行溫度出現下降。鍋爐重新投用后，發酵罐內溫度一直未能恢復設計運行溫度，但也保持在36.5 ℃之上。如圖1所示，在同一時間段內，甲烷濃度未出現大幅度的波動，基本穩定在59%左右。經分析，在此期間，當其他運行參數沒有變化時，運行溫度的降低幅度并未對厭氧系統產生不利影響，產甲烷菌在該溫度下仍能保持較好活性。

本工程采用中溫厭氧發酵工藝，該工藝允許運行溫度在相對較大的范圍內浮動。根據實際運行經驗，當運行溫度低于設計溫度0.5 ℃時，沼氣中甲烷濃度并未受到影響，厭氧系統保持穩定運行。目前，本工程未驗證運行溫度高于設計溫度對沼氣組分的影響。理論上，溫度升高會提升厭氧微生物的活性，沼氣中甲烷濃度會更高。但溫度升高會需求更多的熱量，消耗更多的自產沼氣。運營單位需要仔細權衡提高溫度多生產甲烷與供應更多熱量需要消耗甲烷之間的得失，再做出決定。

3.3 攪拌

本工程的發酵罐均采用間歇攪拌。攪拌器按照設定好的時間間隔和攪拌時長運行，攪拌器轉速保持恒定。通過觀察對比，未發現攪拌形式、攪拌強度對沼氣組分產生直接影響。攪拌是通過對溫度、原料在發酵罐內分布、氣體溢出的影響進而間接影響沼氣組分的[5]。本項目發酵罐采用罐內盤管加熱的方式，熱水流動在靠近罐壁內側的加熱盤管內。如果沒有充分攪拌，只有加熱盤管附近的物料能夠得到加熱，罐中心位置的物料不能得到有效加熱，會造成罐內物料存在溫差，影響產甲烷菌的活性，減少產氣中的甲烷濃度。

發酵罐進料采用泵送形式，原料進入發酵罐后只能在靠近進料口附近的位置擴散，原料罐內分布不勻，部分較重的顆粒還會沉淀至罐內底部。充分的攪拌能夠使物料從進口分布于罐內各處，使原料均勻分布在罐內，同時也使較重顆粒不會沉淀，而是在罐內流動，延長發酵時間，提高降解效率，從而提高甲烷產量，影響沼氣中甲烷濃度。由于密度較小，原料中的水稻秸稈在發酵罐內會漂浮在罐內液面。如果沒有充分攪拌，大量秸稈不斷進入發酵罐后可能會在液面位置形成結殼，導致液面下方產生的沼氣無法充分溢出，影響沼氣組分。經過充分攪拌后，其不會形成大面積結殼，沼氣能夠連續穩定地從液體中溢出，保證沼氣產量及組分穩定。

4 影響硫化氫濃度的因素

硫化氫是厭氧產沼過程的副產物，硫化氫濃度與原料中硫化物的含量有關。由于沼氣含有水分，硫化氫與水結合產生腐蝕性物質，對設備、罐體、管道的使用壽命均會產生不利影響[6]。無論是發電還是提純制取生物燃氣，沼氣最終都是通過燃燒方式再次利用。沼氣中的硫化氫燃燒后會轉化成二氧化硫。沼氣中硫化氫濃度過高，燃燒后排放的二氧化硫也會增多，導致二次污染。沼氣工程會設專門的脫硫裝置，降低硫化氫濃度，使沼氣品質滿足再利用要求。沼氣中硫化氫濃度變化曲線如圖3所示。

2020年4月，硫化氫平均濃度保持在5 600 mg/m3左右，其間有幾天的硫化氫濃度超出儀表量程，表明畜禽糞污中的硫化物含量較高，經過厭氧降解后，大量轉化為硫化氫。為降低硫化氫濃度，向原料中添加鐵鹽。2020年5月，硫化氫平均濃度下降至4 100 mg/m3

左右，并保持穩定，沒有明顯波動。2020年12月，硫化氫濃度出現大幅下降，降至2 200 mg/m3左右，之后整體維持在較低水平。該濃度已經接近沼氣鍋爐的進氣要求，極大地減輕脫硫系統負擔，節省運行成本。

造成硫化氫濃度持續下降的原因是原料中加入養殖場經過固液分離后的豬糞，而養殖場在固液分離過程中使用鐵鹽作為輔助藥劑。這樣就使一部分鐵鹽進入固態豬糞中，再進入厭氧系統，它將部分硫化物轉化成硫酸根鐵鹽，從而大幅度減少沼氣中硫化氫含量。總體來看，原料不僅影響沼氣中甲烷濃度，也會影響硫化氫濃度，其對沼氣組分的影響是全方位的。

5 結論

沼氣組分在系統生產運行中主要受原料、溫度、攪拌等因素影響，不同因素對沼氣組分的影響不盡相同。在生產過程中，盡量保持原料數量與種類的穩定，確保沼氣產量和組分穩定。當原料含有固液分離的豬糞時，其中的鐵鹽可能會對沼氣中硫化氫濃度的降低有正面影響。當溫度保持穩定時，沼氣組分不會出現大的波動。采用中溫發酵工藝時，即使運行溫度低于設計溫度，沼氣組分仍然能夠保持穩定。攪拌不會直接影響沼氣組分，它通過影響溫度與原料在發酵罐內的均勻分布來間接影響沼氣組分，同時攪拌會影響沼氣的順利溢出。合理控制3個主要影響因素，就能確保沼氣組分穩定，確保沼氣工程連續穩定運行。

參考文獻

1 李秀金.固體廢物工程[M].北京：中國環境科學出版社，2003：364-365.

2 宋學周.廢氣 廢水 固體廢物專項整治與綜合利用實務全書[M].北京：中國科學技術出版社，2000：1463-1468.

3 任南琪，王愛杰.厭氧生物技術原來與應用[M].北京：化學工業出版社，2004：176-180.

4 席北斗.有機固體廢棄物管理與資源化利用[M].北京：國防工業出版社，2006：67-69.

5 劉國治，尤宇嘉.中國餐廚垃圾厭氧處理工藝難點[J].中國沼氣，2011（6）：33-34.

6 黃光磊.濕硫化氫環境中碳鋼設備的防腐蝕[J].化工設備與防腐蝕，2004（1）：70-71.