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欧美沼气主要产出国工程技术汇总介绍

  随着全球能源和环境问题的日益突出。沼气工程作为一种能处理工农业废弃物,又能回收沼气能源的环境治理技术,在全世界受到重视。在沼气工程的规模和取得的环境效益方面,欧洲和美国名列前茅。特别是近10年沼气工程在欧洲取得了快速发展,其技术和模式走道了世界前列。本文针对欧美各国沼气工程技术限制进行汇总分析,希望能为我国沼气工程产业化发展提供参考。
 

欧美沼气主要产出国工程技术汇总介绍_湖北锐意自控
 
  一、 发酵原料
 
  1、欧洲工业废水处理沼气工程的原料主要是糖加工废水、土豆加工废水、造纸废水、啤酒废水等。污水处理厂沼气工程的原料是剩余污泥与初沉污泥。农场沼气工程发酵原料主要有三种:
 
  1) 畜禽粪便:牛粪、猪粪、鸡粪;
 
  2) 能源植物:主要是玉米及玉米杆,其它植物如青贮饲草、三叶草、向日葵、苏丹草也变得越来越重要;
 
  3) 有机废弃物:如食品与农产品加工废弃物,市场废弃物、市政垃圾有机物。
 
  2、德国,大约94%的农场沼气工程是混合原料发酵,牛粪或猪粪占混合发酵原料的比例在50%~80%之间。有机副产品、农产品和食品加工废弃物、能源作物以及作物收割残余物是最常用补充发酵原料。玉米和青草是最常用的能源作物,2009年德国能源作物的种植面积为56万~58万hm2,比2008年增加了6万~8万hm2,根据政策规定,每种植1hm2能源作物可获得45欧元的补助。因为每公顷玉米的甲烷产量高,青草具有输入成本低的特点。很少的狗骗你过程采用单一能源作物作为发酵原料。
 
  3、奥地利,大约10%的新建沼气工程只消化能源植物,消化能源植物与畜禽粪便混合原料的占65%,消化畜禽粪便与有机废弃物混合原料的大约占25%。新建的沼气工程很少采用单一发酵原料(占3.1%),往往是几种原料混合发酵,以4种、5种发酵原料的沼气工程最多,分别占26.1%和25%,有的多至6~7种发酵原料。能源植物与畜禽粪便混合发酵能保证系统稳定。如果只有能源植物或添加有机废弃物作原料,沼气工程的运行很困难,因为缓冲能力低、产气被回流液中的盐或氨氮抑制,系统容易失稳。
 
  4、丹麦有20%~50%的沼气工程发酵原料来源于非农业废弃物。农场沼气工程十分依赖食品工业的废油如鱼油和动物油。每m3废油可产沼气700~1000m3。在畜禽粪便中添加2%~5%的废油。沼气产量将翻倍,因此使投资变得更有吸引力。一个沼气工程每年需要500~900吨废油,整个丹麦每年总需要量大约5000吨,显著高于可供量,因此还需要从汉堡和鹿特丹进口。
 
  5、美国生产沼气大多数来自垃圾填埋场和城市废水处理的污泥处理,所用的原料主要是市政有机垃圾和污水处理厂的剩余污泥。
 
  二、 发酵工艺
 
  1、欧洲对于工业废水如糖加工废水、土豆加工废水、造纸废水、啤酒废水等原料,主要采用上流式污泥床(UASB)、膨胀颗粒床(EGSB)和内循环厌氧反应器(IC)等高效厌氧反应器。以污泥为原料的沼气工程采用完全混合式厌氧反应器(CSTR)。农场沼气工程则采用完全混合式厌氧反应器、推流式反应器或其组合工艺。
 
  在欧洲能源植物的原料VS产CH4率0.33m3/kg;能源植物于粪便混合原料VS产CH4率0.45m3/kg;能源植物、畜禽粪便与有机废弃物混合原料VS产CH4率0.32m3/kg。
 
  有机固体甲烷化从1990年以后成为厌氧消化新趋势。也是未来沼气产业的发展方向。这种类型的提供商在欧洲很多,每个公司都发展了自己的厌氧消化技术。主要技术包括:Valoiga、LindeBRV、Drsnco、BTAendKompogas工艺。
 
  2、德国农业沼气工程普遍采用湿式完全混合式发酵工艺。湿式发酵工艺的操作条件是发酵罐中的总固体浓度低于10%,使之可用于全混合消化罐。干式发酵工艺的操作条件是发酵罐中的总固体含量在15%和35%之间。目前在农业上,湿式发酵工艺占绝大多数。
 
  在德国采用湿式发酵工艺的沼气项目占总数的89%,只有40个左右的沼气工程采用了干发酵法,占总数的8%。沼气发酵罐以地上立式圆形为主。罐体材料为钢筋混凝土或搪瓷材料。罐体内部侧面或顶部中央安装有搅拌器。德国沼气工程的发酵罐平均容积为1000m3左右。产气、贮气一体化发酵罐得到了普遍的使用,发酵罐顶部一般为双层沼气贮气膜结构。
 
  卧式发酵罐(推流式工艺)主要用小工程或高固体含量的原料,在德国,约占沼气工程的4%,容积一般为150~600m3。
 
  3、奥地利采用完全混合式厌氧工艺的立式发酵罐沼气工程占84%左右,标准容易500和2000m3。完全混合式与推流式组合工艺占16%左右。
 
  在德国和欧洲,由于越来越多的沼气工程使用能源作物进行发酵,从而发展出新型的干湿同步发酵工艺。干湿同步发酵工艺由两个主要部分组成;一是用钢筋混凝土建造的干式发酵柜,二是大体积的循环水储存池。发酵原料经过好氧预处理后温度上升,然后进入干式发酵柜中,利用渗滤液回流原理,为干物质含量高的发酵原料增加水分。发酵柜中的原料经过干发酵的水解和酸化阶段后进入湿发酵罐,进入产酸和产甲烷阶段。
 
  该工艺产气稳定,保证了沼气发电的持续稳定性。厌氧发酵结束时,通过换气系统向干式发酵柜中通入空气,避免沼渣产生异味污染空气环境。
 
  4、美国农场主要采用如下三种厌氧消化工艺:
 
  1)覆膜厌氧塘
 
  在原有的畜粪储存塘上加盖一个膜收集沼气,处理粪污TS浓度0.5~3.0%,有机负荷低,一般用于处理粪污水处理。占总沼气工程的58%。
 
  2)全混合厌氧消化罐
 
  罐内有搅拌机和增温设施,顶盖用固定密封顶或膜顶收集沼气。当前,德国产气储气一体化厌氧罐新技术已经在美国一些农场得到应用。因其造价低和技术可靠。已逐步成为主流池型。现占总沼气工程的27%。
 
  3)塞流式厌氧消化器
 
  常用于牛场粪污处理,处理粪污Ts浓度5~13%。有机负荷为1~6KgCOD/m3•d。占总沼气工程的19%。
 
  其它少数农场也有采用ASBR和UASB工艺处理猪粪污水。
 
  三、发酵温度
 
  1、德国和奥地利的农场沼气工程,90%采用中温发醇,德国有大约9%的沼气工程采用高温发酵。奥地利只有3%左右采用高温发醇,另有3%左右采用一级高温、二级中温的组合发酵。
 
  2、美国绝大部分农业沼气工程采用中温发酵(35~40.5℃)。
 
  3、丹麦自1999年以后,新的联合沼气厂的建立,管理得到改进,产沼气量逐年提高。一些工厂从中温发酵转为高温发酵(52~55℃)。目前丹麦的沼气工程多采用高温发酵工艺。研究表明:经过高温,厌氧消化大肠杆菌可以从6~13×104个/ml降到5个/ml一下,还可以消除臭味,减少温室气体排放。
 
  四、工程装备
 
  1、德国、丹麦、荷兰等发达国家的沼气工程装备已达到了设计标准化、产品系列化、生产工业化,质量得到有效的控制。工程装备的组装技术也已模块化、规范化。德国的大型厌氧消化装置(容积在2000~5000m3)为圆柱型立式罐,多为钢结构,Lipp罐居多,如下图所示。
 
  中小型厌氧消化装置(容积在200~1500m3)多为圆柱型立式罐,钢结构或钢筋混凝土结构。二级厌氧消化装置(立式罐)顶部常常装有双膜储气罩,构成了发酵、储气一体化装置,既接生了单独储气装置的费用(比分体式降低15%左右)和占地面积,又解决了在寒冷地区冬季储气装置水封防冻的问题。
 
  配套设备如:带切割装置的高固形物的进料泵、低俗混合搅拌器、增温保温设施、生物脱硫装置等已形成专用、系列化产品,制造工业水平较高,产品性能稳定,很有实用价值和市场竞争力。
 
  2、欧洲农场沼气工程一般采用机械搅拌。早期,普遍采用快速潜水推进式搅拌。近期,低速搅拌逐渐成为发展趋势。另外,欧洲的沼气工程的机电设备操作基本实行自动控制,工程运行管理实施远程在线监测,工程运行管理人员很少,工程运行效果可控性强,能保证全年稳定运行。
 
  五、沼气净化
 
  沼气净化的程度取决于沼气的用途。沼气供热,需要脱水、脱硫;沼气发电,需要脱水、脱硫、脱有机卤化物;沼气作汽车燃料,需要脱水、脱硫、脱有机卤化物、脱二氧化碳;沼气并网,需要脱水、脱硫、脱有机卤化物、脱二氧化碳以及去除金属。沼气作为汽车燃料的净化要求最高:甲烷含量大于96%,水分含量低于15mg•Nm-3,H2S含量不超过100mg•Nm-3,颗粒物质限制在40μm以下。
 
  1、 在欧洲沼气净化具体方法如下:
 
  脱水:两相分离、冷却。当沼气用于并网时,脱水采用乙二醇或分子筛吸附,用于燃料时,含水率低于15mg•Nm-3。
 
  脱硫:Fe2O3,活性碳。水洗,可以同时脱硫和CO2。生物脱硫,在德国农业沼气工程普遍采用生物法脱硫,大部分采用发酵罐内生物脱硫,少部分采用罐外脱硫。因为生物脱硫技术比较简单,费用低并能满足发电机组的要求。
 
  脱有机卤化物、重金属:活性碳吸附法。
 
  脱氧:催化处理。
 
  脱CO2:水洗、变压吸附,可以同时脱硫和CO2。正在进行藻类光和固定。
 
  脱有机硅、碳氢化合物:活性碳吸附法。
 
  2、德国采用的沼气净化工艺主要分为压力水洗法、压力交替吸附法和氨洗法。最新的膜净化工艺还处于试验阶段,尚未投入到实际应用中。
 
  值得一提的是,德国要求沼气工程安装气体燃烧火炬,控制未利用的多余沼气排放到大气中,造成二次污染,产生爆炸、火灾隐患以及异味污染。根据法律条款VD13575,沼气工程只被允许向大气中排放不多于20m3/h的未经净化或未燃烧的沼气。
 
  六、沼气燃料电池
 
  最近几年。沼气作燃料电池的试验已经在整个欧洲进行。欧盟AMONCO项目研究结果已经显示出沼气燃料电池的潜力,例如:与目前的气体发动机相比,热电联产机组中燃料电池能提高效率。采用现代发动机可以将沼气发电效率从30%提高到35%,而燃料电池的电效率可以达到60%以上。在家庭,燃料电池能代替老的加热设备,直接供电供热。沼气燃料电池分为低温燃料电池和高温燃料电池。今后的发展趋势是高温燃料电池,因为它具有高效。甲烷纯度要求不高,沼气净化、转化系统简单,蒸汽需要量低(CO2用于转化)等优点。
 
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  单位名称:湖北锐意自控系统有限公司
 
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  大中型沼气工程监测方案Gasboard-9230可实时获取如温度、压力、pH以及沼气流量、成分浓度等运行参数,是大中型沼气工程验收、监督、运行的可靠数据来源;可分省、市、县、业主四级网络权限访问,对各大中型沼气工程数据进行统计报表,包括日、月、季度、年度数据报表,历史趋势分析等;可根据沼气流量、成分数据,指导确定大中型沼气工程的运行参数。
 
  系统组成:
 
  1)超声波气体流量计BF-3000(DN50-DN300)
 
  2)大中型沼气工程控制器Gasboard-9065
 
  3)温度传感器
 
  4)压力传感器、pH、液位传感器
 
  5)一体化沼气分析系统Gasboard-9060
 
  6)红外甲烷泄漏报警器等
 
  注:其中3、4、6可根据现场需求选配。脱硫系统监控必须安装项目5。
 
  


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