新技術(shù)幫助沼氣廠實(shí)現(xiàn)優(yōu)化

　　有效的沼氣工藝過程優(yōu)化要求關(guān)鍵參數(shù)的就地監(jiān)測：甲烷、二氧化碳和濕度。在過去，這無法通過現(xiàn)成的監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)，維薩拉的 MGP261 為變廢為寶創(chuàng)造了機(jī)遇：提高了沼氣廠的盈利能力、幫助降低廢物量、減少溫室氣體排放，以及回收利用農(nóng)業(yè)用營養(yǎng)物。

　　世界各地的政府都在尋求降低溫室氣體 (GHG) 排放，以便應(yīng)對(duì)氣候變化、減少垃圾填埋，以及按照國際協(xié)議提高對(duì)可再生能源的利用率。因此，在許多國家/地區(qū)，提供補(bǔ)貼以便鼓勵(lì)沼氣領(lǐng)域的發(fā)展。

　　根據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu) (IRENA)，全球電力容量的三分之一現(xiàn)在基于可再生能源，并且在 2018 年的全部新增發(fā)電量中，接近三分之二來自可再生資源。最近大部分的增長都是由太陽能和風(fēng)能提供的，但在過去 10 年中，全球生物能電量大約是以前的三倍。

　　與風(fēng)能和太陽能相比，從濕腐廢物和農(nóng)產(chǎn)品生成沼氣所產(chǎn)生的可再生能源是更可靠且更具可預(yù)測性的來源。但是，隨著風(fēng)能和太陽能技術(shù)變得更高效以及沼氣補(bǔ)貼金額減少，沼氣領(lǐng)域不得不注重工藝過程優(yōu)化，以便保持利潤率、與其他能量產(chǎn)生形式競爭并且從長期來講是可維持的。

　　把廢物浪費(fèi)了？

　　廢物管理給社會(huì)帶來了巨大挑戰(zhàn)，而廢物越來越多地被視作資源。有機(jī)廢物由于其能夠生成甲烷（一種強(qiáng)大的溫室氣體）而尤為受到關(guān)注。來自有機(jī)廢物厭氧發(fā)酵 (AD) 的氣體可作為可再生能源的來源包含和利用。此類氣體的燃燒生成可再生熱量，或者在熱電聯(lián)產(chǎn) (CHP) 發(fā)動(dòng)機(jī)中，同時(shí)能夠發(fā)電和產(chǎn)生熱量。沼氣還可以升級(jí)到生物甲烷（>99% 甲烷）以便壓縮并注入天然氣網(wǎng)，或者用作運(yùn)輸燃料。AD 廠運(yùn)營商也可以通過將電能導(dǎo)出到電網(wǎng)、向本地商業(yè)或社區(qū)銷售熱量或沼氣，以及為進(jìn)廠廢料收取進(jìn)門費(fèi)，從而獲得收入。此類工廠產(chǎn)生的沼渣具有豐富的營養(yǎng)物，可用作土壤肥料和改良劑。

　　無論工藝過程如何，工廠都需要優(yōu)化沼氣的生產(chǎn)流程，同時(shí)盡量降低成本、廢物和停機(jī)時(shí)間。但是，沼氣是一種腐蝕性的易爆氣體，因此在過去，很難執(zhí)行在線監(jiān)測。截止到目前，解決方案就是提取樣本以便在工藝過程之外進(jìn)行分析。

　　為了實(shí)現(xiàn)高效的工藝流程優(yōu)化，維薩拉開發(fā)了 MGP261，它是現(xiàn)場三合一沼氣監(jiān)測儀表，用于同時(shí)測量甲烷、二氧化碳和濕度。重要的是，該儀表經(jīng)過了工業(yè)防爆危險(xiǎn)認(rèn)證，可用于分區(qū) 0/1，這支持在存在易爆氣體環(huán)境的管道和管線（管道周圍區(qū)域的等級(jí)為分區(qū) 1）進(jìn)行在線安裝。

　　厭氧消化 – 工藝過程

　　在沼氣池內(nèi)將進(jìn)行四個(gè)主要的工藝過程以便生成沼氣。這些工藝過程都通過不同的細(xì)菌組來促成，并且高效的工藝過程優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵特性就是保持這些微生物的健康平衡。這四個(gè)主要工藝過程是：

　　水解 – 復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)（例如蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪）由細(xì)菌酶分解為糖、脂肪酸和氨基酸。

　　酸化 – 不同的發(fā)酵反應(yīng)將較大的分子轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸、

　　酒精、氨、二氧化碳、氫和硫化氫。

　　乙酸化 – 發(fā)酵產(chǎn)品氧化成更簡單形式，例如醋酸酯和二氧化碳。

　　甲烷化 – 古生菌（單細(xì)胞有機(jī)體）將氫和乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。

　　對(duì)后兩個(gè)工藝過程的干擾將導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量的下降，并且可以通過甲烷:二氧化碳比率中的變化來檢測到。因此，需要進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

　　工藝過程監(jiān)測以便提高效率

　　沼氣中的 50% 到 75% 通常是甲烷，剩余的主要成分是二氧化碳和水蒸氣，還有少量其他氣體，例如上面提到的氣體。很明顯，通過監(jiān)測甲烷，可以衡量工廠的成功運(yùn)營；并且通過監(jiān)測甲烷:二氧化碳比率，可以向工廠運(yùn)營商提供沼氣池行為的持續(xù)實(shí)時(shí)指標(biāo)，以及沼氣池中微生物的狀態(tài)。

　　可以通過多種方式使用有關(guān)甲烷和二氧化碳的數(shù)據(jù)。首先，運(yùn)營商可以使用這些信息來調(diào)整裝載速率和廢料來源類型，如果可能，用來改進(jìn)細(xì)菌狀態(tài)。其次，在某一發(fā)動(dòng)機(jī)正在使用沼氣時(shí)，可以使用測量來優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能。第三，如果正在對(duì)沼氣進(jìn)行精煉以便注入天然氣網(wǎng)，則可以使用這些數(shù)據(jù)來通知生物甲烷升級(jí)過程。

　　當(dāng)然，還可以從反應(yīng)物中提取樣本以便進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)室分析。這可以提供工藝流程狀況的準(zhǔn)確指標(biāo)，但是，后續(xù)分析所導(dǎo)致的延遲意味著無法即時(shí)或自動(dòng)做出反應(yīng)，以便優(yōu)化工藝過程。因此，沼氣甲烷和二氧化碳的在線監(jiān)測有助于降低代價(jià)高昂的實(shí)驗(yàn)室分析的需要。

　　為什么監(jiān)測沼氣濕度？

　　沼氣中的濕度出于多種原因代表著潛在問題。氣體中的濕度可能會(huì)由于壓力或溫度的變化而發(fā)生冷凝 – 例如，在壓力調(diào)節(jié)器或傳輸管道中。此類冷凝可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的損害，必須加以避免。同樣，沼氣中多余的濕氣傳輸?shù)?CHP 發(fā)動(dòng)機(jī)中會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)油中的濕度，從而導(dǎo)致需要更頻繁地更換發(fā)動(dòng)機(jī)油。顯然，由于發(fā)動(dòng)機(jī)服務(wù)維護(hù)或維修而導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間應(yīng)該盡量縮短，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致用戶不滿，而且還可能導(dǎo)致每天收入損失 3000 到 5000 歐元。

　　濕度在活性炭過濾器的操作中也應(yīng)該嚴(yán)肅對(duì)待，因?yàn)榛钚蕴窟^濾器設(shè)計(jì)為在特定的濕度范圍內(nèi)工作。炭過濾器很常見，因?yàn)檎託庵械碾s質(zhì)（例如硫化氫、硅氧烷和其他多種有機(jī)氣體）需要去除，以便防止損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，或者生成足夠純度的生物甲烷以便適合于氣體到管網(wǎng) (G2G) 應(yīng)用。濕度過大可能導(dǎo)致炭過濾器過早磨損，從而造成代價(jià)高昂的補(bǔ)裝需要。某些工廠一年需要更換炭過濾器數(shù)次，這可能導(dǎo)致每年的支出超過 1 萬歐元。但是，濕度過低對(duì)于某些過濾器來說也可能是問題，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致炭過濾器的不充分操作。

　　為什么就地測量？

　　在過去，唯一的選擇是利用沼氣分析儀，提取樣本以便通過電化學(xué)或者固定波長紅外儀表進(jìn)行后續(xù)測量。這些技術(shù)要求頻繁的重新校準(zhǔn)，因此成本高、耗費(fèi)人力，并且可能損害工廠進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測的能力。還需要泵和氣體管道，并且需要對(duì)樣本進(jìn)行干燥，以便防止由于冷凝導(dǎo)致的誤差和潛在損壞。因此，這些儀表無法測量樣本濕度。這還意味著從提取儀表得到的測量結(jié)果是在干燥基礎(chǔ)上獲得的。根據(jù)定義，此類讀數(shù)將高于在潮濕基礎(chǔ)上通過就地測量獲得的讀數(shù)，盡管不論潮濕還是干燥，維薩拉的 MGP261 都可以提供測量。

　　在寒冷氣候下提取樣本還有凍結(jié)樣本管路的風(fēng)險(xiǎn)，這會(huì)阻止流動(dòng)并且導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。可以通過經(jīng)過工業(yè)防爆危險(xiǎn)認(rèn)證的跟蹤加熱管線糾正該問題，但這樣做成本高昂，因此很難實(shí)施。

　　電化學(xué)和固定波長紅外可提取氣體分析儀具有相對(duì)較短的工作壽命，在考慮總體擁有成本時(shí)這一點(diǎn)十分重要。此外，這些技術(shù)具有較短的校準(zhǔn)時(shí)間間隔，并且要求頻繁的采樣系統(tǒng)維護(hù)，因此運(yùn)行成本可能較高。

　　維薩拉 MGP261 克服了早期提取技術(shù)的缺點(diǎn)。

　　維薩拉的技術(shù)

　　作為現(xiàn)場三合一沼氣分析儀，MGP261 依賴于 CARBOCAP® 技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)已在其他許多工業(yè)領(lǐng)域中多年使用。它的特點(diǎn)在于，該儀表將用于測量甲烷、二氧化碳和濕度的第二代 CARBOCAP® 技術(shù)整合到一個(gè)緊湊型探頭中，該探頭經(jīng)過工業(yè)防爆危險(xiǎn)認(rèn)證，可以直接在腐蝕性的易爆沼氣流中操作。MGP261 還具有快速啟動(dòng)時(shí)間（不到 2 分鐘），適合于在經(jīng)過工業(yè)防爆危險(xiǎn)認(rèn)證的測量儀表中使用。

　　維薩拉 CARBOCAP® 傳感器具有電調(diào)諧法布里-珀羅干涉儀 (FPI) 濾波器。除了測量目標(biāo)種類之外，該微型機(jī)械 FPI 濾波器還能夠以不會(huì)發(fā)生吸收的波長執(zhí)行參考測量。在執(zhí)行參考測量時(shí)，該 FPI 濾波器進(jìn)行電動(dòng)調(diào)節(jié)，以便將帶通波段從吸收波長切換到非吸收波長。該參考測量補(bǔ)償光源強(qiáng)度中任何可能的變化以及光路中的污染，這意味著傳感器隨著時(shí)間的推移也高度可靠。

　　維薩拉采用微輝光紅外光源，用戶可以從其低功率、高度穩(wěn)定性以及長達(dá) 15 年的使用壽命中獲益。在 MGP261 內(nèi)，使用同一個(gè)濾光器測量濕度和二氧化碳，并且使用第二個(gè)光通道測量甲烷。在許多方面，這將實(shí)驗(yàn)室分光計(jì)的分析功能與工業(yè)過程控制儀表的簡單、堅(jiān)固的設(shè)計(jì)相結(jié)合。

　　從用戶的角度來說，該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括就地測量，這是對(duì)工藝過程狀況的直接監(jiān)測，沒有與其他方法相關(guān)聯(lián)的成本、問題和延遲。長期穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)少維護(hù) – 只需在探頭過濾器變臟時(shí)進(jìn)行更換，更換通常在發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)期間進(jìn)行。此外，該儀表的自我校準(zhǔn)功能將操作成本降低，因?yàn)闊o需技術(shù)人員頻繁進(jìn)行服務(wù)或校準(zhǔn)。而且，通過可靠的濕度控制減少了 CHP 發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)和停機(jī)時(shí)間，從而大大節(jié)省了資金。

　　在哪里進(jìn)行監(jiān)測?

　　此技術(shù)的應(yīng)用包括厭氧發(fā)酵和垃圾填埋場氣體監(jiān)測、沼氣處理工藝過程中的活性炭過濾監(jiān)測和 CHP 發(fā)動(dòng)機(jī)原料氣監(jiān)測。

　　在沼氣廠，甲烷、二氧化碳和濕度的典型監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)該在沼氣池內(nèi)部或后面，以便通過監(jiān)測 CH4:CO2 比率并相應(yīng)調(diào)節(jié)廢料裝載速率來優(yōu)化消化過程，或者位于熱交換器后，以便測量濕度來優(yōu)化干燥工藝。其他可能的監(jiān)測點(diǎn)可以在活性炭過濾器前面，對(duì)濕度進(jìn)行測量以便優(yōu)化過濾；在 CHP 發(fā)動(dòng)機(jī)前面，在這里測量濕度可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)，并且甲烷監(jiān)測有助于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能，或者在甲烷升級(jí)裝置前面，以便優(yōu)化工藝過程。

　　全球人口增長以及關(guān)聯(lián)的廢物管理問題，同時(shí)還需要降低溫室氣體排放，這是當(dāng)今世界面臨的主要挑戰(zhàn)。沼氣行業(yè)是解決方案的重要一環(huán)。但是，沼氣生產(chǎn)是一個(gè)有機(jī)過程，受到多種變因的影響。維薩拉 MGP261 能夠執(zhí)行準(zhǔn)確、可靠的在線監(jiān)測，可通過降低運(yùn)營成本和提高沼氣廠的效率對(duì)生產(chǎn)過程加以優(yōu)化，導(dǎo)致從廢物中獲得更高價(jià)值。