沼气是由各种有机物质在适宜温度、湿度及无空气的条件下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃气体。沼气的主要成分是CH4，含量为50%~70%；另外还含有30%~40%的CO2，0%~5%的N2，以及少量的H2、H2S、NH3、硫醇、硫醚和微量的不饱和烃垃圾渗滤液处理厌氧工艺过程中会产生大量的沼气，通常1m³垃圾渗滤液会产生15~30m³的沼气。

 

1 垃圾焚烧发电厂沼气回收利用

      沼气的热值约为36090kJ/m³，如果用内燃机来发电的话，每立方米纯净甲烷可以发电4kWh。当沼气中甲烷含量为60%~70%时，其低位热值为20934~25120kJ/m³。用内燃机发电每立方米沼气可以发电1.8~2kWh。沼气具有无烟、少灰、不产生污染等特性。将沼气中的C02提取后还可以把沼气制成天然气:CNG (压缩天然气）和LNG（液化天然气)。

1.1 沼气燃烧

      沼气通过沼气锅炉直接燃烧可以生产热水和蒸汽，多余的沼气通过火焰炬燃烧后排入大气，以便减少对环境的污染。这种应用方式一般用在沼气量较少，又没有稳定的热用户情况下使用。沼气燃烧原理如图1示。

 

1.2 沼气发电

      沼气通过内燃机发电是沼气能量利用的一种有效形式。沼气的能量在沼气发电过程中经历由化学能一热能一机械能一电能的转化过程，其能量转化效率受热力学第二定律的限制，热能不能完全转化为机械能，热能的卡诺循环效率小于40%，大部分能量随废气排掉。因此，将发动机的废气回收是提高沼气能量总利用效率的有效途径，有余热回收的发电系统总效率可以达到60%~70%。一般稍大点的沼气内燃机发电项目可以将内燃机产生的高温废气(420~550°C)导入余热锅炉，余热锅炉产生的热水和蒸汽提供给生产和生活使用。在垃圾焚烧发电厂中以沼气为燃料的内燃机可以不再另设余热锅炉，可以直接利用垃圾焚烧余热锅炉回收内燃机的废气余热，从而简化了系统，减少了投资。采用这种工艺每立方米沼气通过内燃机可以生产1.8~2kWh的电能，通过垃圾焚烧发电厂余热锅炉回收废气的余热发电还可以生产0.7kWh的电能，目前可再生能源发电上网电价为0.65元/kWh，经济效益显著。

       在4000kW以下的功率范围内，采用内燃机具有较高的利用效率。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电功率小。对于这种类型的发电动力设备，国际、国内普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则运行不经济。因此，采用沼气发动机 (内燃机）和发电机组是目前利用沼气最经济和有效的途径。 在理论上沼气也可利用燃气轮机发电，但沼气项目的规模要大，否则运行经济性差。沼气燃烧发电和余热回收利用工艺如图2所示。

       沼气在导入内燃机时一般需要进行预处理并经过稳压防爆装置。由于沼气中含有少量的H2S气体，该气体对发动机有强烈的腐蚀作用，因此沼气必须先进行脱硫。通常用氧化铁作为脱硫剂，而且可以反复再生使用，另外沼气中含有的饱和水需要去除。沼气作为燃气，其流量调节是基于压力差实现的，为了使调节准确，必须确保沼气压力稳定，因此在沼气进气管路上安装稳压装置。另外，为了防止进气管路回火引起沼气管路发生爆炸的问题，应在沼气供应管路上安装防回火与防爆装置。

      沼气发动机一般由柴油机改造而成，分为压燃式和点燃式两种。

      压燃式发动机采用柴油和沼气双燃料，通过压燃少量的柴油以点燃沼气进行燃烧做功。这种发动机的特点是可调节柴油与沼气的燃料比，当沼气供应正常时，发动机引燃油量可保持基本不变，只改变沼气供应量来适应外界负荷变化；当沼气不足甚至停气时，发动机能够自动转为燃烧柴油的工作方式。这种方式一般用在小型沼气发电项目中，对供电负荷可靠性连续性要求较高的场合般不会并网运行。缺点是系统复杂，所以大型沼气发电并网工程往往不采用这种发动机，而采用点燃式沼气发动机。

      点燃式沼气发动机的特点是结构简单，操作方便，一般采用较低的压缩比，用火花塞使沼气和空气混合气点火燃烧，而且无需辅助燃料，适合在中大型沼气工程上使用。沼气通过内燃机燃烧，产生的废气可以采用热交换器或者余热锅炉回收利用，该系统稍微复杂，但具有较好的经济效益、环保效益和社会效益。

2 用沼气制天然气并获取食品级的二氧化碳工艺

      沼气中含有30%~40%的CO2，可以很容易地制备成食品级的CO2。首先对沼气进行脱硫、脱碳、脱水等一系列净化处理，即可制得清洁无污染的使其燃烧热值大幅提升的清洁能源一天然气（甲院）。脱碳尾气还可以制取食品级液体二氧化碳，从而可以将沼气进行充分有效的利用。该工艺一般要求日产生沼气达15000m³以上，才可获得一定的经济效益。

      根据最终产品目标要求，可将沼气制成天然气直接输送至天然气管网作为民用燃气，或将天然气压缩至20~25MPa制成CNG(车用压缩天然气)作为车用燃料，也可以将沼气深冷液化最终制成LNG(液化天然气）。沼气制天然气并获取食品级的二氧化碳工艺流程图如图3所示。

3 应用实例

       徐州某垃圾焚烧厂垃圾渗滤液处理工程设计处理能力为300t/d，污水通过预处理后进入厌氧生化反应器，经过2.5个月对生化反应器的调试，进入正常运行阶段。在正常运行工况下每天对生化反应器进出口水流量、COD、pH、VFA等指标进行监测，连续核算记录生化反应器进出水水量、循环量、三相反应器沼气排放量好氧段生化反应沼气产生量，连续监测210d。厌氧反应器进出水COD浓度与去除率见图4。

      从图4可以看出，在25〜27周，厌氧反应器进水COD值最高为46000mg/L左右，出水C0D在8000〜9000mg/L内波动，COD去除率为80.4% ~82.6%。厌氧反应器出水中VFA浓度为2000~3000mg/L，较高的VFA有助于后续的好氧生物处理。

      图5为进水量、循环量、循环比与沼气产率图，从图中可以看出，厌氧反应器进水达到设计流量12.5m³/h左右时，厌氧反应器出水循环量大都集中在30~40m³/h，循环比在250%~320%内波动，1m3渗滤液沼气的产率约9~19m³，沼气的产率系数为每去除1kgCOD产生0.5m³沼气，沼气产率与COD产率线性相关，COD的去除率直接影响到沼气的产率。

      沼气的产生主要来自厌氧反应器，其主要成分是甲烷（CH4）,厌氧生物反应产生的沼气含甲烷量为50%~60%，热值约为20934kJ/m³。用沼气直接导入焚烧炉焚烧可以提高垃圾焚烧温度，改善垃圾焚烧污染物治理效果，沼气中含有的氨在垃圾焚烧炉中还可以把氮氧化物还原为氮气，从而降低烟气中的氮氧化物浓度，沼气中含有的硫化氢在燃烧后转化为二氧化硫,后续脱硫装置会将二氧化硫去除。

4.1 工作原理

       天禹智控的沼气浓度监测系统通过各种传感器采集沼气池的环境信息,数据在STC/STM单片机处理之后以数码管或LCD屏显示出来。系统将同时允许授权的用户,通过多种移动终端(如手机、PC等)掌握实时数据,实现远程监控。单片机通过实时比对数据与设定的阈值,来决定是否采取预警措施,保障沼气池的安全和正常工作。

4.2 系统硬件设计

       系统采用模块化设计,由单片机,传感器,数据显示模块,无线传输模块,报警电路等组成的智能监测与报警系统。

       系统通过各种传感器采集沼气池的环境信息,并通过触摸屏或LCD显示出来,可以在非规定工作时间内对沼气池安全进行监控,而后通过无线通信网络技术分析现场数据,对沼气池内各项指标进行综合评价,以便允许授权的用户通过多种移动终端(如手机、PC等)掌握实时数据,实现远程监控,通过分析数据与设定的数值,当测定数据超标时,通过预警系统通知客户或管理人员,保障沼气池的安全和正常工作。

4.3软件设计

       在系统实现开机操作之后，系统将调用模块实时监测沼气环境中各项指标的情况，如甲烷CH4含量、PH值、温度等。各项数据经单片机的处理，通过数据显示模块实时滚动显示，达到时刻监测的效果。同时数据还将实时与设定阈值进行比较。

       出于安全考虑，系统配置声光报警模块，一旦环境中的各项指标超过了设定的阈值，沼气浓度监测系统将通过远程终端（PC  端或APP）提醒工作人员，以便及时采取措施。通过这样的设计，能够实现池内问题早发现、早预警、早处理。

4.4 沼气浓度监测的意义

      天禹智控的沼气浓度监测系统以物联网技术为支撑，实时获取沼气池在发酵过程中池内甲烷CH4含量、二氧化碳CO2含量、PH值、温度等指标，并通过显示模块实时显示，能够使监测中心的工作人员实时获取数据，保证沼气池发酵安全。

      同时，系统的监测预警模块也会实时分析数据，在指标临近阈值时发出提醒，达到阈值时发出警报，及时告知工作人员。这样保证了即使远离工作岗位，也能即使采取措施。

      天禹智控的沼气浓度监测系统，是为了适应现代农业发展而提出的方案。该系统可实现实时显示、实时预警的功能、具有安全、稳定、实用性强、可预警可远程交互等优点，对于当代新型农业发展以及清洁能源建设有所帮助，在监测的同时也保障了安全。

 

5 结语

      水的净化保护是环境保护的一项非常重要内容，污水处理需要消耗较高的成本，利用自然界相生相克转化机理，通过对污水处理过程中产生的沼气进行治理并综合利用可以获得宝贵的电能及高品质的清洁能源和其他副产品。随着经济的发展、技术的进步和基础能源电价、天然气价格的提高，沼气的深度开发加工效益会越来越好，高浓度的垃圾渗滤液污水也可能变成能源和资源。这不仅有助于减少环境污染，而且还可以替代部分化石能源消耗，可以获得较好的经济效益、环境效益和社会效益。