变废为宝

新技术帮助沼气厂实现优化

有效的沼气工艺过程优化要求关键参数的就地监测：甲烷、二氧化碳和湿度。在过去，这无法通过现成的监测技术实现，维萨拉的 MGP261 为变废为宝创造了机遇：提高了沼气厂的盈利能力、帮助降低废物量、减少温室气体排放，以及回收利用农业用营养物。

世界各地的政府都在寻求降低温室气体 (GHG) 排放，以便应对气候变化、减少垃圾填埋，以及按照国际协议提高对可再生能源的利用率。因此，在许多国家/地区，提供补贴以便鼓励沼气领域的发展。

根据国际可再生能源机构 (IRENA)，全球电力容量的三分之一现在基于可再生能源，并且在 2018 年的全部新增发电量中，接近三分之二来自可再生资源。最近大部分的增长都是由太阳能和风能提供的，但在过去 10 年中，全球生物能电量大约是以前的三倍。

与风能和太阳能相比，从湿腐废物和农产品生成沼气所产生的可再生能源是更可靠且更具可预测性的来源。但是，随着风能和太阳能技术变得更高效以及沼气补贴金额减少，沼气领域不得不注重工艺过程优化，以便保持利润率、与其他能量产生形式竞争并且从长期来讲是可维持的。

把废物浪费了？

废物管理给社会带来了巨大挑战，而废物越来越多地被视作资源。有机废物由于其能够生成甲烷（一种强大的温室气体）而尤为受到关注。来自有机废物厌氧发酵 (AD) 的气体可作为可再生能源的来源包含和利用。此类气体的燃烧生成可再生热量，或者在热电联产 (CHP) 发动机中，同时能够发电和产生热量。沼气还可以升级到生物甲烷（>99% 甲烷）以便压缩并注入天然气网，或者用作运输燃料。AD 厂运营商也可以通过将电能导出到电网、向本地商业或社区销售热量或沼气，以及为进厂废料收取进门费，从而获得收入。此类工厂产生的沼渣具有丰富的营养物，可用作土壤肥料和改良剂。

无论工艺过程如何，工厂都需要优化沼气的生产流程，同时尽量降低成本、废物和停机时间。但是，沼气是一种腐蚀性的易爆气体，因此在过去，很难执行在线监测。截止到目前，解决方案就是提取样本以便在工艺过程之外进行分析。

为了实现高效的工艺流程优化，维萨拉开发了 MGP261，它是现场三合一沼气监测仪表，用于同时测量甲烷、二氧化碳和湿度。重要的是，该仪表经过了工业防爆危险认证，可用于分区 0/1，这支持在存在易爆气体环境的管道和管线（管道周围区域的等级为分区 1）进行在线安装。

厌氧消化 – 工艺过程

在沼气池内将进行四个主要的工艺过程以便生成沼气。这些工艺过程都通过不同的细菌组来促成，并且高效的工艺过程优化的一个关键特性就是保持这些微生物的健康平衡。这四个主要工艺过程是：

水解 – 复杂的有机物质（例如蛋白质、碳水化合物和脂肪）由细菌酶分解为糖、脂肪酸和氨基酸。
酸化 – 不同的发酵反应将较大的分子转化为有机酸、
酒精、氨、二氧化碳、氢和硫化氢。
乙酸化 – 发酵产品氧化成更简单形式，例如醋酸酯和二氧化碳。
甲烷化 – 古生菌（单细胞有机体）将氢和乙酸转化为甲烷和二氧化碳。

对后两个工艺过程的干扰将导致沼气产量的下降，并且可以通过甲烷:二氧化碳比率中的变化来检测到。因此，需要进行持续监测。

工艺过程监测以便提高效率

沼气中的 50% 到 75% 通常是甲烷，剩余的主要成分是二氧化碳和水蒸气，还有少量其他气体，例如上面提到的气体。很明显，通过监测甲烷，可以衡量工厂的成功运营；并且通过监测甲烷:二氧化碳比率，可以向工厂运营商提供沼气池行为的持续实时指标，以及沼气池中微生物的状态。

可以通过多种方式使用有关甲烷和二氧化碳的数据。首先，运营商可以使用这些信息来调整装载速率和废料来源类型，如果可能，用来改进细菌状态。其次，在某一发动机正在使用沼气时，可以使用测量来优化发动机性能。第三，如果正在对沼气进行精炼以便注入天然气网，则可以使用这些数据来通知生物甲烷升级过程。

当然，还可以从反应物中提取样本以便进行后续实验室分析。这可以提供工艺流程状况的准确指标，但是，后续分析所导致的延迟意味着无法即时或自动做出反应，以便优化工艺过程。因此，沼气甲烷和二氧化碳的在线监测有助于降低代价高昂的实验室分析的需要。

为什么监测沼气湿度？

沼气中的湿度出于多种原因代表着潜在问题。气体中的湿度可能会由于压力或温度的变化而发生冷凝 – 例如，在压力调节器或传输管道中。此类冷凝可能会导致严重的损害，必须加以避免。同样，沼气中多余的湿气传输到 CHP 发动机中会增加发动机油中的湿度，从而导致需要更频繁地更换发动机油。显然，由于发动机服务维护或维修而导致的发动机停机时间应该尽量缩短，因为这可能会导致用户不满，而且还可能导致每天收入损失 3000 到 5000 欧元。

湿度在活性炭过滤器的操作中也应该严肃对待，因为活性炭过滤器设计为在特定的湿度范围内工作。炭过滤器很常见，因为沼气中的杂质（例如硫化氢、硅氧烷和其他多种有机气体）需要去除，以便防止损坏发动机，或者生成足够纯度的生物甲烷以便适合于气体到管网 (G2G) 应用。湿度过大可能导致炭过滤器过早磨损，从而造成代价高昂的补装需要。某些工厂一年需要更换炭过滤器数次，这可能导致每年的支出超过 1 万欧元。但是，湿度过低对于某些过滤器来说也可能是问题，因为这可能会导致炭过滤器的不充分操作。

为什么就地测量？

在过去，唯一的选择是利用沼气分析仪，提取样本以便通过电化学或者固定波长红外仪表进行后续测量。这些技术要求频繁的重新校准，因此成本高、耗费人力，并且可能损害工厂进行持续监测的能力。还需要泵和气体管道，并且需要对样本进行干燥，以便防止由于冷凝导致的误差和潜在损坏。因此，这些仪表无法测量样本湿度。这还意味着从提取仪表得到的测量结果是在干燥基础上获得的。根据定义，此类读数将高于在潮湿基础上通过就地测量获得的读数，尽管不论潮湿还是干燥，维萨拉的 MGP261 都可以提供测量。

在寒冷气候下提取样本还有冻结样本管路的风险，这会阻止流动并且导致错误数据。可以通过经过工业防爆危险认证的跟踪加热管线纠正该问题，但这样做成本高昂，因此很难实施。

电化学和固定波长红外可提取气体分析仪具有相对较短的工作寿命，在考虑总体拥有成本时这一点十分重要。此外，这些技术具有较短的校准时间间隔，并且要求频繁的采样系统维护，因此运行成本可能较高。

维萨拉 MGP261 克服了早期提取技术的缺点。

维萨拉的技术

作为现场三合一沼气分析仪，MGP261 依赖于 CARBOCAP® 技术，这项技术已在其他许多工业领域中多年使用。它的特点在于，该仪表将用于测量甲烷、二氧化碳和湿度的第二代 CARBOCAP® 技术整合到一个紧凑型探头中，该探头经过工业防爆危险认证，可以直接在腐蚀性的易爆沼气流中操作。MGP261 还具有快速启动时间（不到 2 分钟），适合于在经过工业防爆危险认证的测量仪表中使用。

维萨拉 CARBOCAP® 传感器具有电调谐法布里-珀罗干涉仪 (FPI) 滤波器。除了测量目标种类之外，该微型机械 FPI 滤波器还能够以不会发生吸收的波长执行参考测量。在执行参考测量时，该 FPI 滤波器进行电动调节，以便将带通波段从吸收波长切换到非吸收波长。该参考测量补偿光源强度中任何可能的变化以及光路中的污染，这意味着传感器随着时间的推移也高度可靠。

维萨拉采用微辉光红外光源，用户可以从其低功率、高度稳定性以及长达 15 年的使用寿命中获益。在 MGP261 内，使用同一个滤光器测量湿度和二氧化碳，并且使用第二个光通道测量甲烷。在许多方面，这将实验室分光计的分析功能与工业过程控制仪表的简单、坚固的设计相结合。

从用户的角度来说，该技术的主要优点包括就地测量，这是对工艺过程状况的直接监测，没有与其他方法相关联的成本、问题和延迟。长期稳定性实现少维护 – 只需在探头过滤器变脏时进行更换，更换通常在发动机维护期间进行。此外，该仪表的自我校准功能将操作成本降低，因为无需技术人员频繁进行服务或校准。而且，通过可靠的湿度控制减少了 CHP 发动机维护和停机时间，从而大大节省了资金。

在哪里进行监测?

此技术的应用包括厌氧发酵和垃圾填埋场气体监测、沼气处理工艺过程中的活性炭过滤监测和 CHP 发动机原料气监测。

在沼气厂，甲烷、二氧化碳和湿度的典型监测点应该在沼气池内部或后面，以便通过监测 CH4:CO2 比率并相应调节废料装载速率来优化消化过程，或者位于热交换器后，以便测量湿度来优化干燥工艺。其他可能的监测点可以在活性炭过滤器前面，对湿度进行测量以便优化过滤；在 CHP 发动机前面，在这里测量湿度可以实现发动机保护，并且甲烷监测有助于优化发动机性能，或者在甲烷升级装置前面，以便优化工艺过程。

全球人口增长以及关联的废物管理问题，同时还需要降低温室气体排放，这是当今世界面临的主要挑战。沼气行业是解决方案的重要一环。但是，沼气生产是一个有机过程，受到多种变因的影响。维萨拉 MGP261 能够执行准确、可靠的在线监测，可通过降低运营成本和提高沼气厂的效率对生产过程加以优化，导致从废物中获得更高价值。