脱碳方式对沼气发酵甲烷原位富集的影响

甲烷原位富集是通过厌氧发酵直接制取生物天然气的一项技术,该技术通过将溶解在发酵液中的CO2持续脱除达到产出高甲烷含量沼气的目的,影响甲烷原位富集效果的关键是CO2的脱除方式。为了研究和探索适宜甲烷原位富集的脱碳方式,该文研究了空气吹脱、真空脱碳和超声波辅助空气吹脱3种脱碳方式对甲烷原位富集的影响。采用葡萄糖配制的人工废水为原料,在中温38℃条件下开展了厌氧发酵甲烷原位富集试验。结果表明,空气吹脱除碳方式下,发酵液日循环比率(daily recycle rates,DRR)为0.2和0.4 L/(L·d)时,所产沼气中甲烷平均体积分数分别达到了76.4%和78.3%,比对照组的65.4%分别提高了17%和20%;DRR为0.2 L/(L·d)空气吹脱组的累积甲烷产量与对照组相近,但DRR为0.4 L/(L·d)空气吹脱组累积甲烷产量比对照下降了15%,原因是吹脱提高了溶解氧含量并导致了抑制作用;在真空度0.1 MPa下真空脱碳组沼气甲烷体积分数比DRR为0.2 L/(L·d)的空气吹脱组下降了4.6%。超声波辅助空气吹脱试验结果表明,超声波可以加强CO2吹脱效果,在前3 min内其脱除CO2的速度比空气吹脱组提高了32%,同时经过21 min吹脱经其处理发酵液中游离态CO2的脱除量比单独空气吹脱组提高了29.8%。总之,控制空气吹脱携带溶解氧对厌氧发酵的抑制作用是甲烷原位富集工艺需重点考虑的因素,超声波对CO2空气吹脱能产生明显的促进作用,值得深入研究。     

中国沼气产业化途径与关键技术

对中国目前沼气发展状况和存在问题进行了分析,对中国沼气产业化的途径进行了探讨。指出沼气产业化要结合社会主义新农村建设发展集中供气,发展车用替代燃料和替代石油、天然气生产化工原料和产品。需要开发的关键技术有秸秆生物气化技术、沼气净化提纯技术和催化合成技术等。     

利用膜吸收技术分离沼气中CO2

为了综合沼气CO2化学吸收法和膜分离法技术的优点,采用疏水性聚丙烯中空纤维膜接触器作为反应器,以净化气中CH4体积分数、系统CO2传质速率和能耗因子为主要指标,研究了常压下乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)和三乙醇胺(TEA)吸收剂对模拟沼气的CO2分离性能。结果表明,膜CO2吸收技术可应用于沼气CO2分离,当采用MEA作为吸收剂,且沼气流量为120L/h时,净化气中CH4体积分数可达97.8%,而沼气流量为300L/h时,系统CO2传质速率达到最高,为18.03mol/(m2·h),且吸收剂的CO2分离性能排序为:MEA>DEA>TEA>H2O。能耗因子分析结果表明,0.175～0.20mol/mol为较优的MEA贫液CO2负荷,DEA的气液比可选择16.7L/L。膜CO2吸收系统的经济性分析结果显示,膜吸收系统具有较低的CO2分离成本,且当沼气工程规模由1000m3/d增加到12000m3/d时,膜CO2吸收系统的单位沼气CO2分离成本将下降78.6%,达到0.50元/m3。该文研究结果可对沼气的高效提纯提供参考。     

中小型沼气工程撬式沼气提纯系统设计与应用

根据中国中小型沼气工程分布范围广、地区差异性大、统筹规划难的现状，考虑到中小型沼气工程中出现的沼气净化提纯效率低、净化提纯效果差、成本高等问题，该研究设计了1套撬装式集约型的沼气提纯净化系统，分别从脱硫系统、脱碳系统、控制系统等方面设计出适合于装置制造的工艺方法。系统集成了干法脱硫、膜法脱碳和分子筛工艺，在进气量为500 Nm3/d、粗沼气压力为104 kPa的沼气工程条件下，进行了工程应用试验。通过检测，该装置稳定运行35 min后，提纯气中CH4质量分数可以达到97.88%，CO2低于2.5%，H2S质量浓度仅为16.7 mg/m3，CH4回收率为86.5%。设备运行成本为0.09元/Nm3沼气，且投资回收期仅为1.5 a。经过对比，该装置的提纯指标达到了国内生物天然气相关标准，且具有移动灵活、提纯效率高、成本低等优点。通过对本装置的应用研究表明，沼气提纯净化可实现中小型沼气工程生物天然气的高值化利用，为中小型沼气工程的发展拓宽途径。     

乙醇胺改性硅胶吸附剂对模拟沼气中CH_4/CO_2的分离性能

沼气的主要成分是CH4和CO2,有效地去除沼气中的CO2是确保沼气成为优质燃气的必要条件。吸附法是去除沼气中CO2的有效方法,研制性能优良的吸附剂是吸附法研究的核心问题。该文以FNG-II型硅胶为载体,乙醇胺(ethanolamine,MEA)为改性剂,制备了MEA改性硅胶吸附剂,表示为FS-MEA(FNG-II Silica-ethanolamine)。用X射线衍射、N2物理吸附脱附法、热重-差热、红外光谱等手段对吸附材料的结构、比表面积、孔结构、改性后结构变化等进行了分析。通过动态吸附分离试验,考察了FS-MEA对CH4/CO2的分离性能。结果表明:改性方法可将MEA附着在载体内孔表面,制得的FS-MEA可有效地分离CH4/CO2,但经过2次使用再生后,FS-MEA对CH4/CO2的分离性能有所下降,因此必须提高乙醇胺改性硅胶吸附剂的再生性能,才有可能使其应用于沼气提纯。     

沼气制取车用天然气级燃料系统

沼气精制后品质类似天然气,可以用作车用燃料,正成为能源领域一个重要分支。文中简介了沼气制取车用天然气级燃料系统的组成和工作过程,该系统以自行设计的中空纤维聚酰亚胺膜组件作为主纯化脱碳装置,并设计了脱水、脱硫、脱氧和脱氨装置。在反应温度为25℃条件下,对0.6 MPa的沼气原气进行初步试验,纯化前后沼气的组分含量变化如下：CH4从56.72%升至81.90%,CO2从37.80%降至13.69%,O2经过计算小于0.5%,H2S从45 mg/m3降至15 mg/m3,露点从12℃降至-19℃。该精制系统为大中型沼气工程膜分离纯化系统的开发提供了理论基础和实践依据。     

中国沼气产业对减排CO2量的模拟与预测

沼气是中国可再生能源建设的重点项目,可提供清洁能源替代化石燃料燃烧,减少温室气体排放,对缓解全球变暖趋势具有重要意义。该文利用复合回归模型对中国沼气行业的CO2减排量(CO2ER)与生物质资源、农村用能结构以及沼气利用现状等指标之间的数值关系进行模拟分析,结果表明:中国户用沼气行业的CO2减排量与沼气池使用量存在显著的线性关系(R2=0.992),与户均产气量存在明显的S函数关系(R2=0.677),大中型沼气工程行业的CO2减排量与池容之间存在显著的线性关系(R2=0.977);经多元线性回归和曲线拟合所得到的复合回归模型对户用沼气行业CO2减排量的拟合较好,各种替代情景下误差率均在5%以内;对大中型沼气工程行业CO2减排量的模拟在2006年后呈现较好的拟合效果,各种替代情景下误差率均在2%以内。依据《可再生能源发展‘十二五’规划》进行预测,2015年中国沼气行业可减少CO2排放6.18×107～1.38×108t。加强沼气科技研发,促使沼气工业化、规模化发展以及提升沼气利用品味,是保持沼气利用CO2减排重要地位的有效途径。     

生物有效微量元素改善沼气发酵性能研究进展

通过添加外源微量元素提高沼气发酵体系酶活力,是进一步提升沼气发酵系统的生物甲烷转化潜力的研究热点之一,但添加剂量和效果的不确定性制约了该项技术的发展。为了实现外源微量元素投加的可控性,促进高产稳产沼气发酵新技术的研究发展,该文从原料中微量元素背景值、沼气发酵体系中微量元素持有量、微量元素生理作用、投加效果、及影响微量元素在沼气发酵体系中化学形态迁移变化和生物有效性的因素等几个方面,论述了微量元素提升沼气发酵性能的原因和限制因素,总结了近年来国内外微量元素添加促进沼气发酵性能的研究进展,发现原料本底值差异和发酵体系内部环境的差异可能是导致微量元素在不同体系中化学形态分布和动态迁移转化差异的原因。该文认为阐明微量元素的生物有效利用率是开发微量元素精准投加技术的关键,而微量元素化学形态分布动态规律的揭示是实现微量元素在沼气发酵体系中生物有效利用的重要方面。     

中国“产业沼气”的开发及其应用前景

“产业沼气”是指规模化地生产并纯化沼气,使之能像天然气和液化气那样,由管道或气罐（瓶）输送和装运,方便地应用;有别于通常所说的农户沼气。中国天然气资源很紧缺,而能替代天然气的沼气的巨大资源潜力尚未被广泛认识和认真地开发。该文分析对比了欧盟国家开发产业沼气的成功实践,提出要使中国有机废物/液的沼气处理摆脱只讲环保公益、缺乏经济效益的被动局面,开发出可观的洁净商品沼气,实现环境效益和经济效益“双赢”。该文还分析了中国产业沼气的5种主要资源和实现产业化必须克服的技术、政策瓶颈。结论指出,中期内中国产业沼气具有相当于年产900亿m3天然气的开发潜力,是很有前景的生物质能源。     

中国农村户用沼气工程建设对减排CO2、SO2的贡献--分析与预测

农村户用沼气工程是中国可再生能源建设的重点项目,可为农村居民生活提供清洁的可再生能源,该工程的建设能减轻农村环境污染,有助于部分缓解全球气候变暖的趋势.该文根据国际通用的减排量计算方法,对中国农村户用沼气替代传统生物质能和煤炭所产生的CO2和SO2的减排量进行了计算分析,为制定农村能源发展战略和农村环境发展规划提供参考.研究结果表明,在1996～2003年间,每年可减少CO2排放39.76～419.39万t,减少SO2排放2.13～6.20万t.通过对2010、2020和2050年沼气替代农村传统能源减排CO2和SO2量的预测,证明农村户用沼气工程的建设可以有效减少CO2和SO2的排放.     

基于层次分析法和模糊综合评价的沼气工程技术筛选

不同沼气工程技术对地域自然条件、环境制约条件、原料种类等因素的适应性有较大差异,科学客观的沼气工程技术筛选方法,是保证沼气工程长期稳定发挥其最大能效的重要基础。该文提出了基于层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和模糊综合评价的沼气工程技术筛选方法和决策流程,构建了沼气工程技术筛选的指标体系;以领域专家实地调查结果为基础,通过AHP法获得沼气工程技术筛选不同指标的权重,然后采用模糊综合评价方法对沼气工程技术进行排序。利用该方法筛选的结果与武汉地区的实际运行效果一致。采用AHP和模糊综合评价方法相结合解决复杂的多因素决策问题,既能克服AHP指标不易量化的主观性,又能避免模糊综合评价方法对指标权重的忽视,可为沼气工程技术筛选提供科学方法。     

车用生物燃气工程范例余热定量评估及可利用性分析

针对车用生物燃气工程能耗高、余热利用率低的问题,该文以国内4个典型工程为基础,构建了产气规模为1万m3/d的示例工程,并对其进行余热分析.分析结果显示,此类工程用能量大,占总产能的30.01%~36.44%;余热利用率低,只有部分贫液余热得以回收;系统余热主要由脱碳塔顶气余热、脱碳贫液余热、压缩机余热、沼液余热和锅炉尾气余热5部分组成,其多为低品位余热、量大稳定.余热计算表明,在最冷月和最热月系统余热潜力分别为5.87×104、4.79×104MJ/d,最大节能潜力分别为74.81%和73.92%,节能潜力降序排列为沼液余热>贫液余热>塔顶气余热>压缩机余热>锅炉余热.余热可利用性分析认为工程余热可利用性较高,回收价值较大.     

大型秸秆沼气集中供气工程温室气体减排估算

发展秸秆沼气工程可有效地减少农业温室气体排放,科学核算温室气体减排量为管理和监督温室气体排放状况提供数据支撑。该文以河北省沧州市耿官屯大型秸秆沼气集中供气工程为研究对象,参考和借鉴了自愿减排项目方法学、CDM方法学,构建了大型秸秆沼气集中供气工程温室气体减排计量方法,包括项目边界、基准线排放量、项目排放量、泄漏量、减排量5个方面,计算了2014年耿官屯大型秸秆沼气集中供气工程温室气体减排量。研究结果表明:项目基准排放量包括秸秆处理产生的温室气体排放、未建秸秆沼气工程情况下农村居民生活用能及农田施用化肥生产耗能产生的温室气体排放。项目排放量包括秸秆与沼肥运输过程耗能排放、工程运行过程耗能排放及沼气处理温室气体排放,项目泄漏量即沼气生产、储存、管网供气和利用过程中产生的因物理泄漏所造成的排放。2014年耿官屯大型秸秆沼气集中供气工程基准线CO2排放量为5 776.15 t,项目排放量为57.53 t,泄漏量为136.59 t,减排量为5 582.03 t,约相当于2 100 t标准煤CO2排放量,每消耗1 t(干质量)秸秆可净减排3.56 t,每利用1 m3沼气可净减排11.50 kg。同时,在工程设计、管道设计、工程管理、工艺技术改良升级等方面提出了提升大型秸秆沼气工程温室气体减排能力的策略。     

鲜水葫芦与其汁液厌氧发酵产沼气效率比较

为开发高效处理水葫芦的厌氧发酵产沼气技术,该文在35℃中温条件下,分别以鲜水葫芦和经固液分离的水葫芦汁为发酵底物,应用实验室自行设计的2套完全混合搅拌反应器(CSTR)进行了厌氧发酵比较研究。结果表明,以水葫芦为底物直接进行厌氧发酵,最大容积负荷为2.0kg/(m3·d),挥发性固体(VS)产气率为267mL/g,容积产气率为0.61m3/(m3·d),滞留期为27d,平均甲烷体积分数为58%,而以水葫芦汁为底物,COD(化学需氧量)容积负荷可达6.0kg/(m3·d),原料(COD)产气率为231mL/g,容积产气率可达1.4m3/(m3·d),平均甲烷体积分数为66%,滞留期仅需2.4d,COD平均去除率达85%,MLVSS(挥发性悬浮物浓度)平均去除率可达88%。因此,对水葫芦进行固液分离,以水葫芦汁作为厌氧发酵原料可大大提高处理效率,为水葫芦资源化利用提供了一条新途径。     

基于膜蒸馏的沼液资源化处理研究进展

沼液可占湿法厌氧发酵后发酵剩余物总质量的80%以上,在农田土地承载量和运输成本的双重限制条件下,大型沼气工程的沼液很难通过还田利用的方式进行完全消纳。对沼液实行资源化处理既能减少沼液体积和降低对环境的潜在威胁,还可实现高附加值的资源回收,促进可持续的农业循环经济发展。作为膜分离技术中的重要分支,膜蒸馏在沼液处理过程中具有适应性强、膜污染程度低、避免发泡与快速脱氨等多方面的优势。在沼液处理与农业废弃物资源回收中具有广阔发展前景。为此,该研究从介绍膜蒸馏的基本原理出发,就膜蒸馏处理沼液过程中最核心的氨氮与水分回收部分进行详细的综述,并针对沼液处理过程中的营养物质回收与减量化处理进行了综合分析,最后对膜蒸馏用于沼气工程中的可行性进行简要计算。相比于其他沼液处理技术,膜蒸馏可在低成本与低碳足迹下实现沼液的资源回收与减量化处理,其处理沼液的成本与反渗透过程基本一致。在无外部能源供给的沼气工程中,膜蒸馏更适用于高有机负荷沼液处理,或对反渗透后剩余的高浓度沼液进行处理。     

沼气组分比例对其燃烧稳定性及层流燃烧特性的影响

为了获得沼气主要组分比例所占比例对其燃烧稳定性与层流燃烧特性的影响规律,试验测量了当量比范围为0.8~1.3、初始压力范围为0.1~0.3 MPa、初始温度为320 K、甲烷体积分数分别为47%、55.5%、59%条件下沼气的火焰发展特性。同时,分析了沼气主要组分比例所占比例对沼气层流燃烧时的火焰稳定性与燃烧速度的影响规律。结果表明,当初始温度为320 K、当量比为1.0、初始压力为0.1 MPa时,在不同甲烷体积分数下火焰前锋面均较为光滑,并呈准球形向外发展;当初始压力升高至0.2 MPa时,不同甲烷体积分数下火焰前锋面均出现了裂纹与火焰突起,优先扩散不稳定性初步显示;当初始压力继续升高至0.3 MPa时,优先扩散不稳定性逐步明显,同时,浮力不稳定性将初步显示。随着当量比的增加、初始压力的降低或沼气中甲烷体积分数的增加,马克斯坦长度逐渐增大,火焰稳定性逐步增强。在各工况下无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度随当量比的升高呈现先增加后降低的趋势,在当量比为1.1时达到最大;同时,随着初始压力的降低或甲烷体积分数的升高,无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度逐渐增大。     

生物质资源能源化与高值利用研究现状及发展前景

生物质是唯一能够直接转化为燃料的可再生能源，其开发利用既可以弥补低碳能源的需求，减少环境污染，也是中国实现"碳中和"目标的重要手段。该研究围绕以秸秆为主的生物质资源制备清洁能源和高值利用的总目标，系统分析生物质资源通过生物或热化学等转化途径制备气、液、固三相清洁能源的综合利用技术和模式，重点论述厌氧消化制备生物燃气、水热催化炼制醇烃燃料、裂解液化与生物油提质和生物质制备固体燃料4项技术发展现状与研究进展。在4项生物质转化技术中，厌氧消化制备生物天然气工业化程度最高，由于其大都基于大型养殖场建立，可有效解决原料收集问题，而且厌氧消化技术与沼气净化技术相对较为成熟，生物天然气可直接作为燃料、电力和热力来源供用户使用；由于生物质制备液体燃料中存在转化过程成本较高、产物分离困难、提质效率低、产品不稳定等问题，很难与当前应用端平稳接轨，因此水热催化炼制醇烃燃料、裂解液化制备生物油技术规模化发展水平较低；对于生物质制备固体燃料，其成型技术较为成熟，配套炉具的研发也有效解决了成型燃料应用端的问题，其规模化应用最大的难点在于原料的收集与存储。文章最后对未来生物天然气、生物质液体燃料与固体成型燃料发展前景进行展望，为实现农村生物质资源高效制备清洁能源及高值利用提供借鉴。