四方仪器|手持式沼气检测仪在沼气高值化利用工程中的应用

　　当前，许多沼气工程将产出沼气用作锅炉加热或者为生活提供炊事、采暖、洗浴的热源，这类沼气利用方式系统组成简单，沼气的能量利用率高（约为70%~90%，因设备的不同而异）、维修管理方便，应用工艺成熟。但这种方式存在热量不平衡的矛盾，冬季需热量大，沼气产量可能无法满足热量需求；夏季需热量小，即使沼气产量低但仍供大于求，多余能量无法利用，很多情况下治好将多余的沼气直接排空，既污染大气，又浪费了资源。本文将就沼气的高值化利用方式——沼气燃料电池发电和沼气发电作出对比分析。

　　一、沼气燃料电池

　　1、沼气燃料电池的工作原理

　　沼气燃料电池是将沼气化学能转换位电能的一种装置，它所用的“燃料”并不燃烧，而是直接产生电能。沼气燃料电池系统一般由三个单元组成：燃料处理单元、发电单元和电流转换单元。

　　1）燃料处理单元主要部件是改质器，它以镍为催化剂、将甲烷转化为氢气。

　　2）发电单元基本部件由两个电极和电解质组成，氢气和氧化剂（O2）在两个电极上进行电化学反应，电解质则构成电池的内回路,其工作原理如下图：

图2、磷酸型燃料电池工作原理

　　3）电池转换系统的主要任务是把直流电转换为交流电。

　　2、沼气的预处理

　　沼气中的有用成分是甲烷，燃料电池要求甲烷的浓度在90%以上，其他成分如CO2、H2S等对燃料电池有不利影响。表1是沼气用作燃料电池各种气体含量的Z高限值及超过此限值时对燃料电池的影响。

　　沼气的提纯方法有：

　　1）用NaOH水溶液溶解吸收法；

　　2）沸石吸附法（PSA法）；

　　3）膜法，利用CH4和CO2透过膜的速度差来提纯CH4。

　　3、燃料电池的效率

　　与热机效率不同，燃料电池能量转换的效率不受内燃机因素的限制，其值等于电池反应的吉布斯焓变△G与燃烧反应热△H之比，可达90%左右。若考虑电动机、传动系统的效率，系统的发电效率可达40%~60%，有废热回收的系统总的能量利用率为70%~90%。

　　4、燃料电池的优缺点

　　优点：

　　1）效率高。一般内燃机受卡诺循环的限制，效率可达40%；

　　2）没有或极少有污染物排放；

　　3）燃料电池工作时不产生噪音和机械振动；

　　4）维护管理容易。

　　缺点：

　　1）缺乏长期运行经验；

　　2）排气中除H2S外，还可能含有微量磷废气，它们对环境的影响还不清楚。

　　二、沼气发电

　　沼气可有效地作为往复式发动机和汽轮机的主要燃料来源，以发动机的动力来驱动发电机发电，将沼气化学能转变为电能，是沼气能量的一种有效利用方式。

　　沼气发电系统中发动机的效率取决于发动机的设计和运行方式，沼气能量在这种方式下经历由化学能→热能→机械→电能的转换过程，其能量转换效率受热力学第二定理的限制，热能不能完全转化为机械能、热机的卡诺循环效率不超过40%，大部分能量随废气排出。因此，将发动机的废气回收以提高沼气能量总利用率的必要途径，余热回收的发电系统总效率可达到60%~70%。

　　沼气发电解决了沼气烧锅炉的热量供需矛盾，而且，沼气发电的经济收益要比直觉烧锅炉高很多。

　　三、沼气燃料电池发电与沼气发电对比

　　沼气燃料电池发电与沼气发电机发电相比不仅发电效率和能量利用率高，而且振动和噪音小，排除的废气氮氧化物和硫化物浓度低，是很有发展前途的沼气工艺。

　　以日本某污水处理厂沼气工程为例，其处理水量为20万m3/d、进水SS为120mg/L、SS去除率为90%的污水处理厂沼气燃料电池与沼气发电的经济对比分析见表2。

表2、沼气燃料电池与沼气发电机发电的经济比较

　　由表2可见，沼气燃料电池基建投资和运行费比沼气发电高，但发电量高，年盈利高。

　　四、总结

　　沼气利用的途径有很多，沼气工程应根据自身的特点和条件，因地制宜，合理利用，沼气才能得到充分利用并带来较高的经济效益和环境效益。

　　便携式硫化氢检测仪厂商与产品推荐

　　单位名称：四方仪器自控系统有限公司

　　产品推荐：便携沼气分析仪Gasboard-3200Plus

　　Gasboard-3200Plus采用国际领xian的非分光红外气体分析技术及长寿命电化学传感技术，可同时测量沼气成分中CH4、CO2、H2S、O2等气体的体积浓度。在延续上一代产品高精度、无耗材等优势等同时，体积减小75%，重量减小60%，小巧出众，携带更加方便。同时具有如下特点：

　　①可同时满足工业现场测量和实验室气囊取样分析需求。

　　②采用模块化设计，多组分测量气体间无交叉干扰。

　　③采用双通道设计，稳定性强。

　　④具备自诊断功能，可在线检查传感器状态。

　　⑤配置软启动电源开关，电池电量智能管理，避免仪器在低电量条件下工作。

　　⑥自动存储测量数据，具备查询、删除功能，可通过多种接口传输到上级集中控制系统。

　　⑦可采集气体流速(需配置手持式流速计)。

　　⑧具有蓝牙功能，能够将采集数据上传，APP显示。

　　⑨具有GPS定位功能。

　　（来源：沼气圈）