紅外沼氣分析儀在我國(guó)沼氣工程中的應(yīng)用

  “十二五”期間，國(guó)家發(fā)展改革委會(huì)同農(nóng)業(yè)部累計(jì)安排中央預(yù)算內(nèi)投資 142 億元用于農(nóng)村沼氣建設(shè)，并不斷優(yōu)化投資結(jié)構(gòu)。根據(jù)農(nóng)村沼氣發(fā)展面臨的新形勢(shì)，日前國(guó)家發(fā)改委調(diào)整中央投資方向，發(fā)布了《全國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，并提出到2020年國(guó)家沼氣總產(chǎn)量要達(dá)到207億立方米，其中重點(diǎn)用于支持規(guī)?；笮驼託夤こ毯蜕锾烊粴夤こ淘圏c(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)，這兩項(xiàng)工程總投資超過(guò)了“十三五”農(nóng)村沼氣工程總投資的60%，農(nóng)村沼氣也邁出了轉(zhuǎn)型升級(jí)的新步伐。截至目前，我國(guó)沼氣總產(chǎn)量158億立方米，這意味著未來(lái)5年內(nèi)，我國(guó)沼氣總產(chǎn)量將再增31.1%，中國(guó)沼氣事業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展的新時(shí)期。

一、我國(guó)沼氣工程管理存在的主要問(wèn)題

在我國(guó)沼氣事業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)沼氣工程規(guī)模正逐步由過(guò)去分散經(jīng)營(yíng)戶用沼氣為主向集中管理大中型沼氣工程為主的新格局轉(zhuǎn)變?；仡欉^(guò)去，農(nóng)村沼氣的發(fā)展可以用“成績(jī)巨大，問(wèn)題不少”來(lái)概括，究其原因，在于我國(guó)沼氣工程存在著明顯的技術(shù)障礙和不確定性，一些戶用沼氣業(yè)主疏于對(duì)工藝過(guò)程的管理，導(dǎo)致產(chǎn)氣率不高，大部分戶用沼氣工程閑置；不少企業(yè)建設(shè)的大中型沼氣工程普遍存在工藝簡(jiǎn)單粗放、運(yùn)行管理不規(guī)范、設(shè)備制造及配套不完善等問(wèn)題，使得大中型沼氣工程無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源化利用的效益zui大化，從而制約著我國(guó)大中型沼氣工程的發(fā)展。因此，不管是戶用小型沼氣工程還是大中型沼氣工程，要保證沼氣工程的運(yùn)行，就必須以沼氣工程監(jiān)測(cè)技術(shù)作為支撐，根據(jù)沼氣成分檢測(cè)數(shù)據(jù)，確切掌握沼氣工程運(yùn)行狀況，以優(yōu)化沼氣生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)氣率。

二、紅外沼氣分析儀在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

目前，上檢測(cè)沼氣成分的方法主要有五種：奧氏氣體分析法、熱催化燃燒檢測(cè)法、熱導(dǎo)元件檢測(cè)法、氣相色譜GC檢測(cè)法、紅外氣體分析法，五種沼氣成分檢測(cè)方法對(duì)比如下表。其中紅外氣體分析法相較于奧氏、熱催化燃燒、熱導(dǎo)元件、氣相色譜GC檢測(cè)方法，具有響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、儀器操作方便等優(yōu)勢(shì)，是目前zui有效且廣泛應(yīng)用的沼氣成分檢測(cè)方法。

伴隨著我國(guó)沼氣事業(yè)的蓬勃發(fā)展，基于紅外氣體分析法的紅外沼氣分析儀在我國(guó)各個(gè)沼氣工程領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

1.厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，預(yù)處理、接種比例、總固體濃度、原料、溫度和外源添加物等因素都對(duì)厭氧發(fā)酵有顯著影響。因此，除了要根據(jù)發(fā)酵原料選擇適宜的工藝類(lèi)型外，采用紅外沼氣分析儀監(jiān)測(cè)沼氣成分以掌握產(chǎn)氣效果，根據(jù)產(chǎn)氣效果掌握發(fā)酵運(yùn)行情況以調(diào)整厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)工藝，也是保障沼氣工程運(yùn)行的重要手段。

2.沼氣提純

沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳，此外，還含有微量的氫氣、硫化氫等。沼氣并入天然氣網(wǎng)，或用于車(chē)用燃料、發(fā)電、燃料電池等，一般都對(duì)其各組分有著嚴(yán)格的要求。例如，沼氣中通常含有60%以上的甲烷，而汽車(chē)天然氣甲烷含量須在90%以上。因此，需要通過(guò)采用變壓吸附(PSA)、水洗、碳酸丙烯酯和堿溶液吸收等物理和化學(xué)方法，對(duì)沼氣去雜純化，使之成為甲烷含量高、熱值和雜質(zhì)氣等條件符合天然氣標(biāo)準(zhǔn)要求的高品質(zhì)生物天然氣。沼氣經(jīng)提純成為生物天然氣，既可替代汽油，也可替代現(xiàn)有的CNG作為車(chē)用燃料。使用紅外沼氣分析儀監(jiān)測(cè)提純沼氣的甲烷與硫化氫含量，掌握甲烷回收率、脫硫效率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，業(yè)主可據(jù)此進(jìn)行厭氧發(fā)酵、提純過(guò)程的工藝優(yōu)化，以提高沼氣熱值和生物天然氣工程的經(jīng)濟(jì)效益。

3.熱電聯(lián)產(chǎn)

在熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目中，沼氣驅(qū)動(dòng)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，通常要求沼氣預(yù)處理系統(tǒng)的硫化氫去除能力達(dá)到99.9%，因此需要進(jìn)行沼氣質(zhì)量檢驗(yàn)。采用紅外沼氣分析儀對(duì)沼氣硫化氫含量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)以保證燃料條件達(dá)到要求，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)損壞和非計(jì)劃停用而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并且能夠幫助業(yè)主對(duì)內(nèi)部再循環(huán)率和預(yù)處理水平進(jìn)行調(diào)整，起到優(yōu)化燃燒的作用。

三、紅外沼氣分析儀在我國(guó)沼氣工程應(yīng)用中的問(wèn)題

1.技術(shù)依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴

早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外就開(kāi)始了紅外氣體分析技術(shù)的研究，而我國(guó)研究起步相對(duì)較晚，始于80年代。其中比較先進(jìn)的國(guó)家以德國(guó)、美國(guó)、日本為主，他們以銷(xiāo)售或合資的方式打入中國(guó)市場(chǎng)，從儀表結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化程度、技術(shù)性能來(lái)看，均比我國(guó)自主研發(fā)的產(chǎn)品有優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)使用的核心紅外氣體分析技術(shù)大部分依賴進(jìn)口，但對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)而言，國(guó)外進(jìn)口紅外沼氣分析儀價(jià)格昂貴，且進(jìn)口儀器維修流程復(fù)雜、維護(hù)困難，這無(wú)疑增加國(guó)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。為了扭轉(zhuǎn)國(guó)產(chǎn)分析儀器無(wú)法與進(jìn)口儀器相抗衡的技術(shù)逆差，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)紅外氣體分析技術(shù)進(jìn)行了深入了研究。

1990年，上海交大應(yīng)用物理采用國(guó)產(chǎn)元件組件了一套檢測(cè)大氣甲烷濃度的實(shí)驗(yàn)裝置。檢測(cè)靈敏度約7000ppm，是甲烷氣體大氣zui低爆炸極限的13%。

1996年，山西礦院對(duì)現(xiàn)有紅外氣體傳感器光路結(jié)構(gòu)的探討，設(shè)計(jì)了適用于井下的光學(xué)系統(tǒng)，并改進(jìn)了斬波技術(shù)，信號(hào)處理采用以單片機(jī)為核心的軟件處理技術(shù)。同年，合肥煤炭科學(xué)研究院對(duì)法國(guó)LEL-5610防爆型紅外二氧化碳檢測(cè)儀進(jìn)行了分析，并提出了幾種國(guó)產(chǎn)化方案。

2004年，由武漢四方光電科技有限公司所承擔(dān)的研究項(xiàng)目——非分光紅外(NDIR)氣體傳感器技術(shù)研究方面，取得了新進(jìn)展，這一研究結(jié)果使得我國(guó)紅外氣體傳感器關(guān)鍵技術(shù)研制達(dá)到了同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平，也打破了我國(guó)紅外氣體分析技術(shù)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局限。隨著微機(jī)、通訊技術(shù)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)紅外氣體傳感器研制所需的器材成本得以下降，從而使得國(guó)產(chǎn)紅外沼氣分析儀的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口產(chǎn)品。同時(shí)紅外沼氣分析儀的研制由于技術(shù)、材料、工藝領(lǐng)域的發(fā)展得到了技術(shù)革新的可靠保障，如交叉干擾誤差消除、在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)調(diào)零、線性輸出等都已成為現(xiàn)實(shí)。

如四方光電子公司-銳意自控自主生產(chǎn)研發(fā)的在線紅外沼氣分析儀Gasboard-3200，基于紅外氣體分析技術(shù)與長(zhǎng)壽命電化學(xué)技術(shù)，可同時(shí)測(cè)量沼氣中甲烷、二氧化碳、硫化氫、氧氣等多組分氣體的體積濃度，且多組分氣體間不交叉干擾；采用兩點(diǎn)標(biāo)定方法，進(jìn)氣口先后通入高純N2以及與待標(biāo)氣體對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氣體，可分別對(duì)儀器進(jìn)行零點(diǎn)與終點(diǎn)標(biāo)定，以減小零點(diǎn)漂移，相應(yīng)減小量程漂移；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)RS-485與RS-232模擬輸出接口傳輸至中控室，無(wú)需人工值守便可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。該在線紅外沼氣分析儀已廣泛應(yīng)用于厭氧發(fā)酵、垃圾填埋、污水處理等領(lǐng)域沼氣成分的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

2.儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難

繼2004年之后，我國(guó)對(duì)紅外氣體傳感器關(guān)鍵技術(shù)的研制雖然基本追平了同類(lèi)產(chǎn)品水平，且紅外氣體分析儀在研制與生產(chǎn)成本上具有較大優(yōu)勢(shì)，但與先進(jìn)技術(shù)相比，國(guó)產(chǎn)紅外氣體傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，同時(shí)還缺少小型化、減量化的紅外氣體分析設(shè)備來(lái)滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求與替代進(jìn)口產(chǎn)品，進(jìn)口紅外氣體分析儀在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍占據(jù)著主導(dǎo)地位，所以對(duì)國(guó)產(chǎn)紅外氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)模塊化的研究以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)儀器的減量化具有深刻意義。

四方光電作為大的紅外氣體傳感器的生廠商，一直致力于傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新研制，2016年公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)整合紅外氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了紅外氣體傳感器的模塊化升級(jí)，其特點(diǎn)如下：

①　傳感器模塊與分析儀器的其他設(shè)備相分離，更換快捷，儀器維護(hù)方便。

②　一個(gè)組分對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器模塊，可根據(jù)用戶需求快速組裝適合的氣體分析儀器。

③　傳感器模塊具備遠(yuǎn)程自診斷功能，可自動(dòng)檢查傳感器信號(hào)，工作人員可通過(guò)儀器診斷界面或物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)查看傳感器信號(hào)是否異常，以做出相應(yīng)的解決方案，有效解決技術(shù)人員操作不規(guī)范或流動(dòng)造成的儀器維護(hù)困難等問(wèn)題，大大省卻人工運(yùn)維成本。

基于母公司紅外氣體傳感器模塊化設(shè)計(jì)理念，同年銳意自控成功研制出了一款新型便攜式紅外沼氣分析儀Gasboard-3200Plus，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)紅外沼氣分析儀的減量化生產(chǎn)，該沼氣分析儀采用紅外氣體分析技術(shù)及長(zhǎng)壽命電化學(xué)技術(shù)，可同時(shí)測(cè)量沼氣成分中的甲烷、二氧化碳、硫化氫與氧氣等氣體含量，在延續(xù)上一代產(chǎn)品高精度、無(wú)耗材等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，儀器體積更小、質(zhì)量更輕、攜帶更方便、儀器維護(hù)更便捷，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)沼氣分析儀設(shè)備不易攜帶、維修困難等不足?？蓮V泛應(yīng)用于厭氧發(fā)酵、垃圾填埋、污水處理、科研院校實(shí)驗(yàn)室氣囊取樣等領(lǐng)域沼氣成分可靠準(zhǔn)確的測(cè)量。

便攜紅外沼氣分析儀Gasboard-3200Plus的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

除此之外，銳意自控已將模塊化傳感器應(yīng)用在公司所有的氣體分析儀器上，除便攜紅外沼氣分析儀外，其在線紅外沼氣分析儀、沼氣分析系統(tǒng)、沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)等核心傳感器部件均采用模塊化設(shè)計(jì)，有效的解決了傳統(tǒng)紅外氣體分析儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難等問(wèn)題。

四、國(guó)產(chǎn)紅外沼氣分析儀的應(yīng)用實(shí)例

1.沼氣分析系統(tǒng)

湖北省某農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社投資480萬(wàn)興建了總規(guī)模6000立方米的大型沼氣工程項(xiàng)目，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)該項(xiàng)目沼氣提純效果與產(chǎn)氣效果的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，合作社采用了一體化銳意自控沼氣分析系統(tǒng)Gasboard-9060，沼氣分析系統(tǒng)置于項(xiàng)目提純系統(tǒng)之后用來(lái)檢測(cè)甲烷、二氧化碳、硫化氫等組分含量，其氣體分析單則是采用在線紅外沼氣分析儀Gasboard-3200，主要用來(lái)檢測(cè)沼氣中甲烷、二氧化碳、硫化氫含量，工作人員則根據(jù)甲烷、二氧化碳、硫化氫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看沼氣脫碳、脫硫效果，以調(diào)整沼氣提純工藝，實(shí)現(xiàn)提純效果的*化，從而提高沼氣適應(yīng)性與熱值。

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

一體化沼氣分析系統(tǒng)Gasboard-9060現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

據(jù)了解，該沼氣項(xiàng)目的投入使用，滿足了全村360戶農(nóng)民的生活用氣，以及1.2萬(wàn)畝稻鰍共生系統(tǒng)有機(jī)肥需求，每年為該村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減少化肥使用量500噸，節(jié)約資金130萬(wàn)元，同時(shí)還提高了水稻產(chǎn)品質(zhì)量，為打造有機(jī)富硒大米，富硒鰍魚(yú)奠定了良好的基礎(chǔ)，為97戶扶貧對(duì)象提高了產(chǎn)業(yè)幫扶脫貧支撐，也為全省解決畜禽養(yǎng)殖污染，農(nóng)業(yè)廢棄物資源化綜合利用，發(fā)展生態(tài)循環(huán)有機(jī)農(nóng)業(yè)起到了典型示范作用。

2.沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)

為建設(shè)農(nóng)村生態(tài)文明、轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，在農(nóng)能辦的帶動(dòng)下，湖南省某公司在水庫(kù)旁建設(shè)了一個(gè)大型農(nóng)村循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)示范基地，并以種豬養(yǎng)殖場(chǎng)的水泡糞與生態(tài)園農(nóng)作物秸稈為發(fā)酵原料修建了大中型沼氣工程項(xiàng)目。該項(xiàng)目主體建筑為800立方米厭氧發(fā)酵罐、1000立方儲(chǔ)氣罐、微曝氣池、厭氧生化池、發(fā)電室與集中控制室等。

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)沼氣提純效果的監(jiān)測(cè)以及沼氣的綜合利用，該項(xiàng)目業(yè)主采用了銳意自控大中型沼氣工程監(jiān)測(cè)方案Gasboard-9230，對(duì)沼氣成分、沼氣流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)沼氣工程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該方案包括一體化沼氣分析系統(tǒng)Gasboard-9060、超聲波沼氣流量計(jì)BF-3000（DN50）及沼氣工程標(biāo)準(zhǔn)控制箱Gasboard-9065。Gasboard-9060置于提純系統(tǒng)之后，用來(lái)檢測(cè)甲烷、二氧化碳、硫化氫等組分含量；BF-3000同樣置于提純系統(tǒng)之后，用來(lái)計(jì)量日產(chǎn)沼氣量，測(cè)量沼氣溫度、壓力，為后續(xù)厭氧發(fā)酵工藝的優(yōu)化與沼氣的綜合利用提供可靠的數(shù)據(jù)參考。Gasboard-9065則用來(lái)讀取、顯示兩個(gè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至沼氣工程物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以便業(yè)主隨時(shí)查看。

大中型沼氣工程監(jiān)測(cè)方案Gasboard-9230檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

超聲波沼氣流量計(jì)BF-3000檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

其中，沼氣分析系統(tǒng)Gasboard-9060的核心傳感器部件采用模塊化設(shè)計(jì)，拆卸維護(hù)更方便；同時(shí)傳感器模塊具備遠(yuǎn)程診斷功能，業(yè)主無(wú)需對(duì)儀器進(jìn)行拆卸檢查，可直接通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)查看傳感器運(yùn)行狀態(tài)，如傳感器發(fā)生故障可及時(shí)產(chǎn)品售后處理，儀器維修方便快捷，極大的減輕了人工負(fù)荷，降低了運(yùn)維成本。

五、結(jié)語(yǔ)

在諸多利好政策的支持下，我國(guó)沼氣事業(yè)迎來(lái)了蓬勃發(fā)展新時(shí)期，農(nóng)村沼氣轉(zhuǎn)型升級(jí)也拉開(kāi)了序幕，在新的形勢(shì)下，沼氣工程科學(xué)化、專業(yè)化大勢(shì)所趨，因此沼氣產(chǎn)業(yè)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就必須加強(qiáng)沼氣工程的過(guò)程監(jiān)管。而以國(guó)產(chǎn)紅外氣體傳感器技術(shù)為核心的紅外沼氣成分監(jiān)測(cè)設(shè)備不僅在保證沼氣工程運(yùn)行、提升生物天然氣經(jīng)濟(jì)效益上發(fā)揮著重要作用，也將以其明顯的成本優(yōu)勢(shì)逐漸取代進(jìn)口產(chǎn)品成為助力我國(guó)沼氣事業(yè)發(fā)展的積極力量。

（來(lái)源：沼氣圈）