生物能源沼氣發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目中沼氣成分檢測(cè)方法的探討

厲亞輝，邱惠珍，俞建龍，楊遂平

(寶鋼氣體上?；繕?biāo)準(zhǔn)氣體有限公司，上海201713)

1 概述

沼氣屬于可再生能源中的生物能源，它是各種有機(jī)物質(zhì)在隔絕空氣(還原條件)、適宜的溫度、pH值條件下，經(jīng)過(guò)微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃燒氣體。沼氣屬于二次能源，并且是可再生能源。沼氣燃燒發(fā)電是隨著大型沼氣池建設(shè)和沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，它將厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，并裝有綜合發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能。沼氣發(fā)電具有創(chuàng)效、節(jié)能、安全和環(huán)保等特點(diǎn)，是一種分布廣泛且價(jià)廉的分布式能源。

1.1 因地制宜、就地供電

我國(guó)沼氣發(fā)電有30多年的歷史，在“十五”期間研制出20～600 kW純?nèi)颊託獍l(fā)電機(jī)組系列產(chǎn)品，氣耗率0.6～0.8 m3/(kW·h)(沼氣熱值 ～ ＞21 MJ/m3)。但國(guó)內(nèi)沼氣發(fā)電研究和應(yīng)用市場(chǎng)都還處于不完善階段，特別是適用于我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)小型沼氣發(fā)電技術(shù)研究更少，我國(guó)農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)還有許多地方嚴(yán)重缺電，如牧區(qū)、海島、偏僻山區(qū)等高壓輸電較為困難，而這些地區(qū)卻有著豐富的生物質(zhì)原料。如能因地制宜地發(fā)展小沼氣電站，則可取長(zhǎng)補(bǔ)短就地供電。

1.2 環(huán)保、節(jié)能，變廢為寶

沼氣發(fā)電技術(shù)是集環(huán)保和節(jié)能于一體的能源綜合利用新技術(shù)。它是利用工業(yè)、農(nóng)業(yè)或城鎮(zhèn)生活中的大量有機(jī)廢棄物(例如酒糟液、禽畜糞、城市垃圾和污水等)，經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣，驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電，并可充分將發(fā)電機(jī)組的余熱用于沼氣生產(chǎn)。

沼氣發(fā)電技術(shù)本身提供的是清潔能源，不僅解決了沼氣工程中的環(huán)境問(wèn)題、消耗了大量廢棄物、保護(hù)了環(huán)境、減少了溫室氣體的排放，而且變廢為寶，產(chǎn)生了大量的熱能和電能，符合能源再循環(huán)利用的環(huán)保理念，同時(shí)也帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因而沼氣發(fā)電得到國(guó)家政策大力支持。

1.3 雙贏回報(bào)機(jī)制

一般來(lái)說(shuō)，無(wú)論是單獨(dú)投資沼氣發(fā)電站或者是工廠自行投資發(fā)電機(jī)組都可以得到雙贏的回報(bào)效果。工廠將沼氣免費(fèi)提供給電站使用，沼氣電站作為工廠的自備電廠，其發(fā)出的電將以相對(duì)網(wǎng)電而言較低的價(jià)格出售給工廠。一方面解決了產(chǎn)生的沼氣處理的費(fèi)用問(wèn)題，另一方面可以得到免費(fèi)的原料來(lái)源，同時(shí)，可以就近供電，達(dá)到雙贏。

1.4 成本與收益分析

理想狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)配置的沼氣發(fā)電電站，電價(jià)可以按0.28元/(kW·h)考慮。對(duì)于工廠而言，以電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格0.70元/(kW·h)計(jì)，工廠沒(méi)有對(duì)電站投資，卻節(jié)省了0.38～0.47元/(kW·h)的電費(fèi)支出;對(duì)于電站而言，扣除運(yùn)行成本后，還有可觀的盈利。另外沼氣的主要成分甲烷作為溫室氣體的一種，其溫室氣體效應(yīng)是二氧化碳的21倍，因此，大型的沼氣發(fā)電項(xiàng)目還可申請(qǐng)CDM項(xiàng)目。

沼氣發(fā)電一般要求沼氣熱值＞21 MJ/m3，沼氣中雜質(zhì)含量如N2、H2S等應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，因此，沼氣的成分檢測(cè)及熱值的計(jì)算就起到了關(guān)鍵作用，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例介紹了沼氣成分分析的具體流程。

2 沼氣主要成分

沼氣主要成分見(jiàn)表1。

表1 沼氣主要成分Table 1 Main components of Biogas

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 儀器與試劑

儀器:GC-910(TCD)氣相色譜儀、HP5890(FID)氣相色譜儀、VARIAN3800(PFPD)氣相色譜儀。氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):上?；繕?biāo)準(zhǔn)氣體有限公司配制，詳見(jiàn)表2。

表2 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)列表Table 2 The list of standard gas

3.2 分析流程

無(wú)機(jī)部分組分由 GC-910(TCD)與 VARIAN3800(PFPD)氣相色譜儀檢測(cè);有機(jī)部分組分由HP5890(FID)氣相色譜儀檢測(cè)。

圖1 GC-910(TCD)氣相色譜儀色譜氣路系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of GC-910(TCD)gas chromatograph

3.3 分析條件

分析條件見(jiàn)表3。

3.4 譜圖

沼氣TCD譜圖及FID譜圖分別見(jiàn)圖2、3。

表3 分析條件表Table 3 The experimental condition

圖2 沼氣TCDFig.2 Biogas TCD

圖3 沼氣FIDFig.3 Biogas FID

3.5 檢測(cè)結(jié)果列表

檢測(cè)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

3.6 其它雜質(zhì)檢測(cè)

沼氣中氨、氯及微量元素的檢測(cè)對(duì)項(xiàng)目的運(yùn)行以及后續(xù)的排放有重要意義，采用原子吸收分光光度法與離子色譜法對(duì)燃?xì)庵薪饘匐x子和NH3、氯進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表4 分析結(jié)果表Table 4 The results of the analysis

表5 微量元素分析結(jié)果表Table 5 The results of the analysis Trace elements

4 熱值計(jì)算

燃?xì)饨M分氣體的熱值計(jì)算見(jiàn)表6。

根據(jù)表4的分析結(jié)果計(jì)算沼氣的低位熱值為21.73 MJ/m3。

表6 燃?xì)饨M分氣體的熱值Table 6 The calorific value of gas components

5 結(jié)論與討論

1.實(shí)踐證明，利用生物能源沼氣發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，不僅可以緩解企業(yè)用電、局部偏遠(yuǎn)地區(qū)供電成本高等問(wèn)題，而且可以減少?gòu)U棄物對(duì)環(huán)境的污染，減少溫室效應(yīng)氣體的排放，取得節(jié)能、增電、改善環(huán)境并達(dá)到能源循環(huán)利用的效果，為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益和綜合社會(huì)效益，特別值得大中型牛羊豬等養(yǎng)殖場(chǎng)推廣。

2.采用氣相色譜法(熱導(dǎo)、氫火焰、脈沖火焰光度檢測(cè)器)可全面分析沼氣成分，為沼氣發(fā)電熱值計(jì)算提供可靠數(shù)據(jù)，有利于沼氣發(fā)電質(zhì)量控制以及發(fā)電效率的改進(jìn)提高。

3.如需持續(xù)提高沼氣發(fā)電質(zhì)量及加強(qiáng)安全生產(chǎn)控制，還可以采用其他分析方法，對(duì)沼氣中氨、氯及微量元素作進(jìn)一步檢測(cè)。

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