紅外沼氣分析儀在我國沼氣工程中的應(yīng)用

  “十二五”期間，國家發(fā)展改革委會同農(nóng)業(yè)部累計安排中央預(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，日前國家發(fā)改委調(diào)整中央投資方向，發(fā)布了《全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，并提出到2020年國家沼氣總產(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)型升級的新步伐。截至目前，我國沼氣總產(chǎn)量158億立方米，這意味著未來5年內(nèi)，我國沼氣總產(chǎn)量將再增31.1%，中國沼氣事業(yè)將迎來快速發(fā)展的新時期。

一、我國沼氣工程管理存在的主要問題

在我國沼氣事業(yè)快速發(fā)展的同時，我國沼氣工程規(guī)模正逐步由過去分散經(jīng)營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^去，農(nóng)村沼氣的發(fā)展可以用“成績巨大，問題不少”來概括，究其原因，在于我國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)主疏于對工藝過程的管理，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題，使得大中型沼氣工程無法實(shí)現(xiàn)資源化利用的效益zui大化，從而制約著我國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)測技術(shù)作為支撐，根據(jù)沼氣成分檢測數(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、熱催化燃燒檢測法、熱導(dǎo)元件檢測法、氣相色譜GC檢測法、紅外氣體分析法，五種沼氣成分檢測方法對比如下表。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檢測方法，具有響應(yīng)時間快、靈敏度高、使用壽命長、儀器操作方便等優(yōu)勢，是目前zui有效且廣泛應(yīng)用的沼氣成分檢測方法。

伴隨著我國沼氣事業(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各個沼氣工程領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

1.厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵是一個復(fù)雜的過程，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型外，采用紅外沼氣分析儀監(jiān)測沼氣成分以掌握產(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)，或用于車用燃料、發(fā)電、燃料電池等，一般都對其各組分有著嚴(yán)格的要求。例如，沼氣中通常含有60%以上的甲烷，而汽車天然氣甲烷含量須在90%以上。因此，需要通過采用變壓吸附(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作為車用燃料。使用紅外沼氣分析儀監(jiān)測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)動的燃?xì)獍l(fā)動機(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沼氣硫化氫含量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測以保證燃料條件達(dá)到要求，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)不會因?yàn)槌霈F(xiàn)損壞和非計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沼氣工程應(yīng)用中的問題

1.技術(shù)依賴進(jìn)口，價格昂貴

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

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

1996年，山西礦院對現(xiàn)有紅外氣體傳感器光路結(jié)構(gòu)的探討，設(shè)計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)研究院對法國LEL-5610防爆型紅外二氧化碳檢測儀進(jìn)行了分析，并提出了幾種國產(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)果使得我國紅外氣體傳感器關(guān)鍵技術(shù)研制達(dá)到了同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，也打破了我國紅外氣體分析技術(shù)長期依賴進(jìn)口的局限。隨著微機(jī)、通訊技術(shù)的發(fā)展，國產(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、自動調(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)與長壽命電化學(xué)技術(shù)，可同時測量沼氣中甲烷、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)氣體對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氣體，可分別對儀器進(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)測數(shù)據(jù)可通過RS-485與RS-232模擬輸出接口傳輸至中控室，無需人工值守便可實(shí)時在線監(jiān)測。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)時在線監(jiān)測。

2.儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難

繼2004年之后，我國對紅外氣體傳感器關(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，但與先進(jìn)技術(shù)相比，國產(chǎn)紅外氣體傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，同時還缺少小型化、減量化的紅外氣體分析設(shè)備來滿足國內(nèi)市場需求與替代進(jìn)口產(chǎn)品，進(jìn)口紅外氣體分析儀在國內(nèi)市場仍占據(jù)著主導(dǎo)地位，所以對國產(chǎn)紅外氣體傳感器檢測系統(tǒng)模塊化的研究以實(shí)現(xiàn)國產(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系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了紅外氣體傳感器的模塊化升級，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　一個組分對應(yīng)一個傳感器模塊，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，可自動檢查傳感器信號，工作人員可通過儀器診斷界面或物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)查看傳感器信號是否異常，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)范或流動造成的儀器維護(hù)困難等問題，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)及長壽命電化學(xué)技術(shù)，可同時測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、無耗材等優(yōu)勢的同時，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)確的測量。

便攜紅外沼氣分析儀Gasboard-3200Plus的現(xiàn)場檢測

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，有效的解決了傳統(tǒng)紅外氣體分析儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難等問題。

四、國產(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)對該項(xiàng)目沼氣提純效果與產(chǎn)氣效果的實(shí)時在線監(jiān)測，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)之后用來檢測甲烷、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，主要用來檢測沼氣中甲烷、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)時監(jiān)測數(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

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

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130萬元，同時還提高了水稻產(chǎn)品質(zhì)量，為打造有機(jī)富硒大米，富硒鰍魚奠定了良好的基礎(chǔ)，為97戶扶貧對象提高了產(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)能辦的帶動下，湖南省某公司在水庫旁建設(shè)了一個大型農(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

為了實(shí)現(xiàn)對沼氣提純效果的監(jiān)測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)測方案Gasboard-9230，對沼氣成分、沼氣流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，并通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對整個沼氣工程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。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，用來檢測甲烷、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，用來計量日產(chǎn)沼氣量，測量沼氣溫度、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則用來讀取、顯示兩個設(shè)備的監(jiān)測數(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)主隨時查看。

大中型沼氣工程監(jiān)測方案Gasboard-9230檢測現(xiàn)場

超聲波沼氣流量計BF-3000檢測現(xiàn)場

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，拆卸維護(hù)更方便；同時傳感器模塊具備遠(yuǎn)程診斷功能，業(yè)主無需對儀器進(jìn)行拆卸檢查，可直接通過物聯(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

在諸多利好政策的支持下，我國沼氣事業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展新時期，農(nóng)村沼氣轉(zhuǎn)型升級也拉開了序幕，在新的形勢下，沼氣工程科學(xué)化、專業(yè)化大勢所趨，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)沼氣工程的過程監(jiān)管。而以國產(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)勢逐漸取代進(jìn)口產(chǎn)品成為助力我國沼氣事業(yè)發(fā)展的積極力量。

（來源：沼氣圈）