新技術幫助沼氣廠實現優化

　　有效的沼氣工藝過程優化要求關鍵參數的就地監測：甲烷、二氧化碳和濕度。在過去，這無法通過現成的監測技術實現，維薩拉的 MGP261 為變廢為寶創造了機遇：提高了沼氣廠的盈利能力、幫助降低廢物量、減少溫室氣體排放，以及回收利用農業用營養物。

　　世界各地的政府都在尋求降低溫室氣體 (GHG) 排放，以便應對氣候變化、減少垃圾填埋，以及按照國際協議提高對可再生能源的利用率。因此，在許多國家/地區，提供補貼以便鼓勵沼氣領域的發展。

　　根據國際可再生能源機構 (IRENA)，全球電力容量的三分之一現在基于可再生能源，并且在 2018 年的全部新增發電量中，接近三分之二來自可再生資源。最近大部分的增長都是由太陽能和風能提供的，但在過去 10 年中，全球生物能電量大約是以前的三倍。

　　與風能和太陽能相比，從濕腐廢物和農產品生成沼氣所產生的可再生能源是更可靠且更具可預測性的來源。但是，隨著風能和太陽能技術變得更高效以及沼氣補貼金額減少，沼氣領域不得不注重工藝過程優化，以便保持利潤率、與其他能量產生形式競爭并且從長期來講是可維持的。

　　把廢物浪費了？

　　廢物管理給社會帶來了巨大挑戰，而廢物越來越多地被視作資源。有機廢物由于其能夠生成甲烷（一種強大的溫室氣體）而尤為受到關注。來自有機廢物厭氧發酵 (AD) 的氣體可作為可再生能源的來源包含和利用。此類氣體的燃燒生成可再生熱量，或者在熱電聯產 (CHP) 發動機中，同時能夠發電和產生熱量。沼氣還可以升級到生物甲烷（>99% 甲烷）以便壓縮并注入天然氣網，或者用作運輸燃料。AD 廠運營商也可以通過將電能導出到電網、向本地商業或社區銷售熱量或沼氣，以及為進廠廢料收取進門費，從而獲得收入。此類工廠產生的沼渣具有豐富的營養物，可用作土壤肥料和改良劑。

　　無論工藝過程如何，工廠都需要優化沼氣的生產流程，同時盡量降低成本、廢物和停機時間。但是，沼氣是一種腐蝕性的易爆氣體，因此在過去，很難執行在線監測。截止到目前，解決方案就是提取樣本以便在工藝過程之外進行分析。

　　為了實現高效的工藝流程優化，維薩拉開發了 MGP261，它是現場三合一沼氣監測儀表，用于同時測量甲烷、二氧化碳和濕度。重要的是，該儀表經過了工業防爆危險認證，可用于分區 0/1，這支持在存在易爆氣體環境的管道和管線（管道周圍區域的等級為分區 1）進行在線安裝。

　　厭氧消化 – 工藝過程

　　在沼氣池內將進行四個主要的工藝過程以便生成沼氣。這些工藝過程都通過不同的細菌組來促成，并且高效的工藝過程優化的一個關鍵特性就是保持這些微生物的健康平衡。這四個主要工藝過程是：

　　水解 – 復雜的有機物質（例如蛋白質、碳水化合物和脂肪）由細菌酶分解為糖、脂肪酸和氨基酸。

　　酸化 – 不同的發酵反應將較大的分子轉化為有機酸、

　　酒精、氨、二氧化碳、氫和硫化氫。

　　乙酸化 – 發酵產品氧化成更簡單形式，例如醋酸酯和二氧化碳。

　　甲烷化 – 古生菌（單細胞有機體）將氫和乙酸轉化為甲烷和二氧化碳。

　　對后兩個工藝過程的干擾將導致沼氣產量的下降，并且可以通過甲烷:二氧化碳比率中的變化來檢測到。因此，需要進行持續監測。

　　工藝過程監測以便提高效率

　　沼氣中的 50% 到 75% 通常是甲烷，剩余的主要成分是二氧化碳和水蒸氣，還有少量其他氣體，例如上面提到的氣體。很明顯，通過監測甲烷，可以衡量工廠的成功運營；并且通過監測甲烷:二氧化碳比率，可以向工廠運營商提供沼氣池行為的持續實時指標，以及沼氣池中微生物的狀態。

　　可以通過多種方式使用有關甲烷和二氧化碳的數據。首先，運營商可以使用這些信息來調整裝載速率和廢料來源類型，如果可能，用來改進細菌狀態。其次，在某一發動機正在使用沼氣時，可以使用測量來優化發動機性能。第三，如果正在對沼氣進行精煉以便注入天然氣網，則可以使用這些數據來通知生物甲烷升級過程。

　　當然，還可以從反應物中提取樣本以便進行后續實驗室分析。這可以提供工藝流程狀況的準確指標，但是，后續分析所導致的延遲意味著無法即時或自動做出反應，以便優化工藝過程。因此，沼氣甲烷和二氧化碳的在線監測有助于降低代價高昂的實驗室分析的需要。

　　為什么監測沼氣濕度？

　　沼氣中的濕度出于多種原因代表著潛在問題。氣體中的濕度可能會由于壓力或溫度的變化而發生冷凝 – 例如，在壓力調節器或傳輸管道中。此類冷凝可能會導致嚴重的損害，必須加以避免。同樣，沼氣中多余的濕氣傳輸到 CHP 發動機中會增加發動機油中的濕度，從而導致需要更頻繁地更換發動機油。顯然，由于發動機服務維護或維修而導致的發動機停機時間應該盡量縮短，因為這可能會導致用戶不滿，而且還可能導致每天收入損失 3000 到 5000 歐元。

　　濕度在活性炭過濾器的操作中也應該嚴肅對待，因為活性炭過濾器設計為在特定的濕度范圍內工作。炭過濾器很常見，因為沼氣中的雜質（例如硫化氫、硅氧烷和其他多種有機氣體）需要去除，以便防止損壞發動機，或者生成足夠純度的生物甲烷以便適合于氣體到管網 (G2G) 應用。濕度過大可能導致炭過濾器過早磨損，從而造成代價高昂的補裝需要。某些工廠一年需要更換炭過濾器數次，這可能導致每年的支出超過 1 萬歐元。但是，濕度過低對于某些過濾器來說也可能是問題，因為這可能會導致炭過濾器的不充分操作。

　　為什么就地測量？

　　在過去，唯一的選擇是利用沼氣分析儀，提取樣本以便通過電化學或者固定波長紅外儀表進行后續測量。這些技術要求頻繁的重新校準，因此成本高、耗費人力，并且可能損害工廠進行持續監測的能力。還需要泵和氣體管道，并且需要對樣本進行干燥，以便防止由于冷凝導致的誤差和潛在損壞。因此，這些儀表無法測量樣本濕度。這還意味著從提取儀表得到的測量結果是在干燥基礎上獲得的。根據定義，此類讀數將高于在潮濕基礎上通過就地測量獲得的讀數，盡管不論潮濕還是干燥，維薩拉的 MGP261 都可以提供測量。

　　在寒冷氣候下提取樣本還有凍結樣本管路的風險，這會阻止流動并且導致錯誤數據。可以通過經過工業防爆危險認證的跟蹤加熱管線糾正該問題，但這樣做成本高昂，因此很難實施。

　　電化學和固定波長紅外可提取氣體分析儀具有相對較短的工作壽命，在考慮總體擁有成本時這一點十分重要。此外，這些技術具有較短的校準時間間隔，并且要求頻繁的采樣系統維護，因此運行成本可能較高。

　　維薩拉 MGP261 克服了早期提取技術的缺點。

　　維薩拉的技術

　　作為現場三合一沼氣分析儀，MGP261 依賴于 CARBOCAP® 技術，這項技術已在其他許多工業領域中多年使用。它的特點在于，該儀表將用于測量甲烷、二氧化碳和濕度的第二代 CARBOCAP® 技術整合到一個緊湊型探頭中，該探頭經過工業防爆危險認證，可以直接在腐蝕性的易爆沼氣流中操作。MGP261 還具有快速啟動時間（不到 2 分鐘），適合于在經過工業防爆危險認證的測量儀表中使用。

　　維薩拉 CARBOCAP® 傳感器具有電調諧法布里-珀羅干涉儀 (FPI) 濾波器。除了測量目標種類之外，該微型機械 FPI 濾波器還能夠以不會發生吸收的波長執行參考測量。在執行參考測量時，該 FPI 濾波器進行電動調節，以便將帶通波段從吸收波長切換到非吸收波長。該參考測量補償光源強度中任何可能的變化以及光路中的污染，這意味著傳感器隨著時間的推移也高度可靠。

　　維薩拉采用微輝光紅外光源，用戶可以從其低功率、高度穩定性以及長達 15 年的使用壽命中獲益。在 MGP261 內，使用同一個濾光器測量濕度和二氧化碳，并且使用第二個光通道測量甲烷。在許多方面，這將實驗室分光計的分析功能與工業過程控制儀表的簡單、堅固的設計相結合。

　　從用戶的角度來說，該技術的主要優點包括就地測量，這是對工藝過程狀況的直接監測，沒有與其他方法相關聯的成本、問題和延遲。長期穩定性實現少維護 – 只需在探頭過濾器變臟時進行更換，更換通常在發動機維護期間進行。此外，該儀表的自我校準功能將操作成本降低，因為無需技術人員頻繁進行服務或校準。而且，通過可靠的濕度控制減少了 CHP 發動機維護和停機時間，從而大大節省了資金。

　　在哪里進行監測?

　　此技術的應用包括厭氧發酵和垃圾填埋場氣體監測、沼氣處理工藝過程中的活性炭過濾監測和 CHP 發動機原料氣監測。

　　在沼氣廠，甲烷、二氧化碳和濕度的典型監測點應該在沼氣池內部或后面，以便通過監測 CH4:CO2 比率并相應調節廢料裝載速率來優化消化過程，或者位于熱交換器后，以便測量濕度來優化干燥工藝。其他可能的監測點可以在活性炭過濾器前面，對濕度進行測量以便優化過濾；在 CHP 發動機前面，在這里測量濕度可以實現發動機保護，并且甲烷監測有助于優化發動機性能，或者在甲烷升級裝置前面，以便優化工藝過程。

　　全球人口增長以及關聯的廢物管理問題，同時還需要降低溫室氣體排放，這是當今世界面臨的主要挑戰。沼氣行業是解決方案的重要一環。但是，沼氣生產是一個有機過程，受到多種變因的影響。維薩拉 MGP261 能夠執行準確、可靠的在線監測，可通過降低運營成本和提高沼氣廠的效率對生產過程加以優化，導致從廢物中獲得更高價值。