一、雜質(zhì)成分對(duì)沼氣利用的影響

     沼氣一般都含有大量CO₂、少量H₂O和H₂S、硫化烴、鹵化烴、氨氣、硅氧烷等雜質(zhì)氣體，沼氣中 常產(chǎn)生的硫化物是H₂S、COS、烷基取代物、二甲基硫物化等，H2S并不總是 大的硫化合物。除了硫化物，含氧的有機(jī)化合物（如有機(jī)酸、乙醇、酯）在沼氣中也很常見(jiàn)。雜質(zhì)氣體成分往往會(huì)對(duì)沼氣的利用造成不利影響，需要采取措施去除。

1、CO₂使沼氣的能量密度降低，并且在燃燒過(guò)程中減緩燃燒速度。要使沼氣達(dá)到天然氣標(biāo)準(zhǔn)或用作汽車燃料，就必須去除其中的CO₂。

2、水在導(dǎo)氣管道中積累后會(huì)溶解H₂S、CO₂等酸性氣體而腐蝕管道，而當(dāng)沼氣被加壓儲(chǔ)存時(shí)，可能會(huì)因?yàn)槟Y(jié)水而凍壞儲(chǔ)氣罐。

3、H₂S是沼氣中 常見(jiàn)的雜質(zhì)氣體，它能與大多數(shù)金屬發(fā)生反應(yīng)，并且當(dāng)其濃度增大、氣體壓力增加、溫度上升和有水存在時(shí)，H₂S的活性更強(qiáng)，在使用中導(dǎo)致壓縮機(jī)、管道、儲(chǔ)氣鋼瓶、發(fā)動(dòng)機(jī)受到腐蝕，并造成催化劑中毒。硫化物燃燒放出SO₂和SO₃會(huì)比H₂S造成的危害更大，SO₂會(huì)降低露點(diǎn)，而硫酸有高腐蝕性。

4、生活污水處理產(chǎn)生的沼氣中往往含有硅氧烷，其燃燒產(chǎn)物附著在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及排氣系統(tǒng)中會(huì)大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率，使排氣質(zhì)量惡化。

5、 填埋場(chǎng)氣體中常常含有一定量的鹵化物，其燃燒產(chǎn)物具有腐蝕性，有水存在時(shí)腐蝕性加劇，在一定燃燒條件下甚至生成有毒氣體PCDDs和PCDFs，故需要優(yōu)先去除；達(dá)到甲烷的爆炸極限水平時(shí)可能發(fā)生爆炸危機(jī)人的生命財(cái)產(chǎn) ，必要時(shí)也需加以去除。

6、氨氣燃燒后生成氮氧化物，當(dāng)沼氣中氨氣含量過(guò)高時(shí)會(huì)引起燃?xì)馄嚺欧懦瑯?biāo)。

7、在收集填埋場(chǎng)氣體時(shí)可能會(huì)吸進(jìn)大量的空氣而造成氧氣含量過(guò)高，當(dāng)混合氣濃度達(dá)到甲烷的爆炸極限水平時(shí)可能發(fā)生爆炸危及人的生命財(cái)產(chǎn) ，必要時(shí)也需要加以去除。

二、沼氣的利用方式及品質(zhì)要求

     沼氣是一種理想的清潔能源，應(yīng)用途經(jīng)廣泛，但不同的利用方式對(duì)沼氣的品質(zhì)要求不同，沼氣的主要利用途徑及其品質(zhì)要求如下：

1、燃燒供熱。這是發(fā)展中國(guó)家常見(jiàn)的沼氣利用形式，如我國(guó)普遍采用的農(nóng)村戶用式沼氣池，它們一般用于提供炊事和照明燃料。農(nóng)村戶用式沼氣池工程技術(shù)簡(jiǎn)單，投資小見(jiàn)效快，沼氣一般只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的脫硫和脫水處理。

2、沼氣發(fā)電機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)。這是發(fā)達(dá)國(guó)家大中型沼氣工程普遍采用的沼氣利用方式。為避免沼氣中雜質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不良影響，沼氣需進(jìn)行脫水和脫除硫化物、鹵代烴、硅氧烷等雜質(zhì)氣體的處理。

3、沼氣燃料電池。沼氣發(fā)電的電效率一般低于35%且單位投資相對(duì)較高，而用于燃料電池的電效率可達(dá)到40%~60%。沼氣用于燃料電池需要分離CO₂，去除H₂S、鹵素和CO等痕量氣體。

4、沼氣純化后用管道天然氣和用作汽車燃料。該利用方式對(duì)沼氣品質(zhì)要求很高，沼氣不僅要脫水，去除雜質(zhì)氣體，還要去除CO₂以得到高品質(zhì)的生物甲烷。

5、沼氣用作化工生產(chǎn)原料。用來(lái)制造氫氣和炭黑，并可進(jìn)一步制成乙炔、汽油、酒精、人造纖維和人造皮革等各種化工產(chǎn)品。

三、沼氣凈化與提純工藝匯總

     沼氣凈化一般是去除沼氣中微量的有害組分，如沼氣脫硫、脫氧、干燥技術(shù)等。沼氣提純是去除沼氣中的二氧化碳，以提高燃?xì)獾倪m用性和熱值。經(jīng)過(guò)凈化提純得到的生物天然氣，通常含有95%~97%的甲烷和1%~3%的二氧化碳，可以作為替代天然氣使用。

1、沼氣脫硫

生物凈化工藝與上述傳統(tǒng)工藝相比具有運(yùn)行成本低、反應(yīng)條件溫和、能耗少和有效減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，但脫硫微生物都是需要氧型的，氧氣或空氣的加入可能會(huì)導(dǎo)致沼氣中氧含量上升影響沼氣的 性，因此采用生物脫硫是要時(shí)刻監(jiān)控反應(yīng)器中的氧含量。

2、沼氣脫氧

      沼氣生產(chǎn)中不可避免地會(huì)混入空氣，特別是垃圾沼氣。氧的脫除是沼氣加工的必經(jīng)步驟，沼氣中的氧必須脫至一定范圍內(nèi)，才能 整個(gè)工藝過(guò)程的 性。若生物沼氣生產(chǎn)GNG或天然氣，則需將其中所含的氧氣含量降至0.5%以下。沼氣脫氧工藝一般有如下幾種：

方法1：利用氣源中的原有氣體和氧氣反應(yīng)；

方法2：通入氫氣與氧反應(yīng)，生成較易除去的水；

方法3：混合氣中的氧直接與催化劑發(fā)生氧化反應(yīng)，使催化劑活性組分轉(zhuǎn)化成高價(jià)氧化物；

方法4：通過(guò)膜分離或低溫變壓吸附法(PSA)去除。

方法2需要?dú)湓?，且要確定通入氫氣量，方法3較難達(dá)到合格的脫氧深度，而方法4成本較高。因此，利用沼氣中主要組分甲烷與氧氣在催化劑作用下反應(yīng)，是較為經(jīng)濟(jì)有效的脫氧方法。

3、沼氣干燥

       未經(jīng)處理的沼氣通常含有飽和水蒸氣。其 含量與溫度有關(guān)，如35℃時(shí)沼氣水含量約為5%。沼氣脫水技術(shù)主要分為物理分離和化學(xué)干燥兩類，這些方法也可以同時(shí)去除沼氣中的泡沫和粉塵。

4、沼氣脫碳

       由于沼氣中甲烷含量較低，其高位發(fā)熱值只有23.9MJ/m(甲烷含量60%)，而純甲烷高位發(fā)熱值為39.78MJ/m。作為車用燃料或者管道天然氣燃料其高位發(fā)熱值要求大于31.4MJ/m，則要求沼氣中甲烷濃度至少提高到88%以上，即要脫除多余CO₂。沼氣脫碳技術(shù)多源于天然氣、合成氨變換氣脫碳技術(shù)，包括物理溶液吸收法、化學(xué)吸收法、變壓吸附法、膜分離法、低溫深冷法等。表2給出了常用的沼氣脫碳方法及其特點(diǎn)。

5、其他雜質(zhì)的脫硫

         除了水、硫化氫、氧、二氧化碳外，其他雜質(zhì)氣體通常含量較少，且可以在已有的凈化或提純單元中去除。如硅氧烷和鹵代烴主要存在于垃圾填埋場(chǎng)沼氣或混合原料發(fā)酵沼氣，均可通過(guò)活性炭吸附去除，少量的氨也可被活性炭吸附，或者在二氧化碳脫除單元(如加壓水洗法)去除。

三、沼氣凈化提純工藝過(guò)程監(jiān)測(cè)

      沼氣并入天然氣管網(wǎng)，或用于車用燃料、燃料電池等，其氣質(zhì)一般有著嚴(yán)格的要求。因此，需要通過(guò)必要的沼氣凈化提純技術(shù)，使沼氣成為甲烷含量高，熱值和雜質(zhì)等條件符合管道、壓縮或液化天然氣標(biāo)準(zhǔn)要求的高品質(zhì)生物天然氣。而要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的氣體質(zhì)量，沼氣氣體組分檢測(cè)不可少。 

     下面以安徽生物天然氣脫硫、脫碳在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 ，簡(jiǎn)要敘述沼氣成分檢測(cè)在沼氣提純中的應(yīng)用情況。

項(xiàng)目背景

     阜南縣農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣與生物天然氣開(kāi)發(fā)利用PPP項(xiàng)目按照“站田式”布局在全縣建立8個(gè)（總?cè)莘e為18萬(wàn)m3）有機(jī)廢棄物沼氣和生物天然氣處理站點(diǎn)，1個(gè)中心站以及與產(chǎn)業(yè)相關(guān)的設(shè)施建設(shè)；年產(chǎn)生物天然氣4000萬(wàn)m³,年產(chǎn)固體有機(jī)肥料16~20萬(wàn)噸，液態(tài)有機(jī)肥5~10萬(wàn)噸，結(jié)合農(nóng)化肥和科學(xué)施肥，實(shí)現(xiàn)區(qū)域循環(huán)農(nóng)業(yè)平臺(tái)化發(fā)展。

脫碳設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖（激光氣體在線監(jiān)測(cè)裝置LGDS-2000）

脫硫設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖（激光氣體在線監(jiān)測(cè)裝置LGDS-2000）

脫硫?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

脫碳后采用單通道監(jiān)測(cè)：甲烷CH₄和CO₂兩種組分氣體含量，經(jīng)客戶現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證，脫碳后設(shè)備監(jiān)測(cè)CO₂體積含量與實(shí)驗(yàn)室色譜儀器檢測(cè)數(shù)值偏差0.02%，對(duì)于測(cè)試準(zhǔn)確度客戶非常滿意。

突出特點(diǎn)：

1.激光原理：相對(duì)傳統(tǒng)紅外原理，具有無(wú)漂移、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好不需校準(zhǔn)、使用壽命更長(zhǎng)等特點(diǎn)；

2.技術(shù)服務(wù)： 提供技術(shù)指導(dǎo)和服務(wù)；全生命周期跟蹤；

3.IP局域組網(wǎng)：有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連通與互動(dòng)，從而 現(xiàn)場(chǎng)工藝的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；

4.校準(zhǔn)服務(wù)： 校準(zhǔn)服務(wù)，客戶可不用采購(gòu)標(biāo)氣；

5.售后性價(jià)比：非人為原因故意損壞，質(zhì)保期內(nèi)全部 更換，質(zhì)保期外按照 低成本價(jià)核算提供服務(wù)。

     沼氣凈化提純技術(shù)工藝較多，用戶可以根據(jù)自身資金成本和能源化利用目標(biāo)進(jìn)行選擇。但使沼氣凈化提純成為甲烷含量高，熱值和雜質(zhì)等條件符合管道、壓縮或液化天然氣標(biāo)準(zhǔn)要求的高品質(zhì)生物天然氣，其工藝過(guò)程的氣體成分監(jiān)測(cè)不可少。