垃圾填埋场渗滤液厌氧处理过程中沼气的综合利用

沼气是由各种有机物质在适宜温度、湿度及无空气的条件下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃气体。沼气的主要成分是CH4，含量为50%_{70%；另外还含有30%}40%的CO2，0%_{5%的N2，以及少量的H2、H2S、NH3、硫醇、硫醚和微量的不饱和烃垃圾渗滤液处理厌氧工艺过程中会产生大量的沼气，通常1m3垃圾渗滤液会产生15}30m3的沼气。

1.2 沼气发电

沼气通过内燃机发电是沼气能量利用的一种有效形式。沼气的能量在沼气发电过程中经历由化学能一热能一机械能一电能的转化过程，其能量转化效率受热力学第二定律的限制，热能不能完全转化为机械能，热能的卡诺循环效率小于40%，大部分能量随废气排掉。因此，将发动机的废气回收是提高沼气能量总利用效率的有效途径，有余热回收的发电系统总效率可以达到60%_{70%。一般稍大点的沼气内燃机发电项目可以将内燃机产生的高温废气(420}550°C)导入余热锅炉，余热锅炉产生的热水和蒸汽提供给生产和生活使用。在垃圾焚烧发电厂中以沼气为燃料的内燃机可以不再另设余热锅炉，可以直接利用垃圾焚烧余热锅炉回收内燃机的废气余热，从而简化了系统，减少了投资。采用这种工艺每立方米沼气通过内燃机可以生产1.8~2kWh的电能，通过垃圾焚烧发电厂余热锅炉回收废气的余热发电还可以生产0.7kWh的电能，目前可再生能源发电上网电价为0.65元/kWh，经济效益显著。

在4000kW以下的功率范围内，采用内燃机具有较高的利用效率。相对燃煤、燃油发电来说，沼气发电功率小。对于这种类型的发电动力设备，国际、国内普遍采用内燃机发电机组进行发电，否则运行不经济。因此，采用沼气发动机 (内燃机）和发电机组是目前利用沼气最经济和有效的途径。 在理论上沼气也可利用燃气轮机发电，但沼气项目的规模要大，否则运行经济性差。沼气燃烧发电和余热回收利用工艺如图2所示。

沼气在导入内燃机时一般需要进行预处理并经过稳压防爆装置。由于沼气中含有少量的H2S气体，该气体对发动机有强烈的腐蚀作用，因此沼气必须先进行脱硫。通常用氧化铁作为脱硫剂，而且可以反复再生使用，另外沼气中含有的饱和水需要去除。沼气作为燃气，其流量调节是基于压力差实现的，为了使调节准确，必须确保沼气压力稳定，因此在沼气进气管路上安装稳压装置。另外，为了防止进气管路回火引起沼气管路发生爆炸的问题，应在沼气供应管路上安装防回火与防爆装置。

沼气发动机一般由柴油机改造而成，分为压燃式和点燃式两种。

压燃式发动机采用柴油和沼气双燃料，通过压燃少量的柴油以点燃沼气进行燃烧做功。这种发动机的特点是可调节柴油与沼气的燃料比，当沼气供应正常时，发动机引燃油量可保持基本不变，只改变沼气供应量来适应外界负荷变化；当沼气不足甚至停气时，发动机能够自动转为燃烧柴油的工作方式。这种方式一般用在小型沼气发电项目中，对供电负荷可靠性连续性要求较高的场合般不会并网运行。缺点是系统复杂，所以大型沼气发电并网工程往往不采用这种发动机，而采用点燃式沼气发动机。

点燃式沼气发动机的特点是结构简单，操作方便，一般采用较低的压缩比，用火花塞使沼气和空气混合气点火燃烧，而且无需辅助燃料，适合在中大型沼气工程上使用。沼气通过内燃机燃烧，产生的废气可以采用热交换器或者余热锅炉回收利用，该系统稍微复杂，但具有较好的经济效益、环保效益和社会效益。

2 用沼气制天然气并获取食品级的二氧化碳工艺

沼气中含有30%~40%的CO2，可以很容易地制备成食品级的CO2。首先对沼气进行脱硫、脱碳、脱水等一系列净化处理，即可制得清洁无污染的使其燃烧热值大幅提升的清洁能源一天然气（甲院）。脱碳尾气还可以制取食品级液体二氧化碳，从而可以将沼气进行充分有效的利用。该工艺一般要求日产生沼气达15000m3以上，才可获得一定的经济效益。

根据最终产品目标要求，可将沼气制成天然气直接输送至天然气管网作为民用燃气，或将天然气压缩至20~25MPa制成CNG(车用压缩天然气)作为车用燃料，也可以将沼气深冷液化最终制成LNG(液化天然气）。沼气制天然气并获取食品级的二氧化碳工艺流程图如图3所示。

从图4可以看出，在257周，厌氧反应器进水COD值最高为46000mg/L左右，出水C0D在8000000mg/L内波动，COD去除率为80.4% _{82.6%。厌氧反应器出水中VFA浓度为2000}3000mg/L，较高的VFA有助于后续的好氧生物处理。

天禹智控的沼气浓度监测系统以物联网技术为支撑，实时获取沼气池在发酵过程中池内甲烷CH4含量、二氧化碳CO2含量、PH值、温度等指标，并通过显示模块实时显示，能够使监测中心的工作人员实时获取数据，保证沼气池发酵安全。

同时，系统的监测预警模块也会实时分析数据，在指标临近阈值时发出提醒，达到阈值时发出警报，及时告知工作人员。这样保证了即使远离工作岗位，也能即使采取措施。

天禹智控的沼气浓度监测系统，是为了适应现代农业发展而提出的方案。该系统可实现实时显示、实时预警的功能、具有安全、稳定、实用性强、可预警可远程交互等优点，对于当代新型农业发展以及清洁能源建设有所帮助，在监测的同时也保障了安全。

5 结语

水的净化保护是环境保护的一项非常重要内容，污水处理需要消耗较高的成本，利用自然界相生相克转化机理，通过对污水处理过程中产生的沼气进行治理并综合利用可以获得宝贵的电能及高品质的清洁能源和其他副产品。随着经济的发展、技术的进步和基础能源电价、天然气价格的提高，沼气的深度开发加工效益会越来越好，高浓度的垃圾渗滤液污水也可能变成能源和资源。这不仅有助于减少环境污染，而且还可以替代部分化石能源消耗，可以获得较好的经济效益、环境效益和社会效益。

来源：天禹智控-气体分析仪表