沼气生产利用研究笔记

我记得最初学到沼气是在初三的化学课,课本里讲到一些有机物在缺氧的条件下发酵分解,生成主要成分为甲烷(CH4)的气体。英文称沼气为methane。近几年来biogas这个词开始流行,这倒不是说在我们每个人屁股后装个袋子采集来自大肠的气体,不是那个意思,请大家不要误解。我们可以通过下面这张图表来简要介绍下biogas的生产和使用过程。该图介绍了怎样生产沼气。还有一种在垃圾填埋场(landfill)采集沼气的方法,下文也会提到。

AEE-biogas-plant-functional-overview

上图中心的圆柱拱形建筑是沼气生产的核心部件,叫消化器(digester,或anaerobic digester)。该容器内无光无氧,是利用微生物发酵分解原料的地方。原料厌氧发酵后产生的沼气会飘到拱形的顶部被采集。一般消化器里会有搅拌装置,来促进有机物的厌氧发酵过程。

这是位于德国的Windwärts Energie GmbH的消化器建设中的图片:
GermanyDigesterConstruction

这是同一家biogas能源工厂的消化器顶层照。请注意其中的木材使用。据介绍,屋顶下的木质结构是用来减少沼气中的硫化物。太多硫化物对CHP热电机组不利:
GermanyDigesterTop

消化器的侧面会有原料入口和余料出口。原料(substrate)如上篇博客所说,可以是很多种废料:农作物废料如秸秆,城市绿化废料如废弃枝叶杂草,餐饮和食品加工废料如剩饭菜和上海福喜的过期麦乐鸡或小牛扒,养殖场动物粪便,能源农业生产的农作物,城市污水系统里的污泥(人的粪便)等等。除了污水系统的污泥外,其他原料生产沼气后的残余(digestate)可以做农业肥料。污泥(sludge)的残余内可能含有重金属,不适合做肥料,可以用在建材方面。所以这两种厌氧消化器要分开,以便于其残余的分开利用。通过这些处理,我们就变废为宝,并减轻最终排放对环境的压力。

厌氧消化一般在38摄氏度左右效果最好,所以最好给它加热。热能可以来自消化器自生的沼气,下文会提到。

沼气被采集后一般有两个去处:

  • 工厂本身的CHP(Combined Heat and Power station)热电机。该机器燃烧沼气,可以同时提供热能和电能。这些能量可以在该沼气生产厂就地使用:比如热能可以给消化器加热,电能可以反哺给地区电网。有的沼气生产设施就建立在养殖场上,那么热能就可以给牲畜供暖,还可以利用这些热能搞温室蔬菜种植。
    下图是德国Duingen Hauptschule Biogas的热电机,CHP:
    GermanyCHP
  • 沼气升级(upgrade)。来自消化器的沼气的甲烷含量比重会有不同。它还会含有二氧化碳、氢气、少许水份等等。升级(upgrade)的意思就是分离其它成分而提高甲烷(CH4)的比重。当甲烷比率达标后,可以作为天然气使用,直接注入已有的天然气输送管道。也可以加压而生成加压天然气(CNG,Compressed Natural Gas)或液化,给交通工具提供能源。
    下图是瑞典Lund市的biogas升级设施。该厂用于对从城市污泥(内含人的大小便,sludge)处理后的沼气升级:
    SwedenLundUpgradeFacility

欧盟几年前搞了个biogasmax的试点推广项目,其主要利用方式是交通运输。以下是该项目的视频简介。当然沼气经升级变为天然气后的用处非常多,可以用来取暖、做饭、制冷、发电、化工等,不仅仅是做交通运输的燃料。

另外一种获取沼气的方式是利用已有的垃圾填埋场(landfill)。填埋场内的垃圾会自然发生厌氧发酵过程,沼气生产后会向上冒,如不处理,会产生异味,对填埋场结构造成破坏甚至爆炸。另外一个恶劣后果是沼气是比二氧化碳更糟糕的温室气体。所以从已有的垃圾填埋场采集沼气也是很值得去做的事情。

下图是加拿大一家利用垃圾填埋场采集沼气的设施,用来发电:
CanadaLandfillBiogas

图片来源:
德国的Windwärts Energie GmbH的消化器建设中的图片
同一家biogas能源工厂的消化器顶层照
德国Duingen Hauptschule Biogas的热电机
瑞典Lund市的biogas升级设施
加拿大一家利用垃圾填埋场采集沼气的设施

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