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能源概览14—— 再生能源沼气

 笑熬浆糊糊 2012-12-02
 
 
沼气,顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到,在沼泽地、污水沟或粪池里,有气泡冒出来,如果我们划着火柴,可把它点燃,这就是自然界天然发生的沼气。沼气,是各种有机物质,在隔绝空气(还原条件),并必适宜的温度、湿度下,经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。

中文名称:沼气
  英文名称:biogas
  定义1:有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下,经各种微生物发酵及分解作用而产生的一种以甲烷为主要成分的混合可燃气体。
  应用学科:电力(一级学科);可再生能源(二级学科)
  定义2:有机物质在厌氧环境中,通过微生物发酵作用产生的一种以甲烷为主的可燃混合气体。这种气体最早发现于沼泽、池塘等地。
  应用学科:资源科技(一级学科);能源资源学(二级学科)以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布。  

       沼气是有机物质在厌氧条件下,经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。由于这种气体最先是在沼泽中发现的,所以称为沼气。人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内,在厌氧(没有氧气)条件下发酵,即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化,从而产生沼气。

         沼气是多种气体的混合物,一般含甲烷50%~70%,其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等,由于含有少量硫化氢,故略带臭味。其特性与天然气相似。空气中如含有8.6%~20.8%(按体积计)的沼气时,就会形成爆炸性的混合气体。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外,还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣,含有较丰富的营养物质,可用作肥料和饲料。

        农村沼气发酵种类根据原料和进料方式,常采用以秸秆为主的一次性投料和以禽畜粪便为主的连续进料两种发酵方式。现以后一种方式举例说明。中国农村一般的家庭宜修建6立方米水压式沼气池,发酵有效容积
沼气工艺流程图约5立方米。由于不同种类畜禽粪便的干物质含量不同,现以猪粪为例计算如何配制沼气发酵原料。猪粪的干物质含量为18%左右,南方发酵浓度宜为6%左右,则需要猪粪1200公斤,制备的接种物500公斤(视接种物干物质含量与猪粪一样),添加清水3300公斤;北方发酵浓度宜在8%左右,则需猪粪约1700公斤左右,制备的接种物500公斤,添加清水2800公斤,在发酵过程中由于沼气池与猪圈、厕所修在一起,可自行补料。
        制备沼气发酵接种物,农村沼气发酵接种物一般采用老沼气池的发酵液添加一定数量的人畜粪便。比如,要制备500公斤发酵接种物,一般添加200公斤的沼气发酵液和300公斤的人畜粪便混合,堆沤在不渗水的坑里并用塑料薄膜密闭封口,1周后即可作为接种物。如果没有沼气发酵液,可以用农村较为肥沃的阴沟污泥250公斤,添加250公斤人畜粪便堆沤1周左右即可;如果没有污泥,可直接用人畜粪便500公斤进行密闭堆沤,10天后便可作沼气发酵接种物。

发酵微生物
能源概览—— 再生能源沼气 - hubao.an - hubao.an的博客沼气
沼气发酵微生物是一个统称,包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类群。这些微生物按照各自的营养需要,起着不同的物质转化作用。在沼气发酵过程中,五大类群细菌构成一条食物链,从各群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液pH值的影响来看,沼气发酵过程可分为水解、产酸和产甲烷阶段。前三类群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸,因此,将其统称为不产甲烷菌。后二类群细菌的活动可使各种有机酸转化成甲烷,因此,将其统称为产甲烷菌。

1.不产甲烷菌
不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多,根据作用基质来分,有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌,如产氢菌、产乙酸菌等。


2.产甲烷菌
产甲烷菌是沼气发酵的主要成分——甲烷的产生者。是沼气发酵微生物的核心,它们严格厌氧,对氧和氧化剂非常敏感,最适宜的pH值范围为中性或微碱性。它们依靠二氧化碳和氢生长,并以废物的形式排出甲烷,是要求生长物质最简单的微生物。

发酵过程

发酵是复杂的生物化学变化,有许多微生物参与。反应大致分两个阶段:

(1)微生物把复杂的有机物质中的糖类、脂肪、蛋白质降解成简单的物质,如低级脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氢气和硫化氢等。

(2)由甲烷菌种的作用,使一些简单的物质变成甲烷。要正常地产生沼气,必须为微生物创造良好的条件,使它能生存、繁殖。沼气池必须符合多种条件。首先,沼气池要密闭。有机物质发酵成沼气,是多种厌氧菌活动的结果,因此要造成一个厌氧菌活动的缺氧环境。在建造沼气池时要注意隔绝空气,不透气、不渗水。其次,沼气池里要维持20~40℃,因为通常在这种温度下产气率最高。第三,沼气池要有充足的养分。微生物要生存、繁殖,必须从发酵物质中吸取养分。在沼气池的发酵原料中,人畜粪便能提供氮元素,农作物的秸秆等纤维素能提供碳元素。第四,发酵原料要含适量水,一般要求沼气池的发酵原料中含水80%左右,过多或过少都对产气不利。第五,沼气池的pH值一般控制在7~8.5。

能源概览—— 再生能源沼气 - hubao.an - hubao.an的博客沼气发电供热工程

沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。1916年俄国人Β.П.奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌(但不是纯种)。目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株,中国于1980年首次分离甲烷八叠球菌成功。世界上第一个沼气发生器(又称自动净化器)是由法国L.穆拉于1860年将简易沉淀池改进而成的。1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池,这是现代大、中型沼气发生装置的原型。

第二次世界大战后,沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展,但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响。后随着世界性能源危机的出现,沼气又重新引起人们重视。1955年新的沼气发酵工艺流程──高速率厌氧消化工艺产生。它突破了传统的工艺流程,使单位池容积产气量(即产气率)在中温下由每天1立方米容积产生0.7~1.5立方米沼气,提高到4~8立方米沼气,滞留时间由15天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。中国于20世纪20年代初期由罗国瑞在广东省潮梅地区建成了第一个沼气池,随之成立了中华国瑞瓦斯总行,以推广沼气技术。1985年中国农村户用沼气池的数量达500万个。

 

能源概览—— 再生能源沼气 - hubao.an - hubao.an的博客沼气罐使用安装范例
甲烷是一种理想的气体燃料,它无色无味,与适量空气混合后即可燃烧。每立方米纯甲烷的发热最为34000焦耳,每立方米沼气的发热量约为20800-23600焦耳。即1立方米沼气完全燃烧后,能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。世界各国已经开始将沼气用作燃料和用于照明。用沼气代替汽油、柴油,发动机器的效果也很好。将它作为农村的能源,具有许多优点。例如,修建一个平均每人l-1.5平方米的发酵池,就可以基本解决一年四季的燃柴和照明问题;人、畜的粪便以及各种作物秸秆、杂草等,通过发酵后,既产生了沼气,还可作为肥料,而且由于腐熟程度高使肥效更高,粪便等沼气原料经过发酵后,绝大部分寄生虫卵被杀死,可以改善农村卫生条件,减少疾病的传染。

世界上一些发达国家,也正在进行利用微生物厌氧消化农场废物、生产甲烷的较大规模试验。英国建立了甲烷的自动化工厂。据估计,在英国,利用人和动物的各种有机废物,通过微生物厌氧消化所产生的甲烷,可以替代整个英国25%的煤气消耗量。苏格兰已设计出一种小型甲烷发动机,可供村庄、农场或家庭使用。美国一牧场兴建了一座工厂,主体是一个宽30米、长213米的密封池组成的中烷发酵结构,它的任务是把牧场厩肥和其他有机废物,由微生物转变成甲烷、二氧化碳和干燥肥料。这座工厂每天可处理1650吨厩肥,每日可为牧场提供11.3万立方米的甲烷,足够1万户家庭使用。

从世界范围看,利用各种微生物协同作用生产甲烷的研究和应用,正处于方兴未艾的阶段。中国沼气事业获得了迅速的发展,沼气池总数已达到1000多万个。在四川、浙江、江苏、广东、上海等省市农村,有些地方除用沼气煮饭、点灯外,还办起了小型沼气发电站,利用沼气能源作动力进行脱粒、加工食料、饲料和制茶等,闯出了用“土”办法解决农村电力问题的新路子。

能源概览—— 再生能源沼气 - hubao.an - hubao.an的博客沼气池
专家们认为,21世纪沼气在农村之所以能够成为主要能源之一,是因为它具有不可比拟的特点,特别是在中国的广大农村,这些特点就更为显著。首先,沼气能源在中国农村分布广泛,潜力很大,凡是有生物的地方都有可能获得制取沼气的原料,所以沼气是一种取之不尽、用之不竭的再生能源。其次,可以就地取材,节省开支。沼气电站建在农村,发酵原料一般不必外求。兴办一个小型沼气动力站和发电站,设备和技术都比较简单,管理和维修也很方便,大多数农村都能办到。据调查对比,小型沼气电站每千瓦投资只要400元左右,仅为小型水力电站的1/2-1/3,比风力、潮汐和太阳能发电低得多。小型沼气电站的建设周期短,只要几个月时问就能投产使用,基本上不受自然条件变化的影响。采用沼气与柴油混合燃烧,还可以节省17%的柴油。中国地广人多,生物能资源丰富。研究表明,在21世纪无论在农村还是城镇,都可以根据本地的实际情况,就地利用粪便、秸秆、杂草、废渣、废料等生产的沼气来发电。
 
 
 

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