沼气的利用与发展

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1、沼气的利用和发展The use and development of biogas摘要沼气是可再生的清洁能 源，既可替代 秸秆、薪柴等 传统生物质能 源，也可替代 煤炭等商品能源，而 且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。Abstract Biogas is a renewable and clean energy, can replace the straw, firewood and other traditional biomass energy sources, and can also replace coal and commodities such as energy and e

2、nergy efficiency is significantly higher than the straw, firewood, coal.关键词沼气新能源利用发展Keywords biogas, new energy, energy use, development1. 沼气的简介1.1沼气的概念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。沼气是一种混合气体，可以燃烧。沼气是有

3、机物经微 生物厌氧消化而 产生的可燃性气体。沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷5070%，其余为二氧化碳和少量的氮、 氢和硫化氢等。其特性与天然气相似。空气中如含有8.620.8% （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、照明和气焊等夕卜，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。沼气是一些有机物质，在一定的温度、湿度、酸度条件下，隔绝空气（如用沼气 池），经微生物作用（发酵）而产生的可燃性气体 。它含有少量硫化氢，所以略带臭 味。发酵是复杂的生

4、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2040C，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

5、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78.5。1.2沼气的组成成分沼气的主要成分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 对燃烧。每立方米纯甲烷的发热最为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为 20800 23600千焦。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。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。2. 沼气发现与沼气发酵的发展沼气是由意大利物理学家A

6、.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。1916年俄国人 B .n .奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌（但 不是纯种）。中国于1980年首次分离 甲烷八叠球菌成功。目前世界上已分离出的甲 烷菌种近20株。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 程一一高速率

7、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0.71.5立方米沼气，提高到48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。目前中国农村户用沼气池的数量达1300万座。而高速率厌氧消化工艺生产性试验装置已 在糖厂和酒厂正常运行。3. 沼气的利用沼气传统利用和综合利用技术沼气作为能源利用已有很长的历史。我国的沼气最初主要为农村户用沼气池，20 世纪70年代初，为解决的秸秆焚烧和燃料供应.不足的问题，

8、我国政府在农村推广 沼气事业，沼气池产生的沼气用于农村家庭的炊事来逐渐发展到照明和取暖。目前， 户用沼气在我国农村仍在广泛使用。我国的大 中型沼气工程始于1936年，此后，大 中型废水、养殖业污水、村镇 生物质废弃物、城市垃圾沼气的建立拓 宽了沼气的生产 和使用范围。随着我国经济发人民生 活水平的提高，工业、农业、养殖业的发展，大 废弃物发酵沼气工程仍将是我国可再生能源利用和环护的切实有效的方法。自80年代以来建立起的沼气发酵综合利用技术沼气为纽带，物质多层次利用、能量合 理流动的高效农产模式，巳逐渐成为我国农村地区利用沼气技术促进可持续发展的有效方 法。通过沼气发酵综合利用技术沼气用于农户生

9、活用能和农副产品生产、加工，沼液用料、 饲料、生物农药、培养料液的生产，沼渣用于肥料、的生产，我国北方推广的塑料大棚、 沼气池、禽畜舍和相结合的“四位一体”沼气生态农业模式、中部地区的以沼气为纽带的 生态果园模式、南方建立的“猪一果”模式、以及其他地区因地制宜建立的“养殖一沼气植”、 “猪一沼一鱼”和“草一牛一沼”等模式都是以业为龙头，以沼气为纽带，对沼气、沼液、沼 渣的多层次利用的生态农业模式，沼气发酵综合利用生态农业模建立使农村沼气和农业生 态紧密结合起来，是改善农村环境卫生的有效措施，是发展绿色种植业、养殖业的有效途径， 已成为农村经济新的增长点。3.1沼气发电技术沼气燃烧发电是随着大型

10、沼气池建设和沼气综合利用的不断发展而出现的一项 沼气利用技术，它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上，并装有综合发电装置， 以产生电能和热能。沼气发电具有创效、节能、安全和环保等特点，是一种分布广泛 且价廉的分布式能源。沼气发电在发 达国家已受到广泛重视和积极推 广。生物质能发电并网 在西欧一些 国家占能源总量的10%左右。我国沼气发电有30多年的历史，在“十五”期间研制出20600kW纯燃沼气发电机组 系列产品，气耗率0. 60. 8m0/kw h（沼气热值21MJ/m0）。但国内沼气发电研究和应用 市场都还处于不完善阶段，特别是适用于我国广大农村地区小型沼气发电技术研究更少， 我国农村偏远

11、地区还有许多地方严重缺电，如牧区、海岛、偏僻山区等高压输电较为困难， 而这些地区却有着丰富的生物质原料。如能因地制宜地发展小沼电站，则可取长补短就地供 电。3.2沼气燃料电池技术燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地 从外部向燃料电池供 给燃料和氧化剂 时，它可以连续 发电。依据 电解质的不同，燃料 电池分为碱性 燃料电池(AFC)等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转 换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结 构、积木性强、比功 率高，既可 以集中供电，也适 合分散供电。 燃料电池将是21 世纪最有竞争力的高效、清洁的发电方式，它将在洁净煤燃料电站、电动

12、汽车、移 动 电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面，有着广泛的应用前 景和巨大的潜在 市场。沼气燃料电池是最新出现的一种清洁、高效、低噪音的 电装置，与沼气发电机发电 相比，不仅出电效率和能量利用率高，而且振动和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物浓度低， 因此是很有发展前途的沼气利用工艺，将沼气用于燃料 电池发电，是有效利用沼气 资源的 一条重要途。我国的燃料电池研究始于1958年。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投 入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。燃料电池 的出现与发展，将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命，并且还会波及到汽车业、住 宅以及社会各方面的

13、集中供电系统。污染治理对于以农业为主的中国，沼气技术在农业领域正发挥 着很大的作用，目前，国家 制定法律法规中有许多发展农村沼气的有关政策规定，并在全国各地大力推动大中型 沼气工程建设，并且进一步提高设计、工艺和自动控制技术水平。预计到2015年， 处理工业有机废水的大中型沼气工程达2500座，形成年生产沼气能力40亿立方 米，相当于343万吨标准煤，年处理工业有机废水37500万立方米。农业废弃物 沼气工程到2015年累计建成近4100个，形成年生产沼气能力 4.5亿立方米，相当 于58万吨标准煤，年处理粪便量1. 23亿吨，从而解决全国集约化养殖场的污 染治理问题，使粪便得到资源化利用。3

14、.3沼气池沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温 度、湿度、酸碱度的条件下，通过微 生物发酵作用，产生的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中 发现的，所以人们叫 它沼气。沼气含有多种气体，主要成分是甲烷 （CH4）。沼气细菌 分解有机物，产生沼气的过程，叫沼气发酵。根据沼气发酵过程中各类细菌的作用 ， 沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫做分解菌，它的作用是将复杂的有机物分解 成简单的有机物和二氧化碳（CO2）等。它们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌； 有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有 专门分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二类 细菌叫含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把简

15、单的有机物及二氧化碳氧化或 还原成甲烷。因此，有机物变成沼气的过程，就好比工厂里生产一种产品的两道工 序：首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半成品一一结构简 单的化合物；再就是在甲烷细菌的作用下，将简单的化合物加工成产品一一即生成 甲烷。4 .农村应用应用意义4. 1农村户用沼气推广、应用的现状目前，中国沼气池的推广应用规模居世界首位，国家计划到2010年，要达到2600 万口。由此，建池数量 将占到全国适宜沼气发展农户的 20%。然而，如此巨大的建池 量和惊人的发展速度，带来的管理压力可想而知。技术干部不但要负责新建池的规划、 放线、施工，还要负责旧池管护使用中出现的各种故

16、 障的排除和综合利用技术的指导、 培训等工作。4. 2推广应用户用沼气的意义（1）沼气不仅能解决农村能源问题，而且能增加有机肥料资源，提高质量和增加 肥效，从而提高农作物产量，改良土壤；（2）使用沼气，能大量节省秸秆、干草等有 机物，以便用来生产牲畜饲料和作为造纸原料及手工业原材料；（3）兴办沼气可以减 少乱砍树木和乱铲草皮的现象，保护植被，使农业生产系统逐 步向良性循环发展；（4） 兴办沼气，有利于净化环境和减少疾病的发生。这是因为在沼气池发酵处理过程中， 人畜粪便中的病菌大量死亡，使环境卫生条 件得到改善；（5）用沼气煮饭照明，既节 约家庭经济开支，又节约家庭主妇的劳作时间，降低劳动强度；（6）使用沼肥，提高 农产品质量和品质，增加经济收入，降低农业 污染，为无公害农产品生产奠 定基础。 常用的物质循环利用型生态系统主要有种植业一养殖业一沼气工程三结合、养殖业-