污泥处理处置中沼气的利用

在污泥处理处置过程中，厂内的沼气主要有以下应用。

01沼气搅拌

搅拌的目的是使消化池内的物料混合，并使池内温度、pH值均匀，消化中间代谢产物及使中间产物分布均匀，使产生的气体及时溢出。搅拌系统的设计方法主要有输入功率法（一般为0.005～0.008kW/m3）、速度梯度法（速度梯度范围是50～80s-1）和周转时间（依混合情况而定，一般为20～30min）。在污泥消化池的实际运行中，通常每隔2h搅拌1次，约搅拌25min，每天搅拌12次。

通常沼气首先用于搅拌初级消化池中的污泥。搅拌前不需要对沼气进行脱硫净化，循环搅拌是一种非消耗利用，不会影响总气体的产量。气体搅拌系统包括一个正位移压缩机及压力控制系统，后者控制气体压力，防止压缩机过压或消化池抽真空。

02污泥加热

要维持中温消化或高温消化，需要对消化池进行加热。消化池所收集的沼气是加热系统的主要热源之一，在沼气量较少或者气体产热值低的情况下还需要使用辅助能源，如天然气、电能，或者引入城市余热资源对消化池进行保温。用消化池加热与用天然气或商业气体加热相似，沼气可为本厂锅炉或换热器提供燃料加热污泥或取暖。未净化沼气中的硫化氢有潜在的腐蚀性，即硫化氢燃烧产物二氧化硫和三氧化硫在废气中凝结成酸，引起腐蚀。因此一是在燃烧前从气体中除去硫化氢，二是把使用未净化气体的温度保持在100℃以上，防止产生冷凝液。锅炉要尽量避免频繁开关，因为每次关闭时都会发生冷凝。

03污泥干燥和焚化

沼气除了用于消化池搅拌、加热污泥外，更是一种经济的能源。沼气发电技术不仅可以提供清洁的电力能源，而且可以实现污泥的资源化和能源化利用，并且减少了温室气体的排放。沼气发电，如使用燃气内燃机，热电联产的热效率为70%～75%。在燃料充足的条件下，使用余热锅炉，热效率可以达到90%以上。

04沼气发电和沼气锅炉

沼气在处理厂内的利用方式主要是作为燃料使用，可用于沼气发动机或沼气锅炉，多余沼气通过沼气火炬燃烧。在美国、欧洲、日本等国也有将沼气用于制燃料电池的研究，沼气的利用范围很广。

沼气发动机具体有两种方式：一种是驱动发电机发电，厂内自用或并入电网；另一种是直接驱动鼓风机或驱动污水提升泵，节约能源。这两种方式各有优缺点，沼气发电运行较为灵活，一般沼气发电仅作为用电的补充，沼气发电量的波动不会对污水厂的运行造成较大影响，而将沼气用于驱动鼓风机或水泵时，则要求发动机具有双燃料或备份电动机驱动的鼓风机组，否则当沼气不能满足鼓风机需求，将严重影响污水厂正常运行。另外，两种利用方式的机械效率不同。一般沼气发动机的机械效率为20%～30%，电动机的机械效率约为75%，因此可知沼气用于发电时，总的机械效率为15%～23%。而当沼气直接用于驱动鼓风机或水泵时，其总的机械效率为20%～30%。在沼气的能量分布上，20%～30%转化为机械能，30%～35%以热量的形式转化到冷水中，30%～35%以热量的形式随烟气带走，另有10%为设备自身能耗损失。可见有60%～70%的能量转化为热能，一般会将这部分热能用于消化池的加热，在进行热交换时，冷水中90%以上的热量和烟气中60%～70%的热量会被吸收，累计为47%～55%，则总利用率为67%～85%。沼气锅炉的主要用途是消化池污泥加热和污水厂用热，采用的锅炉有两种：一种是热水锅炉；另一种是蒸汽锅炉。锅炉的热效率一般很高，可以达到90%以上。

沼气发动机和沼气锅炉这两种利用方式各有优缺点，视实际情况而定。如在北方，由于污泥有机质较高，产气率大，沼气发动机余热在春、夏、秋三季均能满足污泥加热需求，但冬季由于气温较低，一般不能满足加热需求，还需另设燃煤锅炉。如果直接采用沼气锅炉，则一年四季均会满足用热需求，但春、夏、秋三季会产生过多余热，造成能源的浪费。这样，一些污水厂就既设有沼气发动机，又设有沼气锅炉，在冬季使用沼气锅炉进行消化池加热，在春、夏、秋三季使用沼气发动机发电。但在南方地区，由于气温高，沼气产生的余热一般可满足四季的污泥消化加热需求，可不设沼气锅炉，不过有些污水厂的污泥有机质偏低，沼气产量不一定满足后期需要。因此，在实际的运用中对沼气利用方式的选择需要根据实际情况而定。

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在沼气火炬的选择上一般其燃烧能力为消化系统最大产气量，以保证在不利用沼气时也可将产生的沼气全部燃烧掉。污水厂广泛采用的燃烧器形式为自动点火混合式燃烧器。在实际运行中，应注意控制进入每台燃烧器的沼气流速小于火焰的传播速度，否则火焰将熄灭，导致沼气直接排入大气，一般火焰传播速度为0.65～0.70m/s。

05沼气发电机组

沼气发电机组包括发电机和沼气发动机。其中沼气发动机有压缩点火式双燃料发动机和火花点火式燃气发动机两种。

① 压缩点火式双燃料发动机。双燃料发动机是通过压缩吸入汽缸的沼气与空气，并采用柴油引火，沼气量不足时，可全部采用柴油。引火耗油量约占发动机总燃料量的8%～10%。一般发动机的耗热量为9629～10884kJ/（kW·h），若按平均10256.5kJ/（kW·h）计，则每立方米沼气可发电约2.1kW·h；每立方米甲烷可发电3.7kW·h。

② 火花点火式燃气发动机。燃气发动机是通过压缩吸入汽缸的沼气与空气，并采用电火花引燃，以带动发电机发电。一般发动机的耗热量为10884～12141kJ/（kW·h），若按平均11512.5kJ/（kW·h）计，每立方米沼气可发电约1.8kW·h；每立方米甲烷可发电3.25kW·h。

06沼气在农副业的应用

① 孵化禽类。与传统的炭敷、炕孵工艺相比，利用沼气进行禽类孵化可避免造成温度不稳定和一氧化碳中毒现象。一般沼气孵化技术孵化成本仅为电孵化的1/3，节约能耗，且其操作方便可靠、无污染，孵化效率高。

② 蔬菜种植。将沼气通入蔬菜大棚或湿室内进行燃烧，利用燃烧产生的二氧化碳进行气体施肥，具有显著的增产效果，同时生产出无公害蔬菜。在蔬菜大棚内燃烧沼气，棚内温度也会有所提高，随着棚内二氧化碳浓度升高，蔬菜叶片光合作用强度也提高，增产明显。

③ 贮粮防虫。沼气中含氧量非常低，当向贮粮装置内输入适量的沼气并密闭保存一定时间，即可将空气排空形成缺氧的环境，会使害虫因缺氧而窒息死亡。通过此法可以保证粮食的品质，对粮食没有污染，对人体以及种子发芽均无任何影响。采用沼气贮粮技术可节约贮存成本达60%以上，减少粮食损失约10%。

④ 动力燃料。沼气是一种很好的运输工具的动力燃料，其抗爆性能良好，辛烷值高达125。在使用沼气时采用容积相同的内燃机可获得不低于原机的功率。在内燃机（如煤气机、汽油机、柴油机等）中，可直接使用沼气，每千瓦小时约耗沼气0.82～1.36m3。煤气机无需任何改装即可使用沼气，但为了获得更好的效果，需要改变煤气机的压缩比为12，此时燃烧的效果最好。在沼气应用于汽油机时，需要在原机的化油器前加一个沼气-空气混合器，混合器需适应沼气和空气1∶7的混合比，但是由于汽油机的压缩比相对较低，一般为7，因此效率较低，能耗较大。在沼气应用于柴油机时，一般柴油机压缩终点的汽缸温度为700℃，而甲烷燃点是841℃，因此难以靠压缩进行点火，故除了增加沼气-空气混合器外，还需另外增加一个点火装置或采用混烧的方法，即以沼气为主要燃料，添加少量柴油用于引燃，柴油量一般控制在10%～20%范围内。采用柴油机燃烧沼气的效率相对高于汽油机。

目前沼气除了通过上述几种应用途径外，国外还有用作与城市煤气混合、沼气燃料电池、进行切割式焊接、制造化工原料（如甲烷在光照作用下，可生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和四氯化碳的混合物）等。