紅外沼氣分析儀在我國沼氣工程中的應用

  “十二五”期間，國家發展改革委會同農業部累計安排中央預算內投資 142 億元用于農村沼氣建設，并不斷優化投資結構。根據農村沼氣發展面臨的新形勢，日前國家發改委調整中央投資方向，發布了《全國農村沼氣發展“十三五”規劃》，并提出到2020年國家沼氣總產量要達到207億立方米，其中重點用于支持規模化大型沼氣工程和生物天然氣工程試點項目建設，這兩項工程總投資超過了“十三五”農村沼氣工程總投資的60%，農村沼氣也邁出了轉型升級的新步伐。截至目前，我國沼氣總產量158億立方米，這意味著未來5年內，我國沼氣總產量將再增31.1%，中國沼氣事業將迎來快速發展的新時期。

一、我國沼氣工程管理存在的主要問題

在我國沼氣事業快速發展的同時，我國沼氣工程規模正逐步由過去分散經營戶用沼氣為主向集中管理大中型沼氣工程為主的新格局轉變。回顧過去，農村沼氣的發展可以用“成績巨大，問題不少”來概括，究其原因，在于我國沼氣工程存在著明顯的技術障礙和不確定性，一些戶用沼氣業主疏于對工藝過程的管理，導致產氣率不高，大部分戶用沼氣工程閑置；不少企業建設的大中型沼氣工程普遍存在工藝簡單粗放、運行管理不規范、設備制造及配套不完善等問題，使得大中型沼氣工程無法實現資源化利用的效益zui大化，從而制約著我國大中型沼氣工程的發展。因此，不管是戶用小型沼氣工程還是大中型沼氣工程，要保證沼氣工程的運行，就必須以沼氣工程監測技術作為支撐，根據沼氣成分檢測數據，確切掌握沼氣工程運行狀況，以優化沼氣生產工藝，提高產氣率。

二、紅外沼氣分析儀在各領域中的應用

目前，上檢測沼氣成分的方法主要有五種：奧氏氣體分析法、熱催化燃燒檢測法、熱導元件檢測法、氣相色譜GC檢測法、紅外氣體分析法，五種沼氣成分檢測方法對比如下表。其中紅外氣體分析法相較于奧氏、熱催化燃燒、熱導元件、氣相色譜GC檢測方法，具有響應時間快、靈敏度高、使用壽命長、儀器操作方便等優勢，是目前zui有效且廣泛應用的沼氣成分檢測方法。

伴隨著我國沼氣事業的蓬勃發展，基于紅外氣體分析法的紅外沼氣分析儀在我國各個沼氣工程領域發揮著重要的作用。

1.厭氧發酵

厭氧發酵是一個復雜的過程，預處理、接種比例、總固體濃度、原料、溫度和外源添加物等因素都對厭氧發酵有顯著影響。因此，除了要根據發酵原料選擇適宜的工藝類型外，采用紅外沼氣分析儀監測沼氣成分以掌握產氣效果，根據產氣效果掌握發酵運行情況以調整厭氧發酵沼氣生產工藝，也是保障沼氣工程運行的重要手段。

2.沼氣提純

沼氣的主要成分是甲烷和二氧化碳，此外，還含有微量的氫氣、硫化氫等。沼氣并入天然氣網，或用于車用燃料、發電、燃料電池等，一般都對其各組分有著嚴格的要求。例如，沼氣中通常含有60%以上的甲烷，而汽車天然氣甲烷含量須在90%以上。因此，需要通過采用變壓吸附(PSA)、水洗、碳酸丙烯酯和堿溶液吸收等物理和化學方法，對沼氣去雜純化，使之成為甲烷含量高、熱值和雜質氣等條件符合天然氣標準要求的高品質生物天然氣。沼氣經提純成為生物天然氣，既可替代汽油，也可替代現有的CNG作為車用燃料。使用紅外沼氣分析儀監測提純沼氣的甲烷與硫化氫含量，掌握甲烷回收率、脫硫效率等關鍵數據，業主可據此進行厭氧發酵、提純過程的工藝優化，以提高沼氣熱值和生物天然氣工程的經濟效益。

3.熱電聯產

在熱電聯產項目中，沼氣驅動的燃氣發動機，通常要求沼氣預處理系統的硫化氫去除能力達到99.9%，因此需要進行沼氣質量檢驗。采用紅外沼氣分析儀對沼氣硫化氫含量進行持續監測以保證燃料條件達到要求，從而保護發電機不會因為出現損壞和非計劃停用而造成巨大的經濟損失，并且能夠幫助業主對內部再循環率和預處理水平進行調整，起到優化燃燒的作用。

三、紅外沼氣分析儀在我國沼氣工程應用中的問題

1.技術依賴進口，價格昂貴

早在20世紀70年代，國外就開始了紅外氣體分析技術的研究，而我國研究起步相對較晚，始于80年代。其中比較先進的國家以德國、美國、日本為主，他們以銷售或合資的方式打入中國市場，從儀表結構、自動化程度、技術性能來看，均比我國自主研發的產品有優勢，因此國內使用的核心紅外氣體分析技術大部分依賴進口，但對國內企業而言，國外進口紅外沼氣分析儀價格昂貴，且進口儀器維修流程復雜、維護困難，這無疑增加國內企業的生產運營成本。為了扭轉國產分析儀器無法與進口儀器相抗衡的技術逆差，國內研究學者對紅外氣體分析技術進行了深入了研究。

1990年，上海交大應用物理采用國產元件組件了一套檢測大氣甲烷濃度的實驗裝置。檢測靈敏度約7000ppm，是甲烷氣體大氣zui低爆炸極限的13%。

1996年，山西礦院對現有紅外氣體傳感器光路結構的探討，設計了適用于井下的光學系統，并改進了斬波技術，信號處理采用以單片機為核心的軟件處理技術。同年，合肥煤炭科學研究院對法國LEL-5610防爆型紅外二氧化碳檢測儀進行了分析，并提出了幾種國產化方案。

2004年，由武漢四方光電科技有限公司所承擔的研究項目——非分光紅外(NDIR)氣體傳感器技術研究方面，取得了新進展，這一研究結果使得我國紅外氣體傳感器關鍵技術研制達到了同類產品的先進水平，也打破了我國紅外氣體分析技術長期依賴進口的局限。隨著微機、通訊技術的發展，國產紅外氣體傳感器研制所需的器材成本得以下降，從而使得國產紅外沼氣分析儀的生產成本遠遠低于進口產品。同時紅外沼氣分析儀的研制由于技術、材料、工藝領域的發展得到了技術革新的可靠保障，如交叉干擾誤差消除、在線監測、自動調零、線性輸出等都已成為現實。

如四方光電子公司-銳意自控自主生產研發的在線紅外沼氣分析儀Gasboard-3200，基于紅外氣體分析技術與長壽命電化學技術，可同時測量沼氣中甲烷、二氧化碳、硫化氫、氧氣等多組分氣體的體積濃度，且多組分氣體間不交叉干擾；采用兩點標定方法，進氣口先后通入高純N2以及與待標氣體對應的標準氣體，可分別對儀器進行零點與終點標定，以減小零點漂移，相應減小量程漂移；監測數據可通過RS-485與RS-232模擬輸出接口傳輸至中控室，無需人工值守便可實時在線監測。該在線紅外沼氣分析儀已廣泛應用于厭氧發酵、垃圾填埋、污水處理等領域沼氣成分的實時在線監測。

2.儀器結構復雜，維護困難

繼2004年之后，我國對紅外氣體傳感器關鍵技術的研制雖然基本追平了同類產品水平，且紅外氣體分析儀在研制與生產成本上具有較大優勢，但與先進技術相比，國產紅外氣體傳感器結構復雜、體積較大，同時還缺少小型化、減量化的紅外氣體分析設備來滿足國內市場需求與替代進口產品，進口紅外氣體分析儀在國內市場仍占據著主導地位，所以對國產紅外氣體傳感器檢測系統模塊化的研究以實現國產儀器的減量化具有深刻意義。

四方光電作為大的紅外氣體傳感器的生廠商，一直致力于傳感器檢測系統的創新研制，2016年公司研發團隊整合紅外氣體傳感器檢測系統，實現了紅外氣體傳感器的模塊化升級，其特點如下：

①　傳感器模塊與分析儀器的其他設備相分離，更換快捷，儀器維護方便。

②　一個組分對應一個傳感器模塊，可根據用戶需求快速組裝適合的氣體分析儀器。

③　傳感器模塊具備遠程自診斷功能，可自動檢查傳感器信號，工作人員可通過儀器診斷界面或物聯網系統查看傳感器信號是否異常，以做出相應的解決方案，有效解決技術人員操作不規范或流動造成的儀器維護困難等問題，大大省卻人工運維成本。

基于母公司紅外氣體傳感器模塊化設計理念，同年銳意自控成功研制出了一款新型便攜式紅外沼氣分析儀Gasboard-3200Plus，實現了國產紅外沼氣分析儀的減量化生產，該沼氣分析儀采用紅外氣體分析技術及長壽命電化學技術，可同時測量沼氣成分中的甲烷、二氧化碳、硫化氫與氧氣等氣體含量，在延續上一代產品高精度、無耗材等優勢的同時，儀器體積更小、質量更輕、攜帶更方便、儀器維護更便捷，彌補了傳統沼氣分析儀設備不易攜帶、維修困難等不足。可廣泛應用于厭氧發酵、垃圾填埋、污水處理、科研院校實驗室氣囊取樣等領域沼氣成分可靠準確的測量。

便攜紅外沼氣分析儀Gasboard-3200Plus的現場檢測

除此之外，銳意自控已將模塊化傳感器應用在公司所有的氣體分析儀器上，除便攜紅外沼氣分析儀外，其在線紅外沼氣分析儀、沼氣分析系統、沼氣工程物聯網等核心傳感器部件均采用模塊化設計，有效的解決了傳統紅外氣體分析儀器結構復雜、維修困難等問題。

四、國產紅外沼氣分析儀的應用實例

1.沼氣分析系統

湖北省某農業專業合作社投資480萬興建了總規模6000立方米的大型沼氣工程項目，為了實現對該項目沼氣提純效果與產氣效果的實時在線監測，合作社采用了一體化銳意自控沼氣分析系統Gasboard-9060，沼氣分析系統置于項目提純系統之后用來檢測甲烷、二氧化碳、硫化氫等組分含量，其氣體分析單則是采用在線紅外沼氣分析儀Gasboard-3200，主要用來檢測沼氣中甲烷、二氧化碳、硫化氫含量，工作人員則根據甲烷、二氧化碳、硫化氫的實時監測數據查看沼氣脫碳、脫硫效果，以調整沼氣提純工藝，實現提純效果的*化，從而提高沼氣適應性與熱值。

項目現場

一體化沼氣分析系統Gasboard-9060現場檢測

據了解，該沼氣項目的投入使用，滿足了全村360戶農民的生活用氣，以及1.2萬畝稻鰍共生系統有機肥需求，每年為該村農業生產減少化肥使用量500噸，節約資金130萬元，同時還提高了水稻產品質量，為打造有機富硒大米，富硒鰍魚奠定了良好的基礎，為97戶扶貧對象提高了產業幫扶脫貧支撐，也為全省解決畜禽養殖污染，農業廢棄物資源化綜合利用，發展生態循環有機農業起到了典型示范作用。

2.沼氣工程物聯網

為建設農村生態文明、轉變農業發展方式，在農能辦的帶動下，湖南省某公司在水庫旁建設了一個大型農村循環生態農業示范基地，并以種豬養殖場的水泡糞與生態園農作物秸稈為發酵原料修建了大中型沼氣工程項目。該項目主體建筑為800立方米厭氧發酵罐、1000立方儲氣罐、微曝氣池、厭氧生化池、發電室與集中控制室等。

項目現場

為了實現對沼氣提純效果的監測以及沼氣的綜合利用，該項目業主采用了銳意自控大中型沼氣工程監測方案Gasboard-9230，對沼氣成分、沼氣流量等數據進行實時在線監測，并通過物聯網系統對整個沼氣工程進行遠程監測。該方案包括一體化沼氣分析系統Gasboard-9060、超聲波沼氣流量計BF-3000（DN50）及沼氣工程標準控制箱Gasboard-9065。Gasboard-9060置于提純系統之后，用來檢測甲烷、二氧化碳、硫化氫等組分含量；BF-3000同樣置于提純系統之后，用來計量日產沼氣量，測量沼氣溫度、壓力，為后續厭氧發酵工藝的優化與沼氣的綜合利用提供可靠的數據參考。Gasboard-9065則用來讀取、顯示兩個設備的監測數據并將數據傳輸至沼氣工程物聯網系統，以便業主隨時查看。

大中型沼氣工程監測方案Gasboard-9230檢測現場

超聲波沼氣流量計BF-3000檢測現場

其中，沼氣分析系統Gasboard-9060的核心傳感器部件采用模塊化設計，拆卸維護更方便；同時傳感器模塊具備遠程診斷功能，業主無需對儀器進行拆卸檢查，可直接通過物聯網系統查看傳感器運行狀態，如傳感器發生故障可及時產品售后處理，儀器維修方便快捷，極大的減輕了人工負荷，降低了運維成本。

五、結語

在諸多利好政策的支持下，我國沼氣事業迎來了蓬勃發展新時期，農村沼氣轉型升級也拉開了序幕，在新的形勢下，沼氣工程科學化、專業化大勢所趨，因此沼氣產業要實現可持續發展，就必須加強沼氣工程的過程監管。而以國產紅外氣體傳感器技術為核心的紅外沼氣成分監測設備不僅在保證沼氣工程運行、提升生物天然氣經濟效益上發揮著重要作用，也將以其明顯的成本優勢逐漸取代進口產品成為助力我國沼氣事業發展的積極力量。

（來源：沼氣圈）