我國農村沼氣建設從2015年起進入轉型升級階段, 農業部重點支持規模化生物天然氣項目和沼氣工程建設, 在新形勢下, 沼氣工程建設面臨諸多挑戰與困難, 亟需在沼氣項目管理模式、生產方式和補貼機制等方面有所創新[1-2]。沼氣工程產氣量是衡量沼氣工程建設質量和運行效果的重要指標之一, 產氣量檢測是否準確可靠是沼氣“終端補貼”的前提。目前, 在沼氣工程產氣量檢測方面的文獻較少。

在目前質檢中心的實際工作中, 現有沼氣工程產氣量的測量方法有兩種:一種是利用沼氣工程輸氣管路上已安裝好的流量計, 記錄24小時產氣量, 或者換裝第三方檢測機構的流量計, 該程序較為繁瑣:閥門關閉—停止輸氣—切斷管道—安裝流量計—檢測完成—停止輸氣—卸下流量計—連接管道;另一種方法是利用沼氣工程的濕式儲氣柜, 測量儲氣柜浮罩的橫截面積, 通過測量一定時間內浮罩上升高度, 計算產氣量大小。前者因現有流量計的檢定狀態和度不能滿足第三方檢測需要, 導致數據溯源困難, 同時, 更換流量計程序繁瑣, 兩次停氣, 影響沼氣工程運行安全;后者需要沼氣工程建有濕式儲氣柜, 浮罩容積滿足沼氣工程24小時產氣量, 且檢測期間不能用氣, 若工程采用雙膜氣柜或軟體儲氣袋, 則無法使用該方法檢測。鑒于此, 筆者提出了兩種檢測方法, 設計了兩套沼氣工程產氣量檢測裝置, 以期為實際工作中沼氣產量的檢測提供相關理論支持和方法參考。

設計原理:利用沼氣輸氣管道預留的采樣口或其它孔口, 將傳感器與沼氣輸氣管道連接, 傳感器上端用數據線將其與顯示器連接, 通過傳感器下端探頭將沼氣流速、壓力和溫度的數據傳輸出來, 再將流速乘以輸氣主管道橫截面積進而得到流量 (已申請發明專利) 。

設計一種連接裝置 (見圖1) , 主要由管道風速傳感器、橡皮塞、錐形套和螺帽構成, 其特征在于管道風速傳感器插入橡皮塞中, 橡皮塞裝在錐形套中, 錐形套通過螺帽固定于沼氣管道的預留孔口上。錐形套上設置有限位板, 用于限定橡皮塞的位置;限位板上開有傳感器孔口;螺帽通過螺紋與預留孔口連接, 在螺帽與預留孔口連接處, 設置有密封墊圈[3]。

如圖1所示, 將橡皮塞中心打孔后, 從螺帽下端塞入錐形套, 塞至限位板處, 并壓緊, 把經檢定或校準后的風速傳感器 (德圖DT-8880, 見圖2) 從橡皮塞底部插入, 并通過傳感器孔口, 漏出傳感器的上部, 根據沼氣輸氣管道內徑調整傳感器插入長度, 傳感器探頭將輸氣主管道四等分, ***后把密封墊圈放入螺帽備用。

將沼氣工程輸氣主管道的閥門關閉, 把預留孔口的閥門或其它連接件 (如壓力表) 卸下, 然后把螺帽快速擰上, 擰緊, 使之與預留孔口牢固地連成一體。

在測量過程中, 由于橡皮塞塞入的是錐形套, 下大上小, 在沼氣壓力作用下, 越壓越緊, 防止泄露, 加之有限位板, 避免了橡皮塞脫落, 密封墊圈防止螺帽與預留孔口之間泄漏, 以上措施均可保證裝置良好的密封性。橡皮塞和密封墊圈是易損品, 用一段時間須更換, 使裝置可重復使用, 且能長期保證密封性。

螺帽可加工成內絲或外絲, 螺帽直徑選擇10 mm, 16 mm, 20 mm或其它更大的尺寸, 以便適應沼氣工程不同的預留孔口。

在整個測量過程中, 注意防火、防靜電和禁止有火花產生的操作。

顯示器每5分鐘記錄并自動存儲1次數據, 24小時共記錄數據288組, 每組數據含沼氣實測流速、沼氣壓力、沼氣溫度和大氣壓, ***后進入計算的數據是其算數平均值。將實測流速修正為標準狀態下的流速, 再乘以輸氣主管道橫截面積和檢測時間, 即為沼氣工程24小時產氣量[4]。計算公式如下:

式中:Q為沼氣工程24小時流量, m³;V為沼氣輸氣主管道實測流速, m·s^-1;t為沼氣溫度, ℃;P_a為實測大氣壓, k Pa;P_m為沼氣輸氣主管道實測壓力, k Pa;P_v為在溫度為t時飽和水蒸氣的壓力, k Pa;S為沼氣輸氣主管道橫截面積, ㎡;T為產氣時間, (3600×24) S。

系統適用于帶氣室的厭氧發酵罐。沼氣工程產氣量檢測系統 (見圖3) 主要由精密流量計和軟體4組成, 精密流量計一端與輸氣管道上原有的測量接口連接, 另一端通過閥門與軟體袋連接。通過檢定或校準后的精密流量計可測量氣體流量、壓力和溫度[5]。

如需測量沼氣工程6小時所生產沼氣摩爾數, 可將輸氣管道上的閥門B關閉, 6小時內生產沼氣的摩爾數△_n=n_{6 h后}-n_{6 h前}。根據理想氣體狀態方程PV=nRT推導出其中:R為常數8.31, 6小時前后的壓力和溫度可通過精密流量計測量, 6小時前后發酵罐的氣室和輸氣管道的體積也不會發生變化, 但無法通過儀器測量, 需檢測系統來計算, 進而才能計算出6小時內產生的沼氣摩爾數[6]。

關閉閥門B后, 可通過精密流量計測量閥門C打開前后的氣體壓力、氣體溫度和進入軟體袋的氣體體積。打開閥門C后, 軟體袋和輸氣管道的壓力在很短時間就達到平衡, 這段時間內產生的沼氣量可忽略不計。根據理想氣體狀態方程PV=nRT, 可得到打開閥門C前后的兩個方程, 這兩個方程含兩個未知數V和n, 通過這兩個方程可以計算出發酵罐氣室和輸氣管道的體積, 再計算出6小時內產生沼氣的摩爾數, ***后將摩爾數換算成標準狀態下的體積, 這便是該沼氣工程6小時內的產氣量[7]。

第1步:關閉閥門A、閥門B和閥門C, 安裝檢測系統;

第2步:打開閥門A, 待精密流量計數據穩定后讀取大氣壓力P₀, 沼氣壓力P₁, 氣體溫度T₁和流量度數Q, 設此時發酵罐和輸氣管道中沼氣摩爾數為n₁, 由PV=nRT, 得:

第3步:待產氣6小時后, 這時因發酵罐中有沼氣產生, 但閥門B是關閉狀態, 發酵罐和輸氣管道中壓力會上升, 此時讀取精密流量計上顯示的大氣壓P₀^/, 沼氣壓力P₂和氣體溫度T₂, 設此時發酵罐和輸氣管道中的沼氣摩爾數為n₂, 由PV=nRT, 得:

第4步:打開閥門C, 讓沼氣經精密流量計進入軟體袋, 此時, 發酵罐和輸氣管道中的壓力會下降, 待系統穩定后, 讀取沼氣壓力P₃, 氣體溫度T₃和流量度數Q^/, 由PV=nRT, 得:

由2.3中公式 (2) 和公式 (3) 推導:

得出:

由公式 (1) 得:

由公式 (2) 得:

根據公式 (5) 和公式 (6) , 得:

將公式 (4) 代入公式 (7) , 得:

通常產氣量一般用標準狀態下體積表示, 所以需要將產生沼氣摩爾數Δn換算成該摩爾數的氣體在標準狀態下的體積ΔV。

由PΔV=ΔnRT, 得:

標準狀態下, 壓力為101325 Pa, 溫度為273.15K, 將公式 (8) 代入公式 (9) , 得:

通過公式 (10) 可計算沼氣工程6小時內的產氣量, 沼氣工程產氣量一般以24小時來計, 要使檢測結果更準確可靠, 可連續重復上述檢測步驟4次, 對于發酵溫度恒定, 產氣速率波動較小的沼氣工程, 也可用檢測1次結果的4倍來計算 (已申請發明專利) 。

  沼氣產量檢測方法1操作較為便捷, 數據為儀器自動采集, 計算也較為簡單;沼氣產量檢測方法2準確度更高, 但人工采集的數據較多, 計算稍顯復雜。方法2不能一次性檢測24小時產氣量, 一是需要軟體儲氣袋的容積太大, 不便于攜帶;二是24小時產生的沼氣憋在發酵罐較小的氣室內會抑制產氣, 還存在一定的安全隱患。因此根據沼氣工程的產氣特點, 方法2也可縮短測量時間 (1小時, 2小時, 3小時等) , 增加測量次數。

  上述兩種方法都無需沼氣工程已安裝流量計, 克服了現有測量方法度不高、適用性不廣和測量值不具備橫向可比性等缺陷, 在不同溫度和大氣壓下對沼氣工程產氣量的測量結果準確可靠, 采用經檢定或校準后的儀器, 可實現第三方無損檢測。