一、雜質成分對沼氣利用的影響

     沼氣一般都含有大量CO₂、少量H₂O和H₂S、硫化烴、鹵化烴、氨氣、硅氧烷等雜質氣體，沼氣中 常產(chǎn)生的硫化物是H₂S、COS、烷基取代物、二甲基硫物化等，H2S并不總是 大的硫化合物。除了硫化物，含氧的有機化合物（如有機酸、乙醇、酯）在沼氣中也很常見。雜質氣體成分往往會對沼氣的利用造成不利影響，需要采取措施去除。

1、CO₂使沼氣的能量密度降低，并且在燃燒過程中減緩燃燒速度。要使沼氣達到天然氣標準或用作汽車燃料，就必須去除其中的CO₂。

2、水在導氣管道中積累后會溶解H₂S、CO₂等酸性氣體而腐蝕管道，而當沼氣被加壓儲存時，可能會因為凝結水而凍壞儲氣罐。

3、H₂S是沼氣中 常見的雜質氣體，它能與大多數(shù)金屬發(fā)生反應，并且當其濃度增大、氣體壓力增加、溫度上升和有水存在時，H₂S的活性更強，在使用中導致壓縮機、管道、儲氣鋼瓶、發(fā)動機受到腐蝕，并造成催化劑中毒。硫化物燃燒放出SO₂和SO₃會比H₂S造成的危害更大，SO₂會降低露點，而硫酸有高腐蝕性。

4、生活污水處理產(chǎn)生的沼氣中往往含有硅氧烷，其燃燒產(chǎn)物附著在發(fā)動機燃燒室及排氣系統(tǒng)中會大大降低發(fā)動機效率，使排氣質量惡化。

5、 填埋場氣體中常常含有一定量的鹵化物，其燃燒產(chǎn)物具有腐蝕性，有水存在時腐蝕性加劇，在一定燃燒條件下甚至生成有毒氣體PCDDs和PCDFs，故需要優(yōu)先去除；達到甲烷的爆炸極限水平時可能發(fā)生爆炸危機人的生命財產(chǎn) ，必要時也需加以去除。

6、氨氣燃燒后生成氮氧化物，當沼氣中氨氣含量過高時會引起燃氣汽車排放超標。

7、在收集填埋場氣體時可能會吸進大量的空氣而造成氧氣含量過高，當混合氣濃度達到甲烷的爆炸極限水平時可能發(fā)生爆炸危及人的生命財產(chǎn) ，必要時也需要加以去除。

二、沼氣的利用方式及品質要求

     沼氣是一種理想的清潔能源，應用途經(jīng)廣泛，但不同的利用方式對沼氣的品質要求不同，沼氣的主要利用途徑及其品質要求如下：

1、燃燒供熱。這是發(fā)展中國家常見的沼氣利用形式，如我國普遍采用的農(nóng)村戶用式沼氣池，它們一般用于提供炊事和照明燃料。農(nóng)村戶用式沼氣池工程技術簡單，投資小見效快，沼氣一般只需進行簡單的脫硫和脫水處理。

2、沼氣發(fā)電機熱電聯(lián)產(chǎn)。這是發(fā)達國家大中型沼氣工程普遍采用的沼氣利用方式。為避免沼氣中雜質對發(fā)動機的不良影響，沼氣需進行脫水和脫除硫化物、鹵代烴、硅氧烷等雜質氣體的處理。

3、沼氣燃料電池。沼氣發(fā)電的電效率一般低于35%且單位投資相對較高，而用于燃料電池的電效率可達到40%~60%。沼氣用于燃料電池需要分離CO₂，去除H₂S、鹵素和CO等痕量氣體。

4、沼氣純化后用管道天然氣和用作汽車燃料。該利用方式對沼氣品質要求很高，沼氣不僅要脫水，去除雜質氣體，還要去除CO₂以得到高品質的生物甲烷。

5、沼氣用作化工生產(chǎn)原料。用來制造氫氣和炭黑，并可進一步制成乙炔、汽油、酒精、人造纖維和人造皮革等各種化工產(chǎn)品。

三、沼氣凈化與提純工藝匯總

     沼氣凈化一般是去除沼氣中微量的有害組分，如沼氣脫硫、脫氧、干燥技術等。沼氣提純是去除沼氣中的二氧化碳，以提高燃氣的適用性和熱值。經(jīng)過凈化提純得到的生物天然氣，通常含有95%~97%的甲烷和1%~3%的二氧化碳，可以作為替代天然氣使用。

1、沼氣脫硫

生物凈化工藝與上述傳統(tǒng)工藝相比具有運行成本低、反應條件溫和、能耗少和有效減少環(huán)境污染等優(yōu)點，但脫硫微生物都是需要氧型的，氧氣或空氣的加入可能會導致沼氣中氧含量上升影響沼氣的 性，因此采用生物脫硫是要時刻監(jiān)控反應器中的氧含量。

2、沼氣脫氧

      沼氣生產(chǎn)中不可避免地會混入空氣，特別是垃圾沼氣。氧的脫除是沼氣加工的必經(jīng)步驟，沼氣中的氧必須脫至一定范圍內(nèi)，才能 整個工藝過程的 性。若生物沼氣生產(chǎn)GNG或天然氣，則需將其中所含的氧氣含量降至0.5%以下。沼氣脫氧工藝一般有如下幾種：

方法1：利用氣源中的原有氣體和氧氣反應；

方法2：通入氫氣與氧反應，生成較易除去的水；

方法3：混合氣中的氧直接與催化劑發(fā)生氧化反應，使催化劑活性組分轉化成高價氧化物；

方法4：通過膜分離或低溫變壓吸附法(PSA)去除。

方法2需要氫源，且要確定通入氫氣量，方法3較難達到合格的脫氧深度，而方法4成本較高。因此，利用沼氣中主要組分甲烷與氧氣在催化劑作用下反應，是較為經(jīng)濟有效的脫氧方法。

3、沼氣干燥

       未經(jīng)處理的沼氣通常含有飽和水蒸氣。其 含量與溫度有關，如35℃時沼氣水含量約為5%。沼氣脫水技術主要分為物理分離和化學干燥兩類，這些方法也可以同時去除沼氣中的泡沫和粉塵。

4、沼氣脫碳

       由于沼氣中甲烷含量較低，其高位發(fā)熱值只有23.9MJ/m(甲烷含量60%)，而純甲烷高位發(fā)熱值為39.78MJ/m。作為車用燃料或者管道天然氣燃料其高位發(fā)熱值要求大于31.4MJ/m，則要求沼氣中甲烷濃度至少提高到88%以上，即要脫除多余CO₂。沼氣脫碳技術多源于天然氣、合成氨變換氣脫碳技術，包括物理溶液吸收法、化學吸收法、變壓吸附法、膜分離法、低溫深冷法等。表2給出了常用的沼氣脫碳方法及其特點。

5、其他雜質的脫硫

         除了水、硫化氫、氧、二氧化碳外，其他雜質氣體通常含量較少，且可以在已有的凈化或提純單元中去除。如硅氧烷和鹵代烴主要存在于垃圾填埋場沼氣或混合原料發(fā)酵沼氣，均可通過活性炭吸附去除，少量的氨也可被活性炭吸附，或者在二氧化碳脫除單元(如加壓水洗法)去除。

三、沼氣凈化提純工藝過程監(jiān)測

      沼氣并入天然氣管網(wǎng)，或用于車用燃料、燃料電池等，其氣質一般有著嚴格的要求。因此，需要通過必要的沼氣凈化提純技術，使沼氣成為甲烷含量高，熱值和雜質等條件符合管道、壓縮或液化天然氣標準要求的高品質生物天然氣。而要達到標準所規(guī)定的氣體質量，沼氣氣體組分檢測不可少。 

     下面以安徽生物天然氣脫硫、脫碳在線監(jiān)測項目 ，簡要敘述沼氣成分檢測在沼氣提純中的應用情況。

項目背景

     阜南縣農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣與生物天然氣開發(fā)利用PPP項目按照“站田式"布局在全縣建立8個（總容積為18萬m3）有機廢棄物沼氣和生物天然氣處理站點，1個中心站以及與產(chǎn)業(yè)相關的設施建設；年產(chǎn)生物天然氣4000萬m³,年產(chǎn)固體有機肥料16~20萬噸，液態(tài)有機肥5~10萬噸，結合農(nóng)化肥和科學施肥，實現(xiàn)區(qū)域循環(huán)農(nóng)業(yè)平臺化發(fā)展。

脫碳設備現(xiàn)場圖（激光氣體在線監(jiān)測裝置LGDS-2000）

脫硫設備現(xiàn)場圖（激光氣體在線監(jiān)測裝置LGDS-2000）

脫硫實時監(jiān)測數(shù)據(jù)

現(xiàn)場應用情況

脫碳后采用單通道監(jiān)測：甲烷CH₄和CO₂兩種組分氣體含量，經(jīng)客戶現(xiàn)場運行驗證，脫碳后設備監(jiān)測CO₂體積含量與實驗室色譜儀器檢測數(shù)值偏差0.02%，對于測試準確度客戶非常滿意。

突出特點：

1.激光原理：相對傳統(tǒng)紅外原理，具有無漂移、長期穩(wěn)定性好不需校準、使用壽命更長等特點；

2.技術服務： 提供技術指導和服務；全生命周期跟蹤；

3.IP局域組網(wǎng)：有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連通與互動，從而 現(xiàn)場工藝的持續(xù)穩(wěn)定運行；

4.校準服務： 校準服務，客戶可不用采購標氣；

5.售后性價比：非人為原因故意損壞，質保期內(nèi)全部 更換，質保期外按照 低成本價核算提供服務。

     沼氣凈化提純技術工藝較多，用戶可以根據(jù)自身資金成本和能源化利用目標進行選擇。但使沼氣凈化提純成為甲烷含量高，熱值和雜質等條件符合管道、壓縮或液化天然氣標準要求的高品質生物天然氣，其工藝過程的氣體成分監(jiān)測不可少。