文|兰子记

编|橙子外

人口的急剧增长，以及有机和无机材料的浪费，导致使用生物质能，作为可再生能源系统的来源，来生产天然气(N.G .)，该天然气可用于烹饪或为公众商业化。

废物和垃圾材料的燃烧，导致巨大的污染和全球变暖；然而，利用沼气消化系统(BDS)将停止污染周围环境。

本文的主要目的是，分析设计并实现一个小型沼气发酵系统，该系统可以提供一定量的天然气。

图1（天然气）

介绍

从有机废物生产沼气，可能在改善我们的环境和经济中发挥重要作用。有机废物不应被视为环境污染的来源，也不能通过填埋或焚烧来消除，因为这可能导致其他污染问题。

有机废物是一种可生物降解的材料，来自植物(日常食物废物)或动物(粪便)。随着时间的推移，有机废物通常会被，其他生物分解(化学反应)，可被称为湿废物。

大多数时候，它是由蔬菜和水果碎片、纸张、骨头和人类排泄物组成的，很快就会分解。在许多应用中，沼气消化系统产生的天然气，可用于烹饪或通过运行简单的电厂发电。

沙特阿拉伯是世界上五个最耗能的国家之一，该国每年的耗电量为24，400千瓦时，是法国和德国的五倍多，是挪威、加拿大和美国的两倍。

图2（湿废物）

虽然我们知道，该国的天然气是消费量上升的主要原因之一。有一些行为导致了，消费的大幅膨胀，比如70%的建筑没有隔热，没有使用节能灯，出门时让照明和空调开着。因此，废弃物可以作为另一种电力或天然气的来源来利用。

在这项研究中，研究人员提出了一种灵活、紧凑和耐用的沼气消化系统设计，以便将大量的废弃食物或任何有机材料转化为天然煤气或肥料。

此外，废料还可以转化为商业用电。沙特阿拉伯的生物质能在几年内迅速增加，这主要归因于新兴行业的扩张，如图3所示。

图3（各地生物质能潜力）

生物质能是一种可再生能源，可以从工业原材料、家庭废弃物等生产。通常，大量的废弃物主要来自城市固体废弃物，沙特阿拉伯的生物质能潜力估计总计为3.0（百万吨油当量）（占阿拉伯国家总量20.25百万吨的15%）。

沙特阿拉伯在生物质能潜力巨大的阿拉伯国家中排名第四，仅次于摩洛哥、埃及和苏丹，如图1所示。沼气消化系统（BDS）的机制类似于人体的消化系统；消化系统也称为胃肠道。

所有有机材料在化学反应完成后，都会转化为能量。消化系统的每个部分都起着将食物和液体移动通过你的胃肠道、将食物和液体分解成较小部分或两者兼而有之的作用。

一旦食物被分解成足够小的部分，你的身体就可以吸收和运输所需的营养物质。你的大肠吸收水分，消化的废物成为粪便。

图4（沼气消化系统）

沼气是由微生物，通过在无氧条件下，将天然材料生物降解而生成的化学过程。在2009年至2015年期间，欧洲的沼气发电厂迅速增加。

它们产生了大约6000到近17000兆瓦的电力。沼气产生主要经历三个阶段的生物化学过程：水解、酸生成/醋酸生成和产甲烷，如图5所示。

沼气（由甲烷和二氧化碳组成）可以通过两个步骤转化为生物甲烷：

（1）、清洁过程，以去除微量成分（水蒸气、氢气、硫化物、硅氧烷、碳氢化合物、氨等）。

（2）、升级过程，用于调整热值。

图5（生化过程）

图6显示了五年期间的废弃物数量，沙特阿拉伯的废弃物，每年约为16百万吨。

沼气消化系统的设计和制造，通常需要熟练的专业知识，使得安装昂贵且耗时，尤其是对于农村地区而言。

与此同时，世界各地许多由政府建设的工厂正在使用原油，这导致了大量的污染和全球温度的上升。因此，利用生物材料通过沼气消化系统生产天然气可能是减少全球变暖的一种替代方案。

图6（朝觐垃圾(有机物和非有机物垃圾)仅5年）

厌氧消化过程是一种，在无氧条件下将有机物转化的过程，如图7所示。厌氧生物指的是任何不需要氧气进行生长的微生物。小型沼气消化系统的，数值/CFD研究已经进行了研究。

食物、瓶子、木材和其他废弃物都是生物质潜在能源。此外，生物质潜在能源还可以从农业（如小麦秸秆）、园艺（园艺废料）、食品加工（如玉米棒）、畜牧业（粪便）或污水处理厂的人类废物中浪费。

沼气降低了，向环境排放大量温室气体的数量；沙特阿拉伯王国2018年的环境绩效指数（EPI）为180个国家中的第86位，如图7所示。

图7（环境表现指数）

方法和实验装置

如所示，该设计图8，由两个主要的罐组成：消化罐(气缸)和储罐(气缸)。

沼气消化系统（Biogas Digest System，简称BDS）的尺寸，是基于所需的生物质能源确定的。两个储罐通过主要的沼气管线连接在一起，煤炭过滤器被安置在主管线上，以去除沼气的异味。

每个储罐上都安装了三个压力计，以测量每个储罐内的气体压力。有机物料与少量水混合在废物储罐内，废物储罐中的有机物料通过压缩活塞进行压缩，以释放和产生更多气体。

气体释放后，剩余的废物材料可以用作肥料，在气体生产过程中，主气管线阀门必须打开。

废物储罐下方的阀门用于在分解过程后移除残留的有机物料，因此肥料材料可以轻松地从废物储罐底部吸取。废物储罐是一个非绝缘储罐，可以从周围吸收更多的热量。

图8（沼气和生物甲烷消化系统）

结果和讨论

如已知，甲烷的热值为 55 0.668 = 36.74 MJ/m³。由于甲烷是唯一的主要热源，沼气的热值为 0.6 36.74 MJ/m³ = 22.044 MJ/m³。

1 m³容量的原型沼气消化系统，每天产生 0.7 m³的气体。0.7 m³沼气的净能量为 0.7 22 MJ = 15.4 MJ。

因此，每两周提供的能量为 15.4 14 = 215.6 MJ。设计的消化储罐容量为 1 m³ 的粪便，可产生约 215.6 MJ 的能量。

我们建议的设计可以按比例扩大规模，如图 9 所示，消化储罐和储气罐是这个系统的主要部件。

图9（沼气和生物甲烷消化系统）

煤炭过滤器被安装在主天然气管线上，用于去除天然气中的异味。压缩机被放置在过滤器之后，用于压缩天然气并将其推入储气罐内。

研究人员设计了一种小型机械沼气和生物甲烷消化系统，在保留期为13周的条件下，研究了不同情况，包括环境温度范围在22 C到30 C之间， influent温度范围在32 C到39 C之间。

每天的沼气产量在图10 中以图表形式呈现。

案例1：将 60 kg 的湿粪便批量均匀混合在 10 升水中，形成一致的混合物。

案例2：将食物（水果/蔬菜，米饭和面包）与相同量的湿粪便分别研究。

图10（蒸煮器圆筒内的气体压力）

结果根据图11 的数据进行测量和计算，为13周的时间。计算是基于在标准温度和压力下的理想气体方程以及不同温度条件下的计算。

环境温度对储存罐内的材料有关键影响，并有助于细菌快速分解材料。因此，如果有机材料完全分解，气体产量将增加。此外，气体产量与温度升高成正比。

图11（测量和计算的实验数据）

结论

在这项研究中，设计了新的沼气和生物甲烷消化系统（BDS）。

对于粪便和食物废料进行了两种情况的调查，发现，湿粪便在相同的环境条件下产生的天然气比食物废料多。

有了大规模的消化系统，沼气的产量将更多，并且可以用于商业用途。在有机废料或生物材料的平均环境温度 Tav = 38 C 下产生大量的天然气，这将产生巨大的天然气量（ 总废料中 CH4 的 60%）。

图12（沼气）

这项研究注意到，粪便或食物垃圾是石油气的良好替代品，甲烷气体的生产可能会用于商业目的，这更安全，并保持环境清洁。

例如，每年有超过6万吨的垃圾被焚烧，这在KSA的一个城市造成了巨大的污染。此外，研究发现，将一种以上的食物混合在一起会产生更多的天然气，因为混合材料分解得很快。有机材料的类型和环境温度，对产生生物质能有显著影响。

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参考资料：

《生物可降解废物转化为沼气:沙特阿拉伯王国的可再生能源选择》，2013年

《SNV支持亚洲和非洲的家庭沼气计划》，2013年

《中国农村户用沼气系统的能源和GHG分析》，2014年

《印度家庭沼气厂的能源和环境效益》，2014年

《肉类、纸浆和造纸工业的沼气生产副产品》，2014年

《沼气转化为生物甲烷的技术》，2011年

《埃塞俄比亚农村地区使用沼气能源的好处:福格拉区阿姆哈拉国家区域州的案例研究》，2015年

《环境生物技术。广告:沼气生产》，2004年