沼气定义

沼气是一种可持续能源，当某些细菌在厌氧环境中分解有机物质时产生。它含有甲烷、氢气和二氧化碳。 农业废弃物、食物残渣、动物粪便、牲畜粪便和污水都可以用于生产沼气。厌氧消化是产生沼气的过程的另一种说法。

沼气能够自然地回收废弃物并将其转化为可用的能源，从而最大限度地减少垃圾填埋场垃圾造成的污染，并减轻污水处理设施排放的有害化学物质的影响。

通过沼气，分解过程中产生的有毒甲烷气体转化为危害性较小的二氧化碳气体。只有在潮湿的气候下，有机物质才能分解。垃圾或有机物质溶解在水中，形成富含营养的污泥，可用作肥料。

沼气定义

沼气是一种环保、可再生的能源，当食物残渣和动物粪便等有机物分解时产生。了解沼气是如何产生的，以及它如何用于发电、供暖和驱动汽车。

沼气是如何制造的？

当细菌在没有氧气的情况下分解有机物（生物质）时，就会产生沼气。 这个过程被称为厌氧消化。它可以在称为消化器的容器中被有意地复制。它自然地发生在各种地方，从废水池的底部到消化道。

厌氧消化器主要有两种类别

液体废物废水池被覆盖，沼气在此收集并管道化处理；另一种是专门为半液体废物设计的消化器，例如发酵罐，在此混合废物，并且可以通过加热或冷却或引入细菌混合物来管理消化过程，以加速分解过程。在消化过程中，30%至60%的可消化固体转化为沼气。

以下是工业沼气生产的原料示例

• 动物废物和肉类行业的剩余物
• 垃圾填埋场中的有机物
• 任何其他生物质来源，例如食品饮料行业的废物或废水处理污泥。

沼气的组成是什么？

沼气通常包含：甲烷 (CH4)，占 55%-80%

二氧化碳 (CO2)，占 20%-40%。 还存在微量气体，如一氧化二氮和硫化氢。甲烷气体尤为重要，因为它具有高能量含量，可用于产生能源。

甲烷对气候变化的影响是二氧化碳的 21 倍。与其让自然腐烂产生的有毒甲烷气体逃逸到大气中，不如将其捕获并燃烧，这是有道理的。甲烷在燃烧过程中转化为热量和二氧化碳。通过这样做，您可以利用气体的能量，并减轻其对气候变化的影响。

主要沼气应用

沼气的主要用途（或沼气的应用）是：

• 发电
• 热电联产（CHP）装置
• 农业废弃物管理
• 作为可持续能源的烹饪燃料
• 注入天然气管道
• 作为交通工具的清洁可再生燃料
• 在沼气电池中。

1. 发电

沼气最常见的用途是发电。植物基沼气提供了一种可持续的发电方式。与间歇性的风能或仅在白天可用的太阳能不同，沼气使用农民种植和收割的可靠田间作物。

沼气中存在化学能。因此，可以通过先将其转化为机械能，然后再转化为电能来产生电力。使用转换能量形式的换能器，例如发电机和涡轮机。由于它可以大规模或小规模生产，这种电力可以用于家庭和商业用途。

将燃气发动机的进气口连接到沼气供应。用于分解有机物的消化器可以作为沼气源，它也可以直接来自装有加压气体的气瓶。由于它由活塞组成，内部燃烧气体以驱动轴，因此燃气发动机的设计类似于汽车发动机。

这是因为它通过运动将沼气中的化学能转化为机械能。将燃气发动机和交流发电机连接起来，使交流发电机由旋转轴驱动。通过磁力的使用，施加到交流发电机上的运动会产生能量。

2. 在热电联产（CHP）装置中

沼气用于产生热电联产 ought to be as widespread as electricity production，但增加一个 CHP 装置需要更多的资金，这可能会阻止安装用于利用废热的额外设备。任何时候发生这种情况，都应视为错失的机会。从电力生产中，几乎总有废热可以利用。本来会被风扇散热而浪费的能量。

甲烷 (CH4) 是沼气最重要的组成部分，通常占沼气的 60% 左右；二氧化碳 (CO2) 和少量其他气体构成其余部分。甲烷浓度范围为 40% 至 70%，取决于原料和工艺的有效性。使用沼气（其饱和且含有 H2S）的最简单方法是在锅炉中产生热水或蒸汽。

最常见的用途是热电联产（CHP）装置使用沼气为内燃机提供动力以产生热量和电力。瑞典有许多用于汽车和公共汽车的沼气加气站，其中压缩气体作为一种交通燃料。此外，气体还可以改进并用于燃气分配网络。还在研究沼气在固体氧化物燃料电池中的应用。

通过燃烧沼气可以直接产生热量。在这种情况下，无需净化沼气中的硫化氢含量。该技术通常使用双燃料燃烧器，转化效率为 80-90%。系统主要部件包括厌氧消化器、沼气储罐、压力开关、增压风机、电磁阀、双燃料燃烧器和燃烧空气鼓风机。

3. 农业废弃物管理

继能源之后，我们将农业（畜牧业）废弃物管理列为沼气的第二大重要用途。作物废弃物和粪便可以通过湿法或干法进行消化，单独消化或与其他材料共同消化。在农业行业中，一种可能的处理作物生物质的方法是共同消化动物粪便（主要的农业废弃物流）与作物生物质。

对动物粪便进行受控厌氧消化，不仅能产生可再生能源，还能降低粪便管理的温室气体排放、氮和气味，并加速农业的养分循环。

农民有机会处理自己的废物以及其他有机底物。因此，农民可以通过处理其他来源的有机废物，销售产生的商品（如热量、电力和稳定化的肥料）和/或自行使用，从而能够妥善管理自己的剩余物并创造额外收入。

根据政府于 2002 年发布的《中国生态白皮书》，1995 年全国畜禽废弃物总产量为 24.85 亿吨，约为全国工业固体废弃物总产量的 3.9 倍。这表明农业废弃物是一个严重的问题。

如果处理得当，这些废物是无价的资源，但当它们被倾倒入湖泊和河流时，会造成严重污染。据估计，中国目前只有不到 10% 的废水得到处理，固体废物和有机废水也在严重污染 1000 万英亩的农业用地。

尽管农民经常通过直接将动物粪便喷洒到地面上来回收利用，但在首先进行厌氧消化后进行此操作，可以实现更卫生的过程，气味更小，污染风险更低，营养可用性也大大提高。

乔纳森·莱彻在他的著作《农用消化器》中写道，当动物粪便通常未经处理就散布在田地里作为“粪肥”时，约有一半的氮可供植物吸收。其余部分是有机氮，仍然存在于未分解细胞的纤维物质中。通常需要一到两年时间，土壤中的微生物活动才能使 50% 的废物分解并可供正在生长的作物使用。

另一方面，厌氧消化器中的微生物将粪便或浆液中的有机氮转化为硝酸盐。它可以很容易地被植物吸收。此外，当农场拥有一个运行良好的沼气厂时，通过适当的农场管理，可以更有效地利用养分，以确保在生长季节分散消化器输出物或“消化物”。

人们观察到用消化物施肥的作物，通常会注意到作物生长良好且健康。看到的昆虫和疾病损害较少，绿色看起来更深。许多人将沼气厂肥料的好处归功于消化物频繁施用后土壤中有益细菌和其他微生物的增加。

经营自己消化器的农民表示，使用消化物肥料可以将他们对昂贵化学肥料的需求降低三分之一到二分之一。在一个大型农场，这可以节省每年三百万英镑（40 万美元）。

4. 将沼气用作烹饪燃料：一种可持续能源

对于近 27 亿依赖有害且效率低下的生物质燃烧作为主要能源的人来说，使用沼气进行烹饪和烘焙提供了一个可行的解决方案。

与生物质或化石燃料等替代燃料燃烧方法相比，如果沼气使用得当，沼气炉排放的温室气体最少。在这种情况下，沼气炉可能能够减轻农村烹饪习惯对气候变化的影响。

沼气炉和烤箱可以改善弱势群体的健康状况。它们提供了一个绝佳的机会来处理经常带来健康和环境风险的有机废物，并阻止许多贫困人口家中厨房产生的室内污染。因此，这可能打破贫困循环。然而，消费者自己制造燃料（沼气）的技术可行性（首先）取决于用于烹饪的沼气解决方案。

因此，在技术作为沼气应用可以广泛采用之前，必须对潜在消费者的潜力和需求进行详细评估。在某些地区，燃料木材和木炭的生产导致了土壤侵蚀和森林砍伐。人口增长和木材供应的减少将使问题更加严重。一立方米的沼气可以替代 1.7 公斤的木炭和 5.6 公斤的木柴。

此外，沼气生产的副产品消化物可用作肥料或用于生产腐殖质（例如，尽可能使用沼气烹饪），这可以大大减少森林砍伐，并有助于抵消土壤退化。然而，使用沼气的这些好处取决于沼气炉的质量，特别是燃烧器。

沼气中很大一部分甲烷未经燃烧就排放到环境中。甲烷对气候变化的影响比二氧化碳大 20-60 倍。沼气的局部燃烧也导致废气中含有更多的有害一氧化碳。

使用沼气烹饪的人可以改善健康（例如，由于室内空气质量改善以及节省时间和金钱）。然而，在许多情况下，确保技术的长期接受被证明是具有挑战性的。但是，无人值守的系统和不满意的用户阻碍了技术在许多领域的采用。将沼气的使用整合到消费者的日常习惯中，似乎是确保技术长期使用（和传播）的关键要求（也是一个难题）。

改用沼气烹饪存在挑战。IEA 称，在应用沼气后，随着收入的增加，家庭并非仅仅从一种燃料转向另一种燃料。同时使用多种燃料而不是仅依赖一种燃料或技术可以增加能源安全。此外，人们的口味偏好以及他们使用旧技术烹饪的经验使得改变传统食品制备方法变得困难。

然而，随着时间的推移和在区域层面上，预计发达国家的家庭通常会从仅使用生物质烹饪转变为使用更高效的技术，其中沼气是一个选择（IEA，2006，2008）。

目前，低人均收入和对更环保燃料优势的认识不足阻碍了沼气的广泛使用。因此，为沼气厂提供资金投资是一个挑战，尤其是在最不发达国家。

因此，必须通过财务方案和额外激励措施来解决目标群体的整体犹豫。例如，在印度，大多数沼气厂的应用都位于拥有大量牛群的富裕农场。

5. 注入天然气管道

有必要阐明沼气作为化石燃料的天然气供应管道的燃料添加剂的用途。在经过适当过滤以注入天然气管道后，纯气体通常被称为“生物甲烷”。这种类型的生物甲烷注入在许多希望遵守气候变化缓解策略的国家中都很受欢迎。压缩生物甲烷在天然气行业中被称为“可再生天然气”或 RNG。

在美国，RNG 和生物甲烷在天然气应用方面的潜力几乎没有实现。根据可再生天然气联盟的数据，在可能生产沼气的 1000 多个垃圾填埋场中，只有 42 个高热值垃圾填埋气发电项目正在生产 RNG、生物甲烷、增强或管道质量的沼气。

在 3500 个潜在的废水处理厂沼气项目中，只有 1200 个正在运行的设施收集沼气以生产可再生电力或提供运输燃料。在超过 12000 个可能生产燃料的农业消化器项目中，只有 239 个沼气发电设施正在运行。通过 Bio cycle 网站

可再生天然气（RNG）越来越多地提供给当地天然气分销和输送管道公司购买和/或进入其现有管线进行广泛分销。RNG 通过各种有机资源的厌氧分解产生，包括奶牛场和农业废弃物、废水和垃圾填埋场。

在天然气行业中，“沼气”一词用于描述直接从消化器或垃圾填埋场产生的气体。这种气体通常在现场或异地燃烧发电机以产生电力，或者只是进行火炬燃烧。目前最广为人知的用于纳入天然气管道基础设施的产品是净化后的沼气或生物甲烷，即 RNG。

连接到电网并传输 RNG 所涉及的成本，例如注入成本、运输费用、分销费用、平衡费用、经纪费用等。然而，RNG 可以传输到任何需要的地方，这为 RNG 创造者带来了巨大的潜力。

在有可再生能源组合标准（RPS）、碳税或旨在减少温室气体（GHG）排放的限额与交易体系的市场中，对 RNG 以满足排放减排目标的需求量很大。

6. 作为交通工具的燃料替代品

如果经过压缩和浓缩，车辆运输是沼气的最佳用途。在瑞典、瑞士和德国，压缩沼气的使用日益增多。自 2005 年以来，瑞典一直运营着一列名为 Biogastget Amanda（沼气火车阿曼达）的沼气动力火车。

汽车由沼气驱动。1974 年，英国纪录片《Sweet as a Nut》描述了沼气是如何从猪粪中产生的，并展示了它如何驱动经过特殊改装的内燃机。早在 2007 年，全球尤其是在欧洲，就有报道称有 12,000 辆汽车使用改进后的沼气作为燃料。

如果卡车车队在沼气厂的同一地点加油，那么用沼气为汽车加油在运输方面可能会非常有益。如果是这样，将沼气运输到使用地点将没有成本。

7. 能量电池

理论上，燃料电池可以将沼气直接转化为能量。但是，此过程需要非常昂贵的燃料电池和高度纯净的气体。因此，此解决方案仍处于研究阶段，目前不可行。使用发电机将沼气转化为电能要实际得多。

沼气的优点

1. 可再生能源

动植物和人类都会产生有机物质。沼气是一种可再生能源，因为原材料易于再生。此外，它还可以减少不当垃圾处理的负面影响。

2. 废物利用

将垃圾转化为沼气比让它们在垃圾填埋场腐烂要好。由于产生的甲烷、二氧化碳和其他温室气体较少，因此环境风险较小。废物被转化为可用于烹饪、供暖、电力和肥料的能源。

3. 构建循环经济

人类和动物都会产生废物，包括农业残留物、动物粪便、食物残渣和废水。如果这些废物处理不当，可能会造成损害。这些有机废物被转化为沼气，这是一种更有益的能源。废物被转化为用于施肥的消化物，用于汽车和供暖系统的沼气，以及用于烹饪和做饭的天然气。

4. 农村和发展中国家电力和烹饪的有效替代品

在某些地区，电力供应受限，影响了居民的生活质量。沼气为他们提供了一个很好的选择。小规模和大规模生产都可行且易于建立。

沼气的负面影响

1. 技术进步有限

沼气行业仍处于起步阶段。需要更多的研究来创造新技术和提高生产效率。此外，政府为太阳能、地热能、风能和水力发电等成熟能源提供额外的支持。

2. 天气依赖性

沼气发电也受到天气的影响，就像其他间歇性能源（太阳能、风能）一样。厌氧消化需要 37°C 的温度才能发生。寒冷地区需要热能来持续生产沼气。

3. 沼气发电厂产生难闻气味

沼气厂处理的废物会散发出难闻的气味。发电厂的建设应远离居民区和其他工业区。

为什么沼气是一种有用的能源？

由于用于制造沼气的生物材料会自然分解，因此捕获这种分解产生的气体并将其用作能源，比让它们逃逸到大气中对环境的危害要小。

此外，沼气的生产主要以循环方式进行，是农业废物处理可持续循环的一部分。例如，农场产生的动物粪便可用于生产沼气，然后用于驱动农业机械。

沼气厂对健康和安全的风险

如果在沼气项目建设的每个阶段都考虑到健康与安全因素，那么以下所有危险都可以轻松控制。危险包括，例如

• 燃烧和爆炸
• 密闭空间风险
• 窒息风险
• 气体中毒风险（H2S、NH3）
• 高压气体或液体泄漏风险
• 与机械旋转设备相关的风险
• 感染和疾病带来的危险

爆炸和火灾

沼气和空气有时会结合形成爆炸性气体混合物。在消化器和储气罐附近，火灾和爆炸的风险会增加。 燃气泄漏、爆炸区域的形成、焊接以及管道堵塞或冻结等因素都可能导致这种情况。

• 当以下因素同时存在时，会形成爆炸性环境
• 存在甲烷（CH4），一种易燃气体
• 存在氧化剂：空气中的氧气
• 存在点火源
• 可燃气体浓度在其爆炸范围内（LIE-LSE）
• 存在监禁。

结论

有机废物的厌氧消化产生沼气，这是一种可再生和可持续的能源。它是一种多功能的能源，可用于各种任务，包括烹饪、供暖和发电。与传统的化石燃料相比，使用沼气具有许多优势，包括改善废物管理、降低温室气体排放和保障能源安全。将沼气作为能源日益增长的使用是迈向更可持续和环保未来的重要一步。