能源转型 ： 从城市和农业废物中利用沼气

Abstract 文章旨在通过关注城市固体废物、农业废物及其转化为能源来应对能源转型。能源转型迫在眉睫，由于全球变暖的影响。必须减少传统能源生产方法以防止温室气体积累，这些温室气体正驱动全球气候变化并引发包括空气和水污染在内的环境挑战，这些挑战威胁着我们的星球和生活方式。气候变化的严重后果已经显现，包括气温升高导致的冰川融化 、海平面上升、空气污染、野火、热浪和极端天气事件。一个主要的温室气体积累来源是使用化石燃料发电。这一效应进一步加速了工业化和城市化的发展，导致发展中国家的电力需求每年增长6%至8 %以上。为了缓解这些影响，必须采用替代能源，如核能、太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能和生物气。在这之中，通过厌氧消化从农业废物和城市固体废物中提取生物气是一种可持续的能源转型途径，因为固体废物将继续逐年增加。 在特别强调的一年里，特别是在城市地区。这种方法将显著减少来自市政固体废物填埋场的甲烷排放的有害影响，并且还将提供生物肥料作为化学肥料的替代品。 关键词:城市固体废物,农业废物,厌氧消化,生物能源 Introduction 能源向可再生能源和低碳能源的转型对于应对温室气体排放和对抗气候变化至关重要。通过转向这些能源来源，可以显著减少二氧化碳（CO₂）和其他温室气体（GHG）的排放，从而有助于减缓气候变化。此外，能源来源的多样化将减少对化石燃料的依赖，增强能源安全。减少对化石燃料的依赖还导致空气质量改善，从而提高公众健康水平。 AshtabhujaChoudhari 其他总经理HoltecConsultingPrivateLimited 能源转型：从城市和农业废物中利用沼气 06 在能源转型至可再生能源的过程中，对清洁环境的推动非常强烈。在印度，这一向替代能源生产过渡的进程已经全速推进，旨在减少化石燃料消耗并解决相关问题。 9月202435 ARTICLE 环境挑战和应对全球变暖。 压缩沼气：利用有机废物的能源 生物气体生产在替代化石燃料和通过将废物转化为能源和生物肥料来控制甲烷排放方面发挥着关键作用。生物气体是一种源自丰富有机物和农业废弃物的成本效益高且清洁的能源解决方案，具有巨大的潜力。根据中央污染控制委员会（CPCB）2020-21年度报告，印度每天产生160,038.9吨固体废物（TPD）。1其中，50%的废物得到处理，18.4%的废物进行填埋，而31.6%的废物未被计入。在过去五年中，废物处理的比例从19%增加到49.96%，而填埋的比例则从54%下降到18.4%。 印度有潜力生产3200万吨压缩生物气（CBG），但目前仅实现了其潜力的0.06%。 可生物降解的有机废物，包括农业残余、牛粪、甘蔗压滤泥、城市固体废物、家禽粪便和污水处理厂废物，可以通过厌氧分解转化为生物气。随后对生物气进行净化和压缩，使其甲烷含量达到90%-97 %，这是一种清洁且可燃的燃料，在能源转型过程 中可以替代压缩天然气（CNG），有助于减少温室气体（GHG）排放。 生物气体还具有多种应用途径——可以直接燃烧用于供暖，用于燃气发动机产生电力，或者提纯为生物甲烷，后者可以注入天然气管网或作为车辆燃料使用。生物气体的使用不仅减少了对化石燃料的依赖，还防止了来自市政垃圾填埋场的甲烷排放，而甲烷的全球变暖潜能远高于二氧化碳。 两种主要方法已获得广泛关注，用于将城市固体废物（MSW）转化为有用的能源。一种是通过在锅炉中焚烧MSW并利用蒸汽循环产生电力；另一种是通过厌氧消化进行生物甲烷化以生产沼气和有机肥料。最近，人们对回收沼气用于能源利用给予了更多关注，因为与基于蒸汽的发电技术相比，这种方法提供了更具成本效益的本地解决方案，并且资本成本较低。这种方法对于管理废物和显著减少温室气体排放至关重要，从而在减缓气候变化方面发挥重要作用。 废物转化为能源：将固体废物转化为能源 废物能源化（WTE）是一种通过燃烧将城市固体废物转化为电能的过程。该方法不仅有助于管理废物，还能产生能源，从而兼具减少废物和绿色电力生产的优势。然而，WTE也存在一些缺点，尤其是有害排放导致的大气污染、高投资成本以及运营成本。 此外，CBG植物提供了一种环保的解决方案来应对作物残余燃烧问题，这对面空气质量产生了重大影响。印度环境和森林部发布的《固体废物管理规则2016》通过推广如废物能源化和生物甲烷化等现代技术来解决废物管理问题。 消化物转化为生物肥料，可以在一定程度上替代化肥。 沼气技术描述 1.生活垃圾原料的表征 一项废弃物特性研究必须开展，以评估有机废弃物的性质，从而设计生物气厂。该评估将有助于确定可用于生物气厂原料的有机废弃物的生物甲烷化潜力。典型的源分离有机（SSO）废弃物分类结果如下表1所示。 然而，分析结果可能会因不同地点而异。为了优化生物气生产，在源头进行分类处理，以确保至少有85%的有机废物。 表1：来源隔离的有机(SSO)废物的典型比例 来源隔离有机(SSO)市政固体 废物成分 废物馏分 约(%) 食物垃圾，包括骨头(Organic-1),SSO 87.80 椰壳(有机-2) 0.55 叶子(干，湿和树枝)（有机-3) 0.73 甘蔗废料(有机-4) 0.18 种子(有机-5) 0.70 塑料/橡胶/绝缘材料 4.78 布,黄麻袋,纸/纸板 4.20 惰性(石头/玻璃) 0.76 金属(黑色和有色金属) 0.20 木材和家具废料 0.05 其他卫生用品/餐巾/尿布 0.05 2.预处理 生物气生成依赖于微生物对底物的分解，这需要预先处理以提高底物的可利用性。这涉及机械和微生物方法来降低底物的复杂性和尺寸，从而提高微生物消化的效率。 机械预处理包括切碎和破碎，以标准化有机废物和生物质的尺寸，使其更容易处理并送入消化器。切碎机将废物切成均匀的碎片（15-20mm），而破碎机则产生适用于制浆的饲料。 3厌氧消化过程和沼气生成过程 在受控条件下（如温度、pH值和碳氮比C/N比 ），产生可燃气体和营养丰富的肥料。 厌氧消化是一种在无氧条件下有机物质分解产生生物气（主要由甲烷50-65%和二氧化碳35-50%组成）的自然过程。该过程通过使用如粪便 、有机废弃物和农业残余等底物，在密封的消化器中进行发酵以生成生物气和有机肥料。该过程涉及多个微生物步骤，包括水解、产酸、产乙酸和产甲烷，微生物在此过程中产生气体 。厌氧消化过程可以是中间温度（mesophilic ），消化器温度维持在37-43°C之间，也可以是高温（thermophilic），消化器温度维持在50-60°C之间。 在沼气生产期间，生物变化发生： a.在水解过程中 不溶性有机物被分解成单糖、脂肪酸和氨基酸。 b.酸化过程 将糖和氨基酸的有机单体进一步分解成醇 ，醛和挥发性脂肪酸(VFA) c.在醋酸生成过程中 将醇和挥发性脂肪酸(VFA)转化为乙酸，二氧化碳(CO2)和氢气(H2)。 d.在甲烷生成过程中 甲烷生成过程中的厌氧消化主要有两条途径：乙酸型和氢型途径。在乙酸型途径中 ，醋酸直接分解为甲烷和二氧化碳。这一过程是有机废物消化中的主导途径。而在氢型途径中，氢气参与反应。 沼气是由有机材料的厌氧消化产生的。该过程产生 甲烷和水是由\(\text[H]_2\)与\(\text[CO]_2\)反应形成的。图-1是大多数项目中用于厌氧消化产生物制气的典型流程框图。 图1：CBG装置典型区块流程图 4.沼气净化升级 生物气在消化器中产生后被收集到双膜气球中 。收集到的原始生物气首先通过碱性洗涤器，去除其中的硫化氢。经过净化的CBG随后通过真空压力摆动吸附系统（VPSA系统），进一步去除杂质并提高甲烷含量比例。 CO 2 增加到96%。 在净化系统中需要应对的挑战包括：在脱硫过程中去除氢sulfide（H₂S）会产生硫酸盐，必须妥善处理这些硫酸盐。为了去除不需要的气体如CO₂、N₂、O₂、H₂O和剩余的H₂S，通常使用PSA（压力吸附切换）或VPSA（真空压力吸附切换）系统。在净化过程中，塔内填充有吸附材料，如氧化铝、硅胶、活性炭和沸石 ，这些材料能够吸附特定的不需要的气体，使高纯度甲烷得以排出进行进一步处理。确保设计中使用高质量的吸附材料对于优化性能和效率至关重要。 5.沼气分布 升级后的生物气在经过高压压缩机压缩至250bar(g)后通过级联系统进行分配，或者在经过低压压缩机压缩后连接到天然气管网。 6.作为肥料的副产品 消化液从消化器排出后经过螺杆压滤机和离心机以降低其含水量。从螺杆压滤机和离心机中提取的固体运往粪肥场用于生物肥料的生产，用于成型、促进可持续农业并减少对化学肥料的需求。 7.压缩沼气成分 升级压缩生物气（生物甲烷）符合IS16087:生物气（生物甲烷）—规格中的规定组成，详见表-2。 表2：CBG的典型组成 Sr. No. 1 2 IS16087：2016：沼气(生物甲烷)- 规格 要求- Characteristics CH4(最小值)CO2（最大值)(CO2+N2+O2) （最大值) O2（最大值) 总硫磺 UOM % % ment 90.00 4.00 3 % 10.00 4 % 0.50 5 (包括H最大 2S), mg/mᵌ 20.00 6水分，最大mg/mᵌ5.00 印度标准IS16087规定甲烷含量最低为90%。目前在实施的CBG项目中采用的技术使甲烷含量达到96-97%。 电力和水消耗 发电所需的电力和水 压缩生物质气（CBG）来自市政废物，其含量取决于技术、工厂容量和运营效率。以下是部分运行工厂的电力消耗和水资源消耗情况： 1.功耗 电力需求贯穿整个CBG（城市生物质气）生成过程，包括废物预处理、厌氧消化、生物气体提纯、压缩CBG以及废水处理直至包装系统。典型的具体电力消耗范围为每千克CBG1.4至1 .6千瓦时。这可能会根据原料类型、预处理要求和废水处理系统的不同而有所变化。 2.用水量 水用于消化器饲料的准备和各种设备的冲洗。典型的水需求范围为每公斤CBG消耗4到8升水 。水消耗量可能根据原料类型、饲料的含水量 、固液分离过程以及废水处理系统的效率而有所不同。 Conclusion 日益增长的MunicipalSolidWaste(MSW)管理量已经变成一个重大挑战，并产生了显著的环境影响 。传统的废物管理方法，如填埋和焚烧， 损害了环境，促使人们努力减少其使用。作为回应 ，将废物转化为有价值的产品或能源的创新方法正逐渐受到关注。这些方法既包括生物转化也包括热化学转化，过去十年间广泛的研究已显著提高了产品和能源的产量，并减少了环境影响。这些进步也在支持更广泛的能源转型中发挥着关键作用，通过推广可持续的废物能源解决方案。 参考文献 1.�F.珍·曼西（MansiSingh）、M.莱卡·辛格（MadhulikaSingh）、S.K.辛格（SunilK.Singh），解决印度市政固体废物危机：前沿技术与风险评估的见解，《总体环境科学》，917，2024，170453。2.IS16087-2016：生物气（生物甲烷）—规格（首次修订） Holtec经验 霍尔特克一直是绿色能源项目领域的领先者。该公司已从废热中工程化产生了超过600兆瓦的绿色电力，并目前正在实施总生物气体生产能力约为每天约98吨的项目。霍尔特克认识到这一领域存在巨大的潜力，目前仅实现了不到1%。