沼气工程进料固含量检测方法的研究

刘旭丹，秦国辉，王玉鹏

（黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150090）

沼气工程进料固含量检测方法的研究

刘旭丹，秦国辉，王玉鹏

（黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150090）

研究目的在于针对现有固含量检测方法（近红外反射法、电容法、中子式水分测定法、介电响应法），结合沼气工程自控设计需要，采用归纳对比法，探寻高效、简单、精准的固含量检测方法为今后研究监测沼气工程进料固含量提供基础。

沼气工程；进料；固含量；检测

20世纪90年代后期，随着我国农业结构的有效调整以及农业化的快速推进，畜牧业养殖业逐渐趋于规模化、集约化，由于其自然分解能力差，严重影响了生态环境及景观、居民的身体健康。生物质肥料中大多含有大量纤维素。通过各不相同的预处理及处理方法再与水混合，以保证厌氧发酵所需的固含量，大量研究表明：适当提高消化底物的浓度，在一定程度上可以增加沼气工程系统的日产气量及累计产气量，但随着固含量的不断提高，也会发生消化过程容易产生酸败现象，且消化过程的料液输送困难，也增加了搅拌难度。固含量的不同也标志着消化体系中水含量的不同，厌氧消化的启动时间会随着含水量的增高而产生延迟，所以在保证产气量的同时，控制固含量在最佳工艺参数范围内显得攸关重要。牛粪本身含有部分水，再与水混合很难直接测得固含量，现研究通过测量含水量的多少而间接得到固含量。

1　检测方法

普通测量含水量的方法有：直接干燥法、电容法、红外光谱法、核磁共振法、近红外线反射法、γ射线透射法、微波法、介电响应技术、中子式水分测定技术等。直接干燥法［1］：干燥法是指将待测样品置于烘箱中，根据检测标准，在70℃的温度下保持48h（保证达到两次称重之差不超过0.001g），测量前后的质量差，即含水量。其方法一直作为国家标准，测量精度高，但是其所有测量必须人为操作且测试周期长，人为的干扰因素多，测试结果滞后。

电容法［2］：电容法是根据水分的介电常数远远大于牛粪中其他成分的介电常数，水分含量的变化将引起电容量变化的原理，通过测量与样品中水分变化相对应的电容变化得到水分含量。此方法技术相对来说比较成熟，但仍存在不足之处，但通过研究结合人工智能和数据融合技术，相信会取得很好的结果。

红外光谱法［3］：有研究表明，可以通过红外光谱法测量水分子的O-H键的伸缩振动在红外光谱区特定范围内形成吸收特征峰，建立特征峰面积与含水量分数的线性关系曲线，并运用一定的数据处理方法进行线性拟合，减少误差。此方法适用于少水测试样本含水量的测量，对牛粪与大量水相混合的混合物进行测试红外光谱法并不适用。

核磁共振法［4］：核磁共振法是在一定条件下原子核自旋重新取向，从而使被测物在某一确定的频率上吸收电磁场的能量，吸收能量的多少与试样中所含的核子数目成比例。该方法检测迅速、精度高、测量范围宽，可区分自由水和结合水；其不足之处是仪器昂贵，保养费用大，需精确标定。主要影响因素为物料流量、堆密度和温度，可进行在线测量。

近红外线反射法［5］：近红外线反射光谱（NIRS）在1964年应用于粮食水分测定的。由于不同的分子对不同波长的近红外光具有不同特征的吸收，当用近红外光（波长为1 940nm）照射样品时，漫反射光的强度与样品的成分含量有关，服从朗伯-比尔定律。该方法测量快速、简单，但此技术仅属于表面测量技术，很难反映整个被测物的体积水分（内部水分）。主要影响因素为籽粒大小、形状和密度。将此方法应用在沼气工程反应底物的固含量测量上是否可行还需进一步实验验证。

γ射线透射法［6］：γ射线在穿透物质的过程中，其强度衰减程度与吸收体的厚度及介质特性有关并服从一定的指数规律，但有研究表明，如果γ射线透射法使用不当，测量方案的选取、控制参数的选定不合理，其含水量的测量误差可达30%以上，所以本项目将探究此方法在牛粪、水的混合物中水含量的测量上是否可行。

微波法［7］：微波吸收法始于19世纪40年代，它利用被测物中的水分对微波能量的吸收或微波空腔谐振频率和相位等参数随水分的变化来间接地测量水分含量。其灵敏度高、速度快、安全、测量信号易于联机数字化和可视化；缺点是检测下限不够低，测量值与物料成分有关，不同品种需要单独标定。微波水分检测技术是近几年发展起来的一项无损检测技术，现多被应用于食品、烟草、煤炭、药品、木材及混凝土等物料的水分检测，将此方法应用在高水含量被测物中还需要进一步测试与改良，本项目将进一步验证此方法的可用性。

介电响应技术［8］：研究表明，被测物含水量不同，介电损失角也不同，并且呈单值分段线性关系。通过介质响应曲线判断其水含量，但该方法测得曲线也会受频率、温度影响。本项目将通过建立不同含水量，不同温度的复介电常数数据及模型来实现对含水量的定量计算。此方法经济实用、测量精度高，将作为本项目的主要研究对象。

中子式水分测定技术［9］：自20世纪40年代，由美国研究成功中子式水分仪以来，世界各国也相继研制出各种用途的中子水分仪。它通过计量慢中子探测器中产生的电压脉冲个数测量被测物的水分含量。中子式水分仪具有线性度高、高水分段仪器灵敏等优点；缺点在于氢的散射特性不稳定，需要人工标定。

2　结语

以上方法均可对沼气工程中反应底物的固含量进行检测，但考虑到在线测量的可行性及准确性，在今后的试验中将找出一种最适合沼气工程进料固含量的快速在线检测方法以应用在实际情况中，为将来实现进料固含量的快速在线检测提供技术支持。

［1］中华人民共和国卫生部.GB 5009.3-2010，食品安全国家标准·食品中水分的测定［S］.2010.

［2］徐燕，易卫东，卓国文.基于信号波形幅度检测放大技术的电容式土壤水分传感器研究［J］.传感技术学报，2013，26（6）：769-784.

［3］徐源，黄金强，王志亮，等.红外光谱法测量花生油中水分含量［J］.实验技术与管理，2012，29（7）：47-53.

［4］白怀勇，周格，王殿生.核磁共振测量乙醇汽油低含水量的实验探索［J］.大学物理实验，2013，26（1）：7-11.

［5］王胜鹏.茶鲜叶质量的近红外光谱评价方法研究［D］.合肥：安徽农业大学.

［6］张立仁，乔娟.γ射线透射法在滑坡模型土壤水分测量中的应用［J］.人民长江，2012，43（21）：45-48.

［7］黎粤华，李靖宇.基于微波技术的温室作物含水量检测［J］.森林工程，2013，29（3）：90-92，96.

［8］张勇，刘策，郭晨，等.沥青混合料含水量集成检测系统设计与研究［J］.传感技术学报，2013，26（5）：751-756.

［9］邓华，鲁学军.中子仪在高炉焦炭水分在线检测中的应用［J］.计量与测试技术，2013，40（8）：48-50，52.

Research on feedstock solid content detection m ethod of biogas project

LIU Xu-dan，QIN Guo-hui，WANG Yu-peng
（Energy&Environmental Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China）

The purpose of this paper is to provide a basis for the future research on the efficient，simple and accurate determination method of solid content in the future research，which is based on the analysis of the existing solid content detection method（near infrared reflection method，capacitancemethod，neutron moisturemeasurementmethod and the method ofdielectric r esponse）.

Biogasproject；Feedstock；Solid content；Detection

TK6

A

1674-8646（2016）18-0024-02

2016-08-06