劉旭丹，秦國(guó)輝，王玉鵬

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090）

沼氣工程進(jìn)料固含量檢測(cè)方法的研究

劉旭丹，秦國(guó)輝，王玉鵬

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150090）

研究目的在于針對(duì)現(xiàn)有固含量檢測(cè)方法（近紅外反射法、電容法、中子式水分測(cè)定法、介電響應(yīng)法），結(jié)合沼氣工程自控設(shè)計(jì)需要，采用歸納對(duì)比法，探尋高效、簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)的固含量檢測(cè)方法為今后研究監(jiān)測(cè)沼氣工程進(jìn)料固含量提供基礎(chǔ)。

沼氣工程；進(jìn)料；固含量；檢測(cè)

20世紀(jì)90年代后期，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的有效調(diào)整以及農(nóng)業(yè)化的快速推進(jìn)，畜牧業(yè)養(yǎng)殖業(yè)逐漸趨于規(guī)?；⒓s化，由于其自然分解能力差，嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境及景觀、居民的身體健康。生物質(zhì)肥料中大多含有大量纖維素。通過(guò)各不相同的預(yù)處理及處理方法再與水混合，以保證厭氧發(fā)酵所需的固含量，大量研究表明：適當(dāng)提高消化底物的濃度，在一定程度上可以增加沼氣工程系統(tǒng)的日產(chǎn)氣量及累計(jì)產(chǎn)氣量，但隨著固含量的不斷提高，也會(huì)發(fā)生消化過(guò)程容易產(chǎn)生酸敗現(xiàn)象，且消化過(guò)程的料液輸送困難，也增加了攪拌難度。固含量的不同也標(biāo)志著消化體系中水含量的不同，厭氧消化的啟動(dòng)時(shí)間會(huì)隨著含水量的增高而產(chǎn)生延遲，所以在保證產(chǎn)氣量的同時(shí)，控制固含量在最佳工藝參數(shù)范圍內(nèi)顯得攸關(guān)重要。牛糞本身含有部分水，再與水混合很難直接測(cè)得固含量，現(xiàn)研究通過(guò)測(cè)量含水量的多少而間接得到固含量。

1　檢測(cè)方法

普通測(cè)量含水量的方法有：直接干燥法、電容法、紅外光譜法、核磁共振法、近紅外線反射法、γ射線透射法、微波法、介電響應(yīng)技術(shù)、中子式水分測(cè)定技術(shù)等。直接干燥法［1］：干燥法是指將待測(cè)樣品置于烘箱中，根據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，在70℃的溫度下保持48h（保證達(dá)到兩次稱重之差不超過(guò)0.001g），測(cè)量前后的質(zhì)量差，即含水量。其方法一直作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量精度高，但是其所有測(cè)量必須人為操作且測(cè)試周期長(zhǎng)，人為的干擾因素多，測(cè)試結(jié)果滯后。

電容法［2］：電容法是根據(jù)水分的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于牛糞中其他成分的介電常數(shù)，水分含量的變化將引起電容量變化的原理，通過(guò)測(cè)量與樣品中水分變化相對(duì)應(yīng)的電容變化得到水分含量。此方法技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟，但仍存在不足之處，但通過(guò)研究結(jié)合人工智能和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，相信會(huì)取得很好的結(jié)果。

紅外光譜法［3］：有研究表明，可以通過(guò)紅外光譜法測(cè)量水分子的O-H鍵的伸縮振動(dòng)在紅外光譜區(qū)特定范圍內(nèi)形成吸收特征峰，建立特征峰面積與含水量分?jǐn)?shù)的線性關(guān)系曲線，并運(yùn)用一定的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行線性擬合，減少誤差。此方法適用于少水測(cè)試樣本含水量的測(cè)量，對(duì)牛糞與大量水相混合的混合物進(jìn)行測(cè)試紅外光譜法并不適用。

核磁共振法［4］：核磁共振法是在一定條件下原子核自旋重新取向，從而使被測(cè)物在某一確定的頻率上吸收電磁場(chǎng)的能量，吸收能量的多少與試樣中所含的核子數(shù)目成比例。該方法檢測(cè)迅速、精度高、測(cè)量范圍寬，可區(qū)分自由水和結(jié)合水；其不足之處是儀器昂貴，保養(yǎng)費(fèi)用大，需精確標(biāo)定。主要影響因素為物料流量、堆密度和溫度，可進(jìn)行在線測(cè)量。

近紅外線反射法［5］：近紅外線反射光譜（NIRS）在1964年應(yīng)用于糧食水分測(cè)定的。由于不同的分子對(duì)不同波長(zhǎng)的近紅外光具有不同特征的吸收，當(dāng)用近紅外光（波長(zhǎng)為1 940nm）照射樣品時(shí)，漫反射光的強(qiáng)度與樣品的成分含量有關(guān)，服從朗伯-比爾定律。該方法測(cè)量快速、簡(jiǎn)單，但此技術(shù)僅屬于表面測(cè)量技術(shù)，很難反映整個(gè)被測(cè)物的體積水分（內(nèi)部水分）。主要影響因素為籽粒大小、形狀和密度。將此方法應(yīng)用在沼氣工程反應(yīng)底物的固含量測(cè)量上是否可行還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

γ射線透射法［6］：γ射線在穿透物質(zhì)的過(guò)程中，其強(qiáng)度衰減程度與吸收體的厚度及介質(zhì)特性有關(guān)并服從一定的指數(shù)規(guī)律，但有研究表明，如果γ射線透射法使用不當(dāng)，測(cè)量方案的選取、控制參數(shù)的選定不合理，其含水量的測(cè)量誤差可達(dá)30%以上，所以本項(xiàng)目將探究此方法在牛糞、水的混合物中水含量的測(cè)量上是否可行。

微波法［7］：微波吸收法始于19世紀(jì)40年代，它利用被測(cè)物中的水分對(duì)微波能量的吸收或微波空腔諧振頻率和相位等參數(shù)隨水分的變化來(lái)間接地測(cè)量水分含量。其靈敏度高、速度快、安全、測(cè)量信號(hào)易于聯(lián)機(jī)數(shù)字化和可視化；缺點(diǎn)是檢測(cè)下限不夠低，測(cè)量值與物料成分有關(guān)，不同品種需要單獨(dú)標(biāo)定。微波水分檢測(cè)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)多被應(yīng)用于食品、煙草、煤炭、藥品、木材及混凝土等物料的水分檢測(cè)，將此方法應(yīng)用在高水含量被測(cè)物中還需要進(jìn)一步測(cè)試與改良，本項(xiàng)目將進(jìn)一步驗(yàn)證此方法的可用性。

介電響應(yīng)技術(shù)［8］：研究表明，被測(cè)物含水量不同，介電損失角也不同，并且呈單值分段線性關(guān)系。通過(guò)介質(zhì)響應(yīng)曲線判斷其水含量，但該方法測(cè)得曲線也會(huì)受頻率、溫度影響。本項(xiàng)目將通過(guò)建立不同含水量，不同溫度的復(fù)介電常數(shù)數(shù)據(jù)及模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)含水量的定量計(jì)算。此方法經(jīng)濟(jì)實(shí)用、測(cè)量精度高，將作為本項(xiàng)目的主要研究對(duì)象。

中子式水分測(cè)定技術(shù)［9］：自20世紀(jì)40年代，由美國(guó)研究成功中子式水分儀以來(lái)，世界各國(guó)也相繼研制出各種用途的中子水分儀。它通過(guò)計(jì)量慢中子探測(cè)器中產(chǎn)生的電壓脈沖個(gè)數(shù)測(cè)量被測(cè)物的水分含量。中子式水分儀具有線性度高、高水分段儀器靈敏等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)在于氫的散射特性不穩(wěn)定，需要人工標(biāo)定。

2　結(jié)語(yǔ)

以上方法均可對(duì)沼氣工程中反應(yīng)底物的固含量進(jìn)行檢測(cè)，但考慮到在線測(cè)量的可行性及準(zhǔn)確性，在今后的試驗(yàn)中將找出一種最適合沼氣工程進(jìn)料固含量的快速在線檢測(cè)方法以應(yīng)用在實(shí)際情況中，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)料固含量的快速在線檢測(cè)提供技術(shù)支持。

［1］中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部.GB 5009.3-2010，食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)·食品中水分的測(cè)定［S］.2010.

［2］徐燕，易衛(wèi)東，卓國(guó)文.基于信號(hào)波形幅度檢測(cè)放大技術(shù)的電容式土壤水分傳感器研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（6）：769-784.

［3］徐源，黃金強(qiáng)，王志亮，等.紅外光譜法測(cè)量花生油中水分含量［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（7）：47-53.

［4］白懷勇，周格，王殿生.核磁共振測(cè)量乙醇汽油低含水量的實(shí)驗(yàn)探索［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，26（1）：7-11.

［5］王勝鵬.茶鮮葉質(zhì)量的近紅外光譜評(píng)價(jià)方法研究［D］.合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué).

［6］張立仁，喬娟.γ射線透射法在滑坡模型土壤水分測(cè)量中的應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2012，43（21）：45-48.

［7］黎粵華，李靖宇.基于微波技術(shù)的溫室作物含水量檢測(cè)［J］.森林工程，2013，29（3）：90-92，96.

［8］張勇，劉策，郭晨，等.瀝青混合料含水量集成檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（5）：751-756.

［9］鄧華，魯學(xué)軍.中子儀在高爐焦炭水分在線檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，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