基于田口方法的小型沼气便携式即插即用过滤单元设计与优化研究

《Biomass and Bioenergy》：Design, fabrication, and optimization of a portable plug-and-play biogas filtration unit for small-scale biogas plants using the Taguchi method

本研究针对小型沼气厂缺乏高效净化系统的难题，设计了一种便携式即插即用沼气过滤装置。通过田口L27法优化水流量、水温、铁绒质量、沼气流量和pH值等参数，使甲烷浓度从64%提升至98.3%。该装置成本低廉（21,300卢比）、维护简单（500卢比/月），为分布式能源场景提供了可行的沼气升级方案，助力温室气体减排。

　　

在全球能源危机和气候变化加剧的背景下，寻找可持续的能源替代方案已成为当务之急。沼气作为一种绿色可再生能源，通过厌氧消化(Anaerobic Digestion, AD)有机废弃物产生，主要成分包括甲烷(CH₄)、二氧化碳(CO₂)、硫化氢(H₂S)和水蒸气(H₂O)等。然而，原始沼气中除甲烷外的杂质不仅降低其热值，还会对管道、储气设备等造成腐蚀，甚至危害人体健康。特别是H₂S，即使浓度很低也具有强毒性和腐蚀性；CO₂则作为温室气体，加剧气候变化。因此，净化沼气、提升甲烷浓度，将其转化为生物甲烷(Biomethane)，对于提高能源效率、减少环境污染至关重要。

尽管已有多种沼气净化技术，如膜分离、低温分离、吸附、吸收洗涤和生物法等，但这些方法通常适用于大型或工业规模的沼气厂，存在成本高、系统复杂、缺乏便携性等问题。对于日产气量2–5立方米的小型沼气厂，尤其是在农村或偏远地区，亟需一种经济、高效、易维护的净化方案。为此，Nainil Patel、Vandan Shah和Parth Prajapati在《Biomass and Bioenergy》上发表研究，设计并优化了一种便携式即插即用沼气过滤单元，通过集成多种净化技术，显著提升了沼气的甲烷纯度。

为开展研究，作者采用了多学科交叉的技术方法。首先，基于小型沼气厂的需求，设计了由三个核心单元组成的过滤系统：H₂S过滤单元使用铁绒作为反应介质，通过化学吸附去除H₂S；CO₂过滤单元采用水洗涤技术，利用CO₂在冷水中的高溶解度进行吸收；水分过滤单元则使用蓝色硅胶吸附水蒸气。系统关键部件采用耐腐蚀材料（如SS 316法兰、流动玻璃、黄铜阀门等）制造，确保耐久性。其次，研究运用田口方法(Taguchi Method)进行实验优化，选取水流量、水温、铁绒质量、沼气流量和水pH值五个关键因素，每个因素设置三个水平，通过L27正交阵列将实验次数从243次减少至27次，在保证统计可靠性的同时大幅提高效率。最后，使用气相色谱(Gas Chromatography, GC)分析净化后沼气的甲烷纯度，验证过滤效果。

2. 过滤单元

过滤系统由三个单元组成，分别针对H₂S、CO₂和水分进行去除。H₂S过滤单元采用水平安装的1.5英寸流动玻璃管，内填铁绒，通过化学反应（如2Fe₂O₃ + 6H₂S → 2Fe₂S₃ + 6H₂O）将H₂S转化为元素硫。CO₂过滤单元为垂直安装的3英寸流动玻璃柱，内置五块不锈钢渗流板，通过逆流接触使沼气与冷水充分混合，CO₂溶解形成碳酸(H₂CO₃)。水分过滤单元结构与H₂S单元类似，内装蓝色硅胶，吸附水蒸气后硅胶颜色由蓝变粉，可通过加热再生。整个系统设计紧凑，适用于2–5立方米/天的沼气产量，材料成本约21,300卢比，月维护成本低于500卢比，经济性突出。

3. 田口设计

田口方法通过正交阵列和信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)分析，在减少实验次数的同时优化过程参数。本研究选取五个控制因素（水流量、水温、铁绒质量、沼气流量、水pH值），各设三个水平，采用L27阵列进行27次实验。通过Minitab软件设计实验并分析数据，重点考察各因素对甲烷纯度的影响程度。

4. 结果与分析

原始沼气甲烷浓度约为64%，经过滤后平均纯度达97.38% ± 0.09%。在27次实验中，第19组（水流量1.5 L/min、水温10°C、铁绒质量50 g、沼气流量0.1 m3/h、pH=5）获得最高甲烷纯度98.3%，与预测值98.15%高度吻合。响应表分析显示，水pH值的影响最大（Delta=0.94，排名第一），其次是水温（Delta=0.51），铁绒质量影响最小（Delta=0.13）。回归分析得出预测方程：甲烷纯度(%) = 99.602 + 0.2256×水流量 - 0.02539×水温 - 0.001333×铁绒质量 - 0.794×沼气流量 - 0.2361×pH，模型R2为95.15%，预测R2为91.90%，表明模型准确性高。优化后的参数组合为水流量1.5 L/min、水温10°C、铁绒质量50 g、沼气流量0.1 m3/h、pH=5，此时甲烷纯度预测达98.36%。

5. 结论

本研究成功开发了一种便携式即插即用沼气过滤单元，通过田口方法优化操作参数，将甲烷浓度从64%提升至98.3%。系统集成H₂S化学吸附、CO₂水吸收和水分吸附技术，成本低、维护简便，特别适合小型、分布式沼气厂使用。该装置不仅提高了沼气能源价值，还有助于减少温室气体排放，推动可持续能源发展。未来，可进一步探索在更广泛环境条件下的适用性，以及与其他可再生能源技术的整合潜力。