学习目标：掌握沼气的定义和主要特性，解决沼气生产中的常见问题。
一、什么是沼气
在日常生活中，特别是在气温较高的夏、秋季节，人们经常可以看到，从死水塘、污水沟、储粪池中，咕嘟咕嘟地向表面冒出许多小气泡，如果把这些小气泡收集起来，用火去点，便可产生蓝色的火苗，这种可以燃烧的气体就是沼气。由于它最初是从沼泽中发现的（图5－1），所以叫做沼气（marsh gas）。沼气又是有机物质在厌氧条件下产生出来的气体，因此，又称为生物气（biogas）。 沼气实质上是人畜粪尿、生活污水和植物茎叶等有机物质在一定的水分、温度和厌氧条件下，经沼气微生物的发酵转换而成的一种方便、清洁、优质、高品位气体燃料，可以直接炊事和照明，也可以供热、烘干、贮粮。沼气发酵剩余物是一种高效有机肥料和养殖辅助营养料，与农业主导产业相结合，进行综合利用，可产生显著的综合效益。
二、沼气的来源
沼气发酵是自然界中普遍而典型的物质循环过程，按其来源不同，可分为天然沼气和人工沼气两大类。天然沼气是在没有人工干预的情况下，由于特殊的自然环境条件而形成的。除广泛存在于粪坑、阴沟、池塘等自然界厌氧生态系统外，地层深处的古代有机体在逐渐形成石油的过程中，也产生一种性质近似于沼气的可燃性气体，叫做“天然气”。人类在分析掌握了自然界产生沼气的规律后，便有意识地模仿自然环境建造沼气池，将各种有机物质作为原料，用人工的方法制取沼气，这就是“人工沼气”。人工沼气的性质近似于天然气，但也有不同之处，其主要不同点见表5—1。
表5－1 人工沼气和天然气的差异
气体种类 制取方法 可燃成分 含量（%） 热值（千焦/米3）
人工沼气
天然气 发酵法
钻井法 甲烷、氢气
甲烷、丙烷、丁烧、戊烷 55～70
90以上 20000～29000
36000左右
三、沼气的成分
无论是天然产生的，还是人工制取的沼气，都是以甲烷为主要成分的混合气体，其成分不仅随发酵原料的种类及相对含量不同而有变化，而且因发酵条件及发酵阶段各有差异。—般情况下，沼气中的主要成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氢（H2S）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、氮（N2）等气体。其中甲烷约占50%～70%、二氧化碳约占30%～40%，其他成分含量极少。沼气中的甲烷、氢气、一氧化碳等是可以燃烧的气体，人类主要利用这一部分气体的燃烧来获得能量。
四、沼气的性质
沼气是一种无色气体，由于它常含有微量的硫化氢（H2S）气体，所以，脱除硫化氢前，有轻微的臭鸡蛋味，燃烧后，臭鸡蛋味消除。沼气的主要成分是甲烷，它的理化性质也近似于甲烷（表—2）。
表5—2 甲烷与沼气的主要理化性质
理化特性 甲烷
（CH4） 标准沼气
（CH460%，CO2<40%）
体积百分比（%）
热值（千焦/米3）
密度（克/升 标准状态）
比重（与空气相比）
临界温度（℃）
临界压力（×105帕）
爆炸范围（与空气混合的体积百分比%）
气味 54～80
35820
0.72
0.55
-82.5
46.4
5～15
无 100
21520
1.22
0.94
-25.7～-48.42
59.35～53.93
8.80～24.4
微臭
1. 热值 甲烷是一种发热值相当高的优质气体燃料。1米3纯甲烷，在标准状况下完全燃烧，可放出35822千焦的热量，最高温度可达1400℃。沼气中因含有其他气体，发热量稍低一点，约为20000～29000千焦，最高温度可达1200℃。因此，在人工制取沼气中，应创造适宜的发酵条件，以提高沼气中甲烷的含量。
2. 比重 与空气相比，甲烷的比重为0.55，标准沼气的比重为0.94。所以，在沼气池气室中，沼气较轻，分布在上层；二氧化碳较重，分布于下层。沼气比空气轻，在空气中容易扩散，扩散速度比空气快3倍。当空气中甲烷的含量达25‰～30%时，对人畜有一定的麻醉作用。
3. 溶解度 甲烷在水中的溶解度很小，在20℃、一个大气压下，100单位体积的水只能溶解3个单位体积的甲烷，这就是沼气不但在淹水条件下生成，还可用排水法收集的原因。
4. 临界温度和压力 气体从气态变成液态时，所需要的温度和压力称为临界温度和临界压力。标准沼气的平均临界温度为－37℃，平均临界压力为56。64×105帕（即56.64个大气压力）。这说明沼气液化的条件是相当苛刻的，也是沼气只能以管道输气，不能液化装罐作为商品能源交易的原因。
5. 分子结构与尺寸 甲烷的分子结构是一个碳原子和四个氢原子构成的等边三角四面体，分子量为16.04。其分子直径为3.76×10ˉ10米，约为水泥砂浆孔隙的1／4，这是研制复合涂料，提高沼气池密封性的重要依据。
6. 燃烧特性 甲烷是一种优质气体燃料，一个体积的甲烷需要两个体积的氧气才能完全燃烧。氧气约占空气的1／5，而沼气中甲烷含量为60%～70%，所以，一个体积的沼气需要6～7个体积的空气才能充分燃烧。这是研制沼气用具和正确使用用具的重要依据。
7. 爆炸极限 在常压下，标准沼气与空气混合的爆炸极限是8.80%～24.4%；沼气与空气按1：10的比例混合，在封闭条件下，遇到火会迅速燃烧、膨胀，产生很大的推动力，因此，沼气除了可以用于炊事、照明外，还可以用做动力燃料。
了解和熟悉沼气的上述主要理化性质，对于制取和利用沼气很有必要。
