摘要：分析了我國沼氣的生產(chǎn)和利用現(xiàn)狀，介紹了沼氣提純?yōu)樯锾烊粴夂蠡烊氤擎?zhèn)天然

氣管網(wǎng)使用的國內(nèi)外現(xiàn)狀，探討了沼氣經(jīng)脫硫凈化而不經(jīng)脫碳(或只經(jīng)淺度脫碳)處理混入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)使用的可行性，提出了存在的問題。

關(guān)鍵詞：  沼氣；  生物天然氣；  天然氣管網(wǎng)；  凈化；  提純；  脫碳

Discussion on Feasibility of Injecting Biogas into Natural Gas Network

Abstract：The present status of production and use of biogas in China are analyzed．The status quo of injecting purified bio-natural gas into city natural gas network at home and abroad is introduced. The feasibility of injecting purified biogas via desulfurization without decarburization or via slight decarburization into city natural gas network is discussed，and existing problems are proposed．

Key words：  biogas；  bio-natural gas；  natural gas network；decontamination；purification；decarburization

根據(jù)“十二五”規(guī)劃，2015年我國天然氣消費目標(biāo)初步定為2 600×10⁸ m³，在能源結(jié)構(gòu)中的比例提高至8．3％左右。屬于非常規(guī)天然氣范疇的產(chǎn)業(yè)沼氣，相對來說資源豐富得多且是可再生資源，而且開發(fā)利用技術(shù)已比較成熟，大力發(fā)展產(chǎn)業(yè)沼氣將對提高我國天然氣自給率和實現(xiàn)應(yīng)對全球氣候變化中長期規(guī)劃目標(biāo)起到非常重要的作用^[1]。

1  國內(nèi)沼氣的生產(chǎn)和利用現(xiàn)狀

我國自20世紀(jì)20年代起就開始了沼氣的生產(chǎn)和利用。近年來，政府對農(nóng)村沼氣建設(shè)給予了極大的支持，沼氣事業(yè)發(fā)展更加迅猛。

①農(nóng)村小型戶用沼氣池

截至2009年底，全國農(nóng)村戶用沼氣池累計達(dá)3 507×10⁴座，年產(chǎn)沼氣l24×10⁸ m³。預(yù)計到2020年，約3×10⁸戶農(nóng)村居民的生活燃?xì)庵饕钦託猓暾託饫昧考s為300×10⁸ m^3[2]。同時，各地還因地制宜地整合太陽能、沼氣技術(shù)以及種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，實踐性地探索出一系列適合中國農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用的小規(guī)模庭院式能源生態(tài)模式^[3]。具有代表意義的是北方農(nóng)村能源生態(tài)模式(即“四位一體”)和南方“豬-沼-果”模式。沼氣為農(nóng)戶解決炊事、照明等生活用能的同時，還帶動了農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)、加工的發(fā)展。沼氣在農(nóng)村的利用情況見圖1^[4]。

②大中型沼氣工程

截至2009年底，全國共建成各種類型沼氣工程5．69 ×10⁴項，總池容達(dá)到了715×10⁴ m³。近l0年中，各種類型沼氣工程的建設(shè)總量比之前增長了50多倍^[5]。

a．沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)

20世紀(jì)80年代初，我國就開展了沼氣發(fā)電領(lǐng)域的研究。目前在深圳已建成南山和下坪沼氣發(fā)電廠，南京、上海、北京等地也正在或準(zhǔn)備修建垃圾沼氣發(fā)電廠。據(jù)測算，該類電廠規(guī)模在1 000 kW以上，平均電價約為0．4元／(kW·h)，其經(jīng)濟(jì)性基本能與煤電相抗衡^[6]。北京高碑店污水處理廠對生物沼氣采用“沼氣內(nèi)燃機(jī)-余熱回收-發(fā)電機(jī)組”利用途徑，是一種典型的小型燃?xì)鉄犭娐?lián)供模式，可日產(chǎn)沼氣約4×10⁸ m³，日發(fā)電量約為7．5×10⁴ kW·h，日產(chǎn)熱量約為33．5×10⁴ MJ，年均產(chǎn)值可達(dá)2 000×10⁴元，投資回收期約為7 a或8 a，其經(jīng)濟(jì)效益比較可觀^[7]。

如果熱、電用戶都位于電廠周圍，熱電聯(lián)產(chǎn)顯然是個合理的選擇。但事實上，大多數(shù)情況下，沼氣廠都建在郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，而當(dāng)?shù)貙崮?、電能很少有大量需求，其主要消費者一般都位于城鎮(zhèn)地區(qū)。因此，發(fā)電過程中的大量余熱都不得不排放到大氣中，即使將熱量輸送至城鎮(zhèn)地區(qū)，運輸過程中也會損耗一部分，使得沼氣的熱能利用效率降低^[1,8]。

近年來，我國已研制出不同型號的沼氣發(fā)動機(jī)，但基礎(chǔ)研究(如發(fā)動機(jī)工作過程)等方面相對滯后，沒能根本解決沼氣發(fā)動機(jī)的后燃問題，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)實際排煙溫度過高、可靠性低。此外，由于燃燒過程組織不理想，沼氣消耗率偏高，實際上1 m³沼氣發(fā)電不到1．6 kW·h，與國際上1 m³沼氣能發(fā)電2 kW·h以上的性能相比，經(jīng)濟(jì)性有待提高^[9]。

b．沼氣作為車用燃料

沼氣經(jīng)凈化提純，可達(dá)到天然氣的質(zhì)量水平而作為汽車燃料使用。相比汽油、柴油等化石燃料，燃燒凈化后的沼氣可以減少各種污染物的排放量，大大緩解汽車尾氣排放對城市空氣造成的污染^[10]。

根據(jù)國際能源署2005年的研究報告，2005年歐美的7個國家有規(guī)?；能囉谜託馍a(chǎn)廠23家，瑞典擁有沼氣燃料汽車l．5×10⁴輛。據(jù)估計，2010-2012年瑞典沼氣燃料汽車達(dá)7×10⁴輛，汽車沼氣供應(yīng)站^[11]達(dá)500座。鞍山市垃圾填埋氣制取汽車燃料示范工程于2004年首次在中國投入使用，每天生產(chǎn)垃圾填埋氣1×10⁴ m³／d，經(jīng)過凈化壓縮后作為汽車燃料，每天產(chǎn)量為6 000 m³／d。200輛垃圾運輸車首先應(yīng)用這種新型綠色環(huán)保能源，隨后將用于全市的公交車。中國在車用沼氣方面的研究才剛剛開始，但由于中國汽車迅速發(fā)展，燃油價格持續(xù)飆升，而石油、天然氣非常短缺，以提純沼氣替代燃油和天然氣用作車用燃料將具有十分廣闊的發(fā)展前景^[6]。

c．沼氣并入天然氣管網(wǎng)

將沼氣提純后得到的生物天然氣并入天然氣管網(wǎng)，就可利用現(xiàn)有的天然氣輸送設(shè)施，更加方便沼氣的遠(yuǎn)距離輸送而且能節(jié)約運輸成本，可進(jìn)一步推動沼氣作為可再生綠色能源融入到當(dāng)今的能源供應(yīng)體系中。根據(jù)瑞典氣體中心(SGC)提供的報告，提純后的沼氣并人天然氣管網(wǎng)還有很多其他優(yōu)勢，如沼氣代替的那部分天然氣實現(xiàn)了綠色化，這樣沼氣從生產(chǎn)到利用實現(xiàn)了綠色市場化；可以調(diào)節(jié)天然氣的供需高峰，調(diào)節(jié)用氣市場；管道輸送的沼氣也可以直接作為車用燃料，使用方式靈活^[12]。

d．其他用途

沼氣經(jīng)脫硫^[13]、脫碳、脫水等處理后，CH₄的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)80％左右。凈化提純后的沼氣加壓至20 MPa，充滿1個50 L的車載氣瓶，可得到常壓下的生物天然氣約10 m³(熱值相當(dāng)于16 m³沼氣)。

沼氣的主要成分是CH₄和C0₂，從沼氣中提取出的CH₄和C0₂以及以沼氣為原料制取的合成氣(CO+H₂)是基本的化工原料，可進(jìn)一步生產(chǎn)多種高附加值的液體燃料和化工產(chǎn)品。

大中型厭氧消化產(chǎn)沼氣工程的沼氣產(chǎn)量高，對后續(xù)沼氣消納途徑要求高，特別是在難以并入天然氣管網(wǎng)、發(fā)電并網(wǎng)等情況下，利用天然氣液化技術(shù)將沼氣液化供應(yīng)給城鎮(zhèn)居民作生活能源，服務(wù)于周邊沒有天然氣管網(wǎng)的區(qū)域，也是實現(xiàn)沼氣遠(yuǎn)距離輸送和沼氣商業(yè)化應(yīng)用的一種方式。

近些年，沼氣用作燃料電池的技術(shù)發(fā)展也很快。廣州市番禺水門種豬場與日本通產(chǎn)省新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)合作建設(shè)200 kW的沼氣燃料電池裝置項目，為世界首例以養(yǎng)豬場糞尿產(chǎn)生的沼氣作燃料的燃料電池發(fā)電項目^[14]。將沼氣用于燃料電池發(fā)電，是有效利用沼氣資源的一個重要途徑，對我國沼氣利用技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。

2沼氣經(jīng)提純混入天然氣管網(wǎng)的使用現(xiàn)狀

①國外現(xiàn)狀

歐盟的一些國家在這方面走在世界前列。德國近年來意識到沼氣直接用于熱電聯(lián)產(chǎn)浪費嚴(yán)重，開始重視生物天然氣。2009年德國已經(jīng)有l00個沼氣工程的沼氣并入天然氣管網(wǎng)，還制訂了2020年和2030年沼氣產(chǎn)量分別達(dá)到60×10⁸ m³ (占天然氣消費量的6％)和100×10⁸ m³的目標(biāo)。2010年7月，法國經(jīng)過建立工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)用生物天然氣的安全性及對人體健康影響進(jìn)行評估后，通過新環(huán)保法案(Grenelle 2 Law)．強制性收購生物天然氣并給予并入天然氣管網(wǎng)的優(yōu)惠性補貼。瑞典政府通過財政補貼、免除稅賦和政策引導(dǎo)等方式，鼓勵產(chǎn)業(yè)沼氣凈化提純后并入地區(qū)天然氣管網(wǎng)或用作車用燃料^[1]。2009年，瑞典已經(jīng)有4座沼氣凈化站，凈化后的沼氣輸入天然氣管網(wǎng)。

②國內(nèi)現(xiàn)狀

近年來，中國政府出臺了一些鼓勵沼氣并入燃?xì)夤芫W(wǎng)的法律措施。如《中華人民共和國可再生能源法》第十六條規(guī)定，“國家鼓勵清潔、高效地開發(fā)利用生物質(zhì)燃料，鼓勵發(fā)展能源作物。利用生物質(zhì)資源生產(chǎn)的燃?xì)夂蜔崃?，符合城市燃?xì)夤芫W(wǎng)、熱力管網(wǎng)的入網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的，經(jīng)營燃?xì)夤芫W(wǎng)、熱力管網(wǎng)的企業(yè)應(yīng)當(dāng)接收其入網(wǎng)。”

2010年6月22日，鄭州市王新莊污水處理廠將生產(chǎn)的沼氣凈化成達(dá)標(biāo)的天然氣，并入鄭州市燃?xì)夤芫W(wǎng)，揭開了我國生物天然氣并網(wǎng)的序幕。該廠2010年的沼氣產(chǎn)量是2×10⁴ m³／d，2013年將達(dá)到6×10⁴ m³／d。該廠主要利用一個電壓吸附分離裝置，使污泥經(jīng)過一系列反應(yīng)產(chǎn)生大量沼氣，經(jīng)過凈化提純，達(dá)到國家天然氣標(biāo)準(zhǔn)。提純后的沼氣是潔凈能源，對市民的燃?xì)庠?、熱水器等燃具不會有任何影響?span lang="EN-US">

3 沼氣不經(jīng)提純混入管網(wǎng)使用的可行性

沼氣提純后并入天然氣管網(wǎng)極大地節(jié)約了運輸成本，可以作為調(diào)峰氣源，也可以直接作為車用燃料，有非常廣闊的發(fā)展前景。但是在技術(shù)和效益方面，這一方案還存在一些問題。一些北歐國家對沼氣是否應(yīng)該提純后并入天然氣管網(wǎng)或用作車用燃料仍然存在爭論。

沼氣并入天然氣管網(wǎng)或用作車用燃料依賴于氣體純化技術(shù)和車輛燃?xì)饧夹g(shù)，瑞典這方面的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而我國在這方面才剛剛起步^[12]。大力發(fā)展沼氣并網(wǎng)或用作車用燃料的技術(shù)，依賴于大中型沼氣工程的規(guī)?；l(fā)展。而我國開始建設(shè)大中型沼氣工程時，是以處理廢棄物和生產(chǎn)能源為出發(fā)點，而不是以充分利用資源為出發(fā)點，產(chǎn)品利用率低，經(jīng)濟(jì)效益差^[15]。我國近些年在沼氣純化技術(shù)方面取得了一些成就。國內(nèi)已經(jīng)有一些廠家生產(chǎn)、銷售沼氣純化設(shè)備，但設(shè)備造價過高，而且純化效果不理想，特別是C0₂等雜質(zhì)的去除不能達(dá)到預(yù)期效果，導(dǎo)致無利可圖或者資金回收周期過長，使得沼氣提純后并網(wǎng)或用作車用燃料的實踐進(jìn)展緩慢。學(xué)習(xí)西方國家，鼓勵和引導(dǎo)大中型沼氣工程大力發(fā)展是解決這一問題的前提。而如何進(jìn)一步提高沼氣發(fā)動機(jī)的效率、降低沼氣純化成本及提高沼氣純化可靠性等應(yīng)該成為科研工作者努力的目標(biāo)。

在我國，無論是農(nóng)村戶用沼氣池，還是大中型沼氣工程，對沼氣的凈化只是采用簡單的脫硫工藝，而對C0₂等雜質(zhì)的去除仍停留在理論研究階段^[16]。我圍城鎮(zhèn)燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)對C0₂含量有一定的允許范圍。因此，可以將沼氣只經(jīng)脫硫等凈化處理，而不進(jìn)行脫碳或只進(jìn)行淺度脫碳，然后按一定比例并入燃?xì)夤芫W(wǎng)。這樣可以節(jié)省沼氣脫碳的成本，更加方便沼氣的利用，應(yīng)優(yōu)先采用。但其前提是：沼氣摻混比例有一定限制，沼氣使用量與其他燃?xì)獾臒嶂?、使用量等有關(guān)。例如對于深圳大鵬LNG工程，沼氣與天然氣摻混比例(體積分?jǐn)?shù))為7．5:92．5時，混合氣滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求^[17]。

4 沼氣不經(jīng)提純混入管網(wǎng)使用存在的問題

沼氣的平均組成大約為：CH₄體積分?jǐn)?shù)為50％～70％，C0₂體積分?jǐn)?shù)為30％～40％，還有少量的C0、H₂、0₂、H₂S、N₂等氣體。其中，除C0₂以外的少量氣體經(jīng)一定的凈化設(shè)備都可以去除，以達(dá)到城鎮(zhèn)燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)。但是沼氣不經(jīng)提純混入天然氣管網(wǎng)使用存在以下問題：

①C0₂不具有熱能利用價值，對燃?xì)獾臒嶂怠⑷紵齽莸扔绊懞艽?。如果沼氣不脫?span lang="EN-US">(或只淺度脫碳)就混入天然氣管網(wǎng)，需要控制其混合比例，需要研究沼氣與天然氣的混合氣體與管網(wǎng)天然氣的互換性問題。

②沼氣如何混入天然氣管網(wǎng)。日前常用的氣體混合裝置有文丘里混合器、比例混合閥和隨動流量混合器等^[18]，但選用哪種混合裝置最合適還需要進(jìn)行實驗研究。另外，還需要設(shè)置混合氣體熱值檢測儀和安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)等，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)安全。

③沼氣按一定比例混入天然氣管網(wǎng)后，勢必會對原有天然氣的熱值、燃燒勢等造成影響。如何說服燃?xì)夤芫W(wǎng)經(jīng)營企業(yè)接收沼氣入網(wǎng)、重新合理地為燃?xì)舛▋r和說服消費者放心使用等，也需探討。

④ 目前還沒有沼氣不經(jīng)脫碳混入天然氣管網(wǎng)使用的實例，可以先選擇幾個適宜的小區(qū)、城鎮(zhèn)進(jìn)行試點研究。

5 結(jié)論

我國沼氣資源非常豐富，鼓勵、引導(dǎo)大中型沼氣工程大力發(fā)展是大量、合理利用沼氣資源的前提。當(dāng)前，我國大中型沼氣工程的主要利用形式是熱電聯(lián)產(chǎn)，但發(fā)酵原料單一、沼氣產(chǎn)氣量小、并網(wǎng)發(fā)電困難等原因，導(dǎo)致我國的沼氣發(fā)電比率很低，白白浪費掉很多沼氣^[19]。而且沼渣沼液的綜合利用不到位，運行和管理不專業(yè)等影響了沼氣工程的效益。沼氣凈化提純?yōu)樯锾烊粴夂蟛⑷肴細(xì)夤芫W(wǎng)或用作車用燃料是高級利用形式，但我國當(dāng)前沼氣脫碳技術(shù)還不成熟而且成本很高，導(dǎo)致這一利用形式進(jìn)展緩慢。沼氣中的C0₂對燃?xì)獾臒嶂?、燃燒勢等影響很大，如果要將沼氣不?jīng)脫碳(或只淺度脫碳)混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)使用，就需要對混合氣與管網(wǎng)天然氣的互換性等問題進(jìn)行研究，得出最佳混合比例。如果沼氣不經(jīng)提純就可混入天然氣管網(wǎng)使用這一方案能付諸于實踐，就可達(dá)到沼氣低成本利用的目的，將會對我國局部地區(qū)廢棄污染物利用和燃?xì)夤芫W(wǎng)調(diào)峰等作出很大貢獻(xiàn)。

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本文作者：趙偉  黃小美  譚順民

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院