生物天然氣混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的條件

吳媛媛， 張佳維， 常旭寧

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京100011)

1 概述

生物天然氣是指以農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、生活垃圾、工業(yè)有機(jī)廢水等各類城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物為原料，經(jīng)轉(zhuǎn)化和凈化提純產(chǎn)生的綠色低碳清潔可再生的非常規(guī)天然氣，重要組分為甲烷。作為綠色低碳的可再生氣源，在改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，也成為了城鎮(zhèn)燃?xì)獾难a(bǔ)充氣源，在一定程度上緩解部分地區(qū)天然氣用氣緊張問(wèn)題。

為促進(jìn)生物天然氣的發(fā)展，降低我國(guó)天然氣的對(duì)外依存度，國(guó)家將生物天然氣納入國(guó)家能源體系中，并出臺(tái)了相關(guān)政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以支持生物天然氣發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)已建和在建的生物天然氣項(xiàng)目主要以生產(chǎn)CNG車用氣為主，少部分為獨(dú)立管網(wǎng)直接供周邊用戶，混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的項(xiàng)目和氣量并不多，主要原因是生物天然氣混入現(xiàn)有城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)是否會(huì)對(duì)用戶用氣安全帶來(lái)影響有待商榷。本文分析混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)生物天然氣的質(zhì)量要求及互換性，探討生物天然氣中的雜質(zhì)和污染物對(duì)燃具使用安全和人員身體健康的影響。

2 質(zhì)量要求及互換性分析

① 質(zhì)量要求

GB 50028—2016《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.1條、3.2.2條第1款對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)赓|(zhì)量進(jìn)行了規(guī)定：城鎮(zhèn)燃?xì)?應(yīng)按基準(zhǔn)氣分類)的熱值和組分的波動(dòng)應(yīng)符合城鎮(zhèn)燃?xì)饣Q的要求；城鎮(zhèn)燃?xì)馄x基準(zhǔn)氣的波動(dòng)范圍宜按現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13611《城市燃?xì)夥诸悺返囊?guī)定采用，并應(yīng)適當(dāng)留有余地；天然氣熱值、總硫和硫化氫含量、水露點(diǎn)指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820《天然氣》的一類氣或二類氣的規(guī)定；在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，天然氣的烴露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5 ℃；天然氣中不應(yīng)有固態(tài)、液態(tài)或膠狀物質(zhì)。

在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下(101.325 kPa，20 ℃)，GB 17820—2018《天然氣》按高熱值、總硫(以硫計(jì))質(zhì)量濃度、硫化氫質(zhì)量濃度、二氧化碳物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)將天然氣分為一類、二類。對(duì)水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)進(jìn)行了規(guī)定：在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，天然氣中不應(yīng)存在液態(tài)水和液態(tài)烴。GB 17820—2018對(duì)天然氣的質(zhì)量要求見(jiàn)表1。

表1 GB 17820—2018對(duì)天然氣的質(zhì)量要求

NB/T 10136—2019《生物天然氣產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》在相同標(biāo)準(zhǔn)參比條件下，對(duì)生物天然氣進(jìn)行了分類(見(jiàn)表2)。對(duì)水露點(diǎn)進(jìn)行了規(guī)定：水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃。由表2可知，與GB 17820—2018不同的是，除表1技術(shù)指標(biāo)外，NB/T 10136—2019還對(duì)不同等級(jí)生物天然氣的甲烷物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)、氧物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了規(guī)定。

根據(jù)NB/T 10136—2019對(duì)生物天然氣質(zhì)量的規(guī)定，為符合GB 17820—2018對(duì)二類天然氣的質(zhì)量要求，進(jìn)入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的生物天然氣至少應(yīng)符合NB/T 10136—2019規(guī)定的二類氣的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，還應(yīng)滿足在交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，生物天然氣中不存在液態(tài)水和液態(tài)烴。

表2 NB/T 10136—2019對(duì)生物天然氣的質(zhì)量要求

② 互換性分析

燃具是按一定的燃?xì)饨M成和熱負(fù)荷設(shè)計(jì)的，對(duì)于在用的燃具，當(dāng)燃?xì)饨M成變動(dòng)超過(guò)一定范圍時(shí)，燃具將出現(xiàn)不適應(yīng)，造成燃燒不穩(wěn)定，出現(xiàn)回火、黃焰等問(wèn)題。居民、商業(yè)、供暖鍋爐等用戶一般對(duì)天然氣質(zhì)量的要求較低，而玻璃、陶瓷等精細(xì)化工用戶以及大型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠對(duì)天然氣質(zhì)量的穩(wěn)定性要求較高。

NB/T 10136—2019規(guī)定的二類氣技術(shù)指標(biāo)對(duì)應(yīng)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴芬?guī)定的10T天然氣。在混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)前，應(yīng)進(jìn)行互換性評(píng)價(jià)工作，以適應(yīng)在用燃具的要求[1]。

3 雜質(zhì)和污染物的影響

由以上分析可知，混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的生物天然氣應(yīng)符合NB/T 10136—2019規(guī)定的二類氣的標(biāo)準(zhǔn)。即甲烷物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)至少為95%，其他應(yīng)為二氧化碳、氧氣、硫化物以及其他雜質(zhì)等。由于生物天然氣原料種類較多，原料氣主要分為畜禽糞污、秸稈和餐廚垃圾制沼氣、垃圾填埋氣、污水污泥制氣以及工業(yè)有機(jī)廢水制氣。由于原料的不同，產(chǎn)生的生物天然氣的質(zhì)量也有差異。特別是垃圾填埋氣、污水污泥制氣，由于原料來(lái)源復(fù)雜，氣體中會(huì)含有較多雜質(zhì)，如VOCs(揮發(fā)性有機(jī)物)、揮發(fā)性硅等。在使用中，VOCs等污染物會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。長(zhǎng)期燃用含有揮發(fā)性硅的燃?xì)?，易?duì)鍋爐、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及燃?xì)馄嚢l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、火花塞、閥門(mén)等造成嚴(yán)重的損壞[2]。

由于生物天然氣混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的項(xiàng)目比較少且運(yùn)行時(shí)間短，國(guó)內(nèi)目前該方面的研究以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不足。NB/T 10136—2019對(duì)雜質(zhì)和污染物未作規(guī)定。國(guó)外特別是歐洲，生物天然氣混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)有了相對(duì)豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的生物天然氣的組成，特別是雜質(zhì)、污染物的質(zhì)量濃度進(jìn)行嚴(yán)格控制。如荷蘭規(guī)定生物天然氣中氯化物質(zhì)量濃度不能超過(guò)50 mg/m3，氟化物質(zhì)量濃度不能超過(guò)25 mg/m3。瑞士規(guī)定生物天然氣中鹵化物的質(zhì)量濃度不能超過(guò)1 mg/m3。

歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN 16723.1-2016《運(yùn)輸用天然氣和生物甲烷以及天然氣管網(wǎng)充注生物甲烷：天然氣管網(wǎng)充注生物甲烷的規(guī)格》對(duì)混入管網(wǎng)的生物天然氣中的各類雜質(zhì)和污染物的限值進(jìn)行了規(guī)定，主要包括揮發(fā)性硅、一氧化碳、氨、胺、氟化物、氯化物等物質(zhì)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)頒布的CEN/TR 17238-2018《基于健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的生物甲烷污染物建議限值》技術(shù)報(bào)告中給出了基于衛(wèi)生評(píng)價(jià)的對(duì)生物天然氣中雜質(zhì)和污染物限值的評(píng)估方法，以確定雜質(zhì)、污染物在生物天然氣中的可接受質(zhì)量濃度。