沼氣提純制取生物天然氣發(fā)展前景分析

吳毛華

（浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 臨安 311300）

沼氣是含有甲烷和二氧化碳的氣體混合物，甲烷占55%～70%，二氧化碳占30%～45%。沼氣精制中的沼氣生產(chǎn)（以下稱為沼氣精制）是指脫硫、脫碳化、脫水以及加壓后的厭氧發(fā)酵所生成的沼氣的利用。為了促進(jìn)儲(chǔ)存和輸送，需要進(jìn)一步壓縮至壓縮天然氣（簡(jiǎn)稱為CNG，10～25兆帕）。

1 沼氣提純是今后的發(fā)展方向

1.1 符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策

生物天然氣作為清潔氣體能源，具有回收利用、環(huán)境保護(hù)、變廢為寶等優(yōu)點(diǎn)。其副產(chǎn)品、低成本、成熟技術(shù)、容易普及等優(yōu)勢(shì)在彌補(bǔ)中國(guó)的氣體能源不足方面取得了很大的成效。

1.2 減少溫室氣體排放的必要性

在2009年的G20峰會(huì)上，化石燃料的消耗量削減和可再生能源的開發(fā)成為了主要主題。世界溫室氣體效應(yīng)的20%來(lái)自甲烷，如果不有效使用生物氣體，就會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)。如果引入60000立方米的生物氣體，溫室氣體的年排放量減少約為458000噸一氧化碳，生物氣體的升級(jí)對(duì)中國(guó)的節(jié)能和減排目標(biāo)有著重大的意義。

1.3 產(chǎn)業(yè)鏈延伸

提煉生產(chǎn)生物天然氣是擴(kuò)大產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈、提高產(chǎn)品附加值、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段之一。

2 沼氣提純生物天然氣項(xiàng)目建設(shè)的可行性

2.1 政策的可行性

國(guó)家政策和法規(guī)為開發(fā)和實(shí)施沼氣升級(jí)項(xiàng)目提供政策保證和支持。中長(zhǎng)期開發(fā)計(jì)劃中，有必要關(guān)注生物質(zhì)發(fā)電和生物質(zhì)氣的開發(fā)。到2020年底，沼氣綜合利用將達(dá)到沼氣發(fā)電和生物質(zhì)燃料氣440億元。

國(guó)家生物質(zhì)能建設(shè)項(xiàng)目包括固定資產(chǎn)投資補(bǔ)貼和貸款利息補(bǔ)貼 根據(jù)2015年農(nóng)村沼氣項(xiàng)目轉(zhuǎn)型與凈化工作計(jì)劃，中央政府為沼氣產(chǎn)能每立方米500元補(bǔ)貼的沼氣試點(diǎn)項(xiàng)目提供投資補(bǔ)貼。

2.2 技術(shù)的可行性

近年來(lái)，隨著我國(guó)沼氣精制技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，在合成氨等工業(yè)用氣體凈化事業(yè)中，脫硫、脫碳化、脫水等主要精制工藝被廣泛應(yīng)用和開發(fā)。在脫硫方面，可以分為干燥法和濕式法。干燥方法主要為活性炭法和氧化鐵法，而濕法則包括化學(xué)方法、物理方法和物理化學(xué)方法。在硫含量低的情況下，可以使用干燥脫硫，在硫含量高的情況下，可以采用濕式氧化為主、干燥脫硫?yàn)檩o的綜合法。脫碳主要包括壓力水洗、變壓吸附和膜分離等物理方法，以及MDEA和碳酸丙烯酯等化學(xué)方法，其中壓力水洗和變壓吸附是成熟穩(wěn)定的工藝，適合于大規(guī)模的沼氣工程。在脫水方面，國(guó)內(nèi)可擴(kuò)展的主站裝備有脫水裝置，普遍采用脫水物理吸附法。

傳統(tǒng)提純相比，甲烷化沼氣提純法是煤炭、焦?fàn)t煤氣、電能和其他原料制備天然氣的關(guān)鍵技術(shù)，其實(shí)用性和發(fā)展價(jià)值都非常重要。此外，還可以進(jìn)一步研究高效、低成本的甲烷催化劑的制造、核反應(yīng)堆等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)。

3 沼氣提純制取生物天然氣凈化技術(shù)

3.1 脫水技術(shù)

在35℃時(shí)沼氣中的水分含量約為5%。甲烷脫水技術(shù)主要分為物理分離和化學(xué)干燥。這些方法可以同時(shí)從生物氣體中去除泡沫和灰塵。

3.2 脫硫技術(shù)

沼氣脫硫法中，傳統(tǒng)的方法是干式脫硫和濕式脫硫。干燥脫硫，簡(jiǎn)單操作和少設(shè)備的投資。濕式脫硫與用于除去硫化氫的供給氣體接觸，然后使溶劑再生。該方法大量處理處理氣體，硫含量高，適用于粗脫硫。其缺點(diǎn)是與硫容量和干燥法相比，精煉精度差，一般不可能通過(guò)加壓水洗法、堿吸收法、鐵溶法、凝膠祈禱法等除去有機(jī)硫。

3.3 其他雜質(zhì)的去除

除了水、硫化氫和氧以外，其他雜質(zhì)氣體通常含量少，可以通過(guò)現(xiàn)有的純化單元或純化單元去除。例如，混合原料的填埋和甲烷發(fā)酵中主要存在的硅氧烷和鹵代甲基可以通過(guò)活性炭的吸附除去。另外，也可以通過(guò)二氧化碳除去單元（加壓水清洗方法等）將少量的氨吸附或除去在活性炭上。

4 產(chǎn)業(yè)障礙分析及未來(lái)發(fā)展建議

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)在沼氣升級(jí)中價(jià)值較高的燃?xì)馍a(chǎn)方面存在以下差距。

第一，中國(guó)的工程設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)利潤(rùn)較大、移動(dòng)設(shè)備的選擇不合理和大型設(shè)備的高投資，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大的差距。

第二，需要改良厭氧發(fā)酵技術(shù)和主要儀器并標(biāo)準(zhǔn)化，提高氣體生產(chǎn)效率，控制氧氣含量。

第三，脫硫技術(shù)與國(guó)外有很大的差距，容易腐蝕，因此產(chǎn)生復(fù)雜的脫硫技術(shù)和較高的運(yùn)用成本。

第四，目前，中國(guó)已進(jìn)入科技開發(fā)平臺(tái)不完善、開發(fā)薄弱、科技天賦不足、對(duì)平臺(tái)建設(shè)缺乏國(guó)家支持、財(cái)政支持豐富、平臺(tái)支持有效的第一階段。

第五，需要加強(qiáng)國(guó)家政策補(bǔ)貼。作為可再生能源，如果不支持發(fā)達(dá)國(guó)家的政策，就無(wú)法開發(fā)沼氣。因此在中國(guó)擁有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力之前，需要更多的產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)和開發(fā)支持。

考慮到上述問(wèn)題，提出了以下建議。

第一，沼氣的升級(jí)和高價(jià)值利用是系統(tǒng)性的項(xiàng)目。為了實(shí)現(xiàn)低投資、低運(yùn)營(yíng)成本、經(jīng)濟(jì)，需要研究和調(diào)整沼氣厭氧發(fā)酵、精煉、高價(jià)值產(chǎn)品鏈。有許多技術(shù)細(xì)節(jié)決定技術(shù)可行性、安全性和經(jīng)濟(jì)可行性。

第二，建立整合科研平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多業(yè)跨越和高水平整合。沼氣產(chǎn)業(yè)包括農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、交通、燃?xì)庋h(huán)、能源供給、汽車產(chǎn)業(yè)、能源消耗。有很多產(chǎn)業(yè)，各個(gè)鏈接相互連接。如果中間鏈接有問(wèn)題，它會(huì)影響整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。因此，有必要整合具有較強(qiáng)實(shí)力的科研機(jī)構(gòu)，充分享受石化部門在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的厭氧發(fā)酵技術(shù)和沼氣處理優(yōu)勢(shì)，形成更高效的科研力量，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，為更好的國(guó)家生物能源開發(fā)做出貢獻(xiàn)。

第三，共同構(gòu)建實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)大學(xué)的研究與運(yùn)用”融合，加快重大技術(shù)突破的科學(xué)研究平臺(tái)和商用應(yīng)用平臺(tái)。德國(guó)和瑞典決定，自2005年沼氣積極開發(fā)以來(lái)，約5年內(nèi)銷售數(shù)億歐元的沼氣相關(guān)企業(yè)數(shù)量。由于中國(guó)擁有巨大的市場(chǎng)，我們必須抓住開發(fā)機(jī)會(huì)，在生物能源領(lǐng)域加快工業(yè)化進(jìn)程。

第四，政府應(yīng)該加強(qiáng)支持和指導(dǎo)。國(guó)外政府都在技術(shù)研發(fā)上進(jìn)行了大量投資，并有許多優(yōu)惠政策，如價(jià)格激勵(lì)政策和金融補(bǔ)貼政策，以引導(dǎo)和促進(jìn)沼氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)的可再生能源開發(fā)。沼氣生產(chǎn)在沼氣升級(jí)中，對(duì)保護(hù)和替代各種化石能源、減少污染物和溫室氣體的排放、在中國(guó)建立豐富的社會(huì)和新的社會(huì)主義農(nóng)村地區(qū)、有效推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，在中國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，沼氣項(xiàng)目正在逐漸轉(zhuǎn)型升級(jí)。沼氣、生物天然氣不僅可以改善環(huán)境，還可以通過(guò)有效提高產(chǎn)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)效率的適宜的開發(fā)模式，建立更加完善的產(chǎn)業(yè)體系。

作為新的清潔、可再生能源，生物天然氣能夠有效緩解能源短缺，也反映了生物氣和生物天然氣產(chǎn)業(yè)的綜合效益和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。根據(jù)相關(guān)國(guó)家的預(yù)測(cè)，中國(guó)的天然氣車數(shù)預(yù)計(jì)到2021年將達(dá)到1000萬(wàn)輛，CNG加油站數(shù)預(yù)計(jì)每年將激增20%。沼氣是在厭氧條件下由各種微生物發(fā)酵有機(jī)物生成的具有很高熱價(jià)值的新型可再生能源。沼氣的有效應(yīng)用一直是新能源應(yīng)用領(lǐng)域的重要勘探方向。另外，除了從微生物的厭氧發(fā)酵中大量除去硫化氫氣體以外，為了實(shí)現(xiàn)精制技術(shù)帶來(lái)的熱值，還可以除去二氧化碳等雜質(zhì)。在沼氣升級(jí)項(xiàng)目建設(shè)中，產(chǎn)品燃?xì)獠粌H產(chǎn)生清潔能源，緩解項(xiàng)目領(lǐng)域的環(huán)境壓力，改善環(huán)境條件，還形成了企業(yè)環(huán)境、企業(yè)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)雙重耦合的形象。清潔能源減少了我國(guó)對(duì)石油等化石能源的依賴，也為節(jié)能減排做出了貢獻(xiàn)。