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

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

關鍵詞：  沼氣；  生物天然氣；  天然氣管網；  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“十二五”規(guī)劃，2015年我國天然氣消費目標初步定為2 600×10⁸ m³，在能源結構中的比例提高至8．3％左右。屬于非常規(guī)天然氣范疇的產業(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)利用技術已比較成熟，大力發(fā)展產業(yè)沼氣將對提高我國天然氣自給率和實現(xiàn)應對全球氣候變化中長期規(guī)劃目標起到非常重要的作用^[1]。

1  國內沼氣的生產和利用現(xiàn)狀

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

①農村小型戶用沼氣池

截至2009年底，全國農村戶用沼氣池累計達3 507×10⁴座，年產沼氣l24×10⁸ m³。預計到2020年，約3×10⁸戶農村居民的生活燃氣主要是沼氣，年沼氣利用量約為300×10⁸ m^3[2]。同時，各地還因地制宜地整合太陽能、沼氣技術以及種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的產業(yè)結構，實踐性地探索出一系列適合中國農村地區(qū)推廣應用的小規(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。沼氣為農戶解決炊事、照明等生活用能的同時，還帶動了農副產品生產、加工的發(fā)展。沼氣在農村的利用情況見圖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，總池容達到了715×10⁴ m³。近l0年中，各種類型沼氣工程的建設總量比之前增長了50多倍^[5]。

a．沼氣用于熱電聯(lián)產

20世紀80年代初，我國就開展了沼氣發(fā)電領域的研究。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備修建垃圾沼氣發(fā)電廠。據測算，該類電廠規(guī)模在1 000 kW以上，平均電價約為0．4元／(kW·h)，其經濟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“沼氣內燃機-余熱回收-發(fā)電機組”利用途徑，是一種典型的小型燃氣熱電聯(lián)供模式，可日產沼氣約4×10⁸ m³，日發(fā)電量約為7．5×10⁴ kW·h，日產熱量約為33．5×10⁴ MJ，年均產值可達2 000×10⁴元，投資回收期約為7 a或8 a，其經濟效益比較可觀^[7]。

如果熱、電用戶都位于電廠周圍，熱電聯(lián)產顯然是個合理的選擇。但事實上，大多數情況下，沼氣廠都建在郊區(qū)或農村地區(qū)，而當地對熱能、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，但基礎研究(如發(fā)動機工作過程)等方面相對滯后，沒能根本解決沼氣發(fā)動機的后燃問題，導致發(fā)動機實際排煙溫度過高、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，經濟性有待提高^[9]。

b．沼氣作為車用燃料

沼氣經凈化提純，可達到天然氣的質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]。

根據國際能源署2005年的研究報告，2005年歐美的7個國家有規(guī)模化的車用沼氣生產廠23家，瑞典擁有沼氣燃料汽車l．5×10⁴輛。據估計，2010-2012年瑞典沼氣燃料汽車達7×10⁴輛，汽車沼氣供應站^[11]達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，每天生產垃圾填埋氣1×10⁴ m³／d，經過凈化壓縮后作為汽車燃料，每天產量為6 000 m³／d。200輛垃圾運輸車首先應用這種新型綠色環(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

將沼氣提純后得到的生物天然氣并入天然氣管網，就可利用現(xiàn)有的天然氣輸送設施，更加方便沼氣的遠距離輸送而且能節(jié)約運輸成本，可進一步推動沼氣作為可再生綠色能源融入到當今的能源供應體系中。根據瑞典氣體中心(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，這樣沼氣從生產到利用實現(xiàn)了綠色市場化；可以調節(jié)天然氣的供需高峰，調節(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

沼氣經脫硫^[13]、脫碳、脫水等處理后，CH₄的體積分數可達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，可進一步生產多種高附加值的液體燃料和化工產品。

大中型厭氧消化產沼氣工程的沼氣產量高，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、發(fā)電并網等情況下，利用天然氣液化技術將沼氣液化供應給城鎮(zhèn)居民作生活能源，服務于周邊沒有天然氣管網的區(qū)域，也是實現(xiàn)沼氣遠距離輸送和沼氣商業(yè)化應用的一種方式。

近些年，沼氣用作燃料電池的技術發(fā)展也很快。廣州市番禺水門種豬場與日本通產省新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構合作建設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的發(fā)展具有重大意義。

2沼氣經提純混入天然氣管網的使用現(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)產浪費嚴重，開始重視生物天然氣。2009年德國已經有l00個沼氣工程的沼氣并入天然氣管網，還制訂了2020年和2030年沼氣產量分別達到60×10⁸ m³ (占天然氣消費量的6％)和100×10⁸ m³的目標。2010年7月，法國經過建立工業(yè)標準，對應用生物天然氣的安全性及對人體健康影響進行評估后，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等方式，鼓勵產業(yè)沼氣凈化提純后并入地區(qū)天然氣管網或用作車用燃料^[1]。2009年，瑞典已經有4座沼氣凈化站，凈化后的沼氣輸入天然氣管網。

②國內現(xiàn)狀

近年來，中國政府出臺了一些鼓勵沼氣并入燃氣管網的法律措施。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)利用生物質燃料，鼓勵發(fā)展能源作物。利用生物質資源生產的燃氣和熱力，符合城市燃氣管網、熱力管網的入網技術標準的，經營燃氣管網、熱力管網的企業(yè)應當接收其入網。”

2010年6月22日，鄭州市王新莊污水處理廠將生產的沼氣凈化成達標的天然氣，并入鄭州市燃氣管網，揭開了我國生物天然氣并網的序幕。該廠2010年的沼氣產量是2×10⁴ m³／d，2013年將達到6×10⁴ m³／d。該廠主要利用一個電壓吸附分離裝置，使污泥經過一系列反應產生大量沼氣，經過凈化提純，達到國家天然氣標準。提純后的沼氣是潔凈能源，對市民的燃氣灶、熱水器等燃具不會有任何影響。

3 沼氣不經提純混入管網使用的可行性

沼氣提純后并入天然氣管網極大地節(jié)約了運輸成本，可以作為調峰氣源，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該提純后并入天然氣管網或用作車用燃料仍然存在爭論。

沼氣并入天然氣管網或用作車用燃料依賴于氣體純化技術和車輛燃氣技術，瑞典這方面的技術已經比較成熟，而我國在這方面才剛剛起步^[12]。大力發(fā)展沼氣并網或用作車用燃料的技術，依賴于大中型沼氣工程的規(guī)?；l(fā)展。而我國開始建設大中型沼氣工程時，是以處理廢棄物和生產能源為出發(fā)點，而不是以充分利用資源為出發(fā)點，產品利用率低，經濟效益差^[15]。我國近些年在沼氣純化技術方面取得了一些成就。國內已經有一些廠家生產、銷售沼氣純化設備，但設備造價過高，而且純化效果不理想，特別是C0₂等雜質的去除不能達到預期效果，導致無利可圖或者資金回收周期過長，使得沼氣提純后并網或用作車用燃料的實踐進展緩慢。學習西方國家，鼓勵和引導大中型沼氣工程大力發(fā)展是解決這一問題的前提。而如何進一步提高沼氣發(fā)動機的效率、降低沼氣純化成本及提高沼氣純化可靠性等應該成為科研工作者努力的目標。

在我國，無論是農村戶用沼氣池，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等雜質的去除仍停留在理論研究階段^[16]。我圍城鎮(zhèn)燃氣標準對C0₂含量有一定的允許范圍。因此，可以將沼氣只經脫硫等凈化處理，而不進行脫碳或只進行淺度脫碳，然后按一定比例并入燃氣管網。這樣可以節(jié)省沼氣脫碳的成本，更加方便沼氣的利用，應優(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氣的熱值、使用量等有關。例如對于深圳大鵬LNG工程，沼氣與天然氣摻混比例(體積分數)為7．5:92．5時，混合氣滿足國家標準要求^[17]。

4 沼氣不經提純混入管網使用存在的問題

沼氣的平均組成大約為：CH₄體積分數為50％～70％，C0₂體積分數為30％～40％，還有少量的C0、H₂、0₂、H₂S、N₂等氣體。其中，除C0₂以外的少量氣體經一定的凈化設備都可以去除，以達到城鎮(zhèn)燃氣標準。但是沼氣不經提純混入天然氣管網使用存在以下問題：

①C0₂不具有熱能利用價值，對燃氣的熱值、燃燒勢等影響很大。如果沼氣不脫碳(或只淺度脫碳)就混入天然氣管網，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天然氣的互換性問題。

②沼氣如何混入天然氣管網。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行實驗研究。另外，還需要設置混合氣體熱值檢測儀和安全連鎖保護系統(tǒng)等，以確保產品質量和系統(tǒng)安全。

③沼氣按一定比例混入天然氣管網后，勢必會對原有天然氣的熱值、燃燒勢等造成影響。如何說服燃氣管網經營企業(yè)接收沼氣入網、重新合理地為燃氣定價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脫碳混入天然氣管網使用的實例，可以先選擇幾個適宜的小區(qū)、城鎮(zhèn)進行試點研究。

5 結論

我國沼氣資源非常豐富，鼓勵、引導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。當前，我國大中型沼氣工程的主要利用形式是熱電聯(lián)產，但發(fā)酵原料單一、沼氣產氣量小、并網發(fā)電困難等原因，導致我國的沼氣發(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肴細夤芫W或用作車用燃料是高級利用形式，但我國當前沼氣脫碳技術還不成熟而且成本很高，導致這一利用形式進展緩慢。沼氣中的C0₂對燃氣的熱值、燃燒勢等影響很大，如果要將沼氣不經脫碳(或只淺度脫碳)混入城鎮(zhèn)燃氣管網使用，就需要對混合氣與管網天然氣的互換性等問題進行研究，得出最佳混合比例。如果沼氣不經提純就可混入天然氣管網使用這一方案能付諸于實踐，就可達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氣管網調峰等作出很大貢獻。

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本文作者：趙偉  黃小美  譚順民

作者單位：重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院