沼氣提純生物天然氣的氣質標準探討

常旭寧, 吳媛媛

(北京市燃氣集團研究院， 北京 100011)

生物天然氣是指以畜禽糞便、農作物秸稈、城鎮生活垃圾、工業有機廢棄物等為原料，經厭氧發酵產生沼氣，進一步提純凈化后得到的與常規天然氣成分、熱值等基本一致的綠色低碳清潔環保可再生燃氣[1]。進入“十三五”以來，國家密集出臺了多項規劃政策，提出大力發展生物天然氣。國家能源局在2019年年初重新修訂發布了《關于促進生物天然氣產業化發展指導意見》，與2016年發布的同名文件相比，發展目標更為務實，提出生物天然氣消費發展目標為2020年20億方，2025年150億方，2030年超過300億方[1]。

國務院關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用意見中，在提出發展規模化天然氣工程的同時，還提出符合城市燃氣管網技術標準的，燃氣企業應接收入網[2]。各地方政府也制定了有針對性的地方政策。然而，目前我國對生物天然氣尚未出臺統一的國家標準，對于氣質的要求多為供需雙方協商，不能適應行業高速發展的需要。為此，本文對比分析了國外一些國家的生物天然氣不同利用方式的氣質標準，及國內部分城市燃氣的氣質要求，得出兩類入管網和車用生物天然氣的建議氣質指標。

1 生物天然氣入管網發熱量和甲烷濃度的氣質分析

目前，國內還沒有針對生物天然氣提純利用制定相關標準，美國、瑞士、德國先后出臺了相應的標準。聯合國歐洲經濟委員會也涉及相關標準。相對成熟完善的是歐洲標準委員會制定的標準[3]，如表1所示。從表中可以看出，就甲烷濃度一項，荷蘭和比利時要求大于85%，法國要求大于86%，就可以進入管網。但是，瑞典要求甲烷濃度達到97%才可以進入管網。

表1 歐洲標準委員會對生物天然氣并入管網技術要求 (vol%)

沼氣在作為生物天然氣使用時，需要經過提純凈化提高甲烷含量，達到天然氣的氣質標準。國家標準《天然氣》GB17820-2012中將天然氣氣質分為一類氣和二類氣兩類，技術指標如表2所示。單從熱值考慮，沼氣提純制備的生物天然氣中無甲烷以上烴類，這使得生物天然氣的熱值較常規天然氣低，生物天然氣要達到一類氣熱值36 MJ·m-3的指標，CH4含量必須達到97%以上。生物天然氣甲烷含量與提純工藝流程、甲烷回收率、工程造價及運營費用均有關系。CH4含量要求高于95%以上后，運營成本則增加很快，成本過高對生物天然氣提純項目的實施是不利的[4]。因此，本文認為不宜追求《天然氣》GB17820-2012中一類氣的熱值指標，不宜要求生物天然氣必須達到97%的甲烷含量。參考《煤制合成天然氣》GB/T33445-2016，并結合《城鎮燃氣設計規范》GB50028-2006，建議規定一類生物天然氣產品氣的甲烷含量為≥95%，高位發熱量≥35 MJ·m-3；二類生物天然氣產品氣的甲烷含量為≥85%，高位發熱量>31.4 MJ·m-3。對比國外的情況，本文建議的二類氣指標與法國、比利時和荷蘭的天然氣入網氣質接近，一類氣與奧地利、瑞士和瑞典的氣質接近。

表2 《天然氣》GB17820-2012中一類氣和二類氣的技術指標

注：a為本標準中氣體體積的標準參比條件是101.325 Pa，20℃；b為在輸送條件下，當管道管頂埋地溫度為0℃時，水露點不應高于-5℃；c為進入輸氣管道的天然氣，水露點的壓力應是最高輸送壓力。

進一步的，當天然氣進入城市燃氣管網時，根據《城鎮燃氣分類和基本特性》GB/T13611-2018的分類，天然氣氣質達到10T和12T的氣體是可以進入管網的。而氣質達到10T和12T的天然氣就包括生物天然氣。沼氣的高位華白數為23.14 MJ·m-3，屬于6Z類氣，提純凈化增加高位華白數以達到10 T和12 T的指標時，就具備了作為天然氣進入城市燃氣灌管網的基本條件。

華白數是表征氣體能量密度的一種單位，華白數越大，能量密度越高，相應的要求生物燃氣中的甲烷含量也就越高。生物天然氣主要成分為甲烷，燃燒特性與常規的化石天然氣類似。一般燃具(家用灶具、熱水器、商用燃具、大部分鍋爐和工業燃燒器、大部分燃氣輪機和內燃機等)對燃氣發熱量和組分波動不敏感，允許華白數波動±10%；玻璃、陶瓷等精細化工用天然氣，以及天然氣發電用大型燃氣輪機對天然氣氣質要求較高，《城鎮燃氣設計規范》建議留有±3%～5%的余量。GB/T13611標準中以及城鎮燃氣商品氣中10T和12T天然氣華白數的波動范圍如表3所示。

表3 10 T和12 T天然氣華白數波動范圍

注：華白數和熱值單位均為MJ·m-3，下同。

出于天然氣供應的穩定性考慮，城鎮天然氣通常會有多個氣源。例如北京、深圳和上海天然氣各氣源的組分及燃燒特性[5-7]見表4。

除常規氣田氣、煤制氣和LNG外，我國天然氣的種類還包括煤層氣和頁巖氣。除某些煤層氣氣田的類別為10 T，大部分以常規氣田氣、煤制氣、LNG和頁巖氣為主要氣源的城鎮燃氣類別為12 T。因此并入城鎮燃氣輸配系統和壓縮天然氣供應系統的生物天然氣一般情況下應該符合12 T的熱值和華白數；對于城鎮燃氣本身不滿足12 T的情況，生物天然氣在并入時需要滿足10 T并滿足與城鎮燃氣互換；對于獨立的生物天然氣供應系統，則需要根據區域的燃氣氣源接入計劃或與用氣方共同商定確定生物天然氣的氣質要求。通過計算得出，滿足10 T和12 T的生物天然氣甲烷含量和熱值見表5。從表中可以看出，生物天然氣要達到10 T氣質時的甲烷含量需要在85%以上，達到12 T的氣質時甲烷含量需要達到94%以上。

表4 部分城市各氣源組分及燃燒特性

表5 滿足10 T和12 T的生物天然氣甲烷含量和熱值

綜合《城鎮燃氣設計規范》GB50028-2006和《壓縮天然氣供應站設計規范》GB51102-2016，城鎮燃氣對天然氣的質量要求為：

(1)天然氣發熱量和組分的波動應符合城鎮燃氣互換的要求，天然氣偏離基準氣的波動范圍宜按現行國家標準《城鎮燃氣分類和基本特性》GB/T13611-2018的規定采用，并應適當留有余地；

(2)天然氣發熱量、總硫和硫化氫含量、水露點指標應符合現行國家標準《天然氣》GB17820-2012中一類氣或二類氣的規定。壓縮天然氣的質量應符合現行國家標準《車用壓縮天然氣》GB18047-2017的有關規定。

(3)在交接點的天然氣壓力和溫度條件下，天然氣的烴露點應比最低環境溫度低5℃；天然氣中不應有固態、液態或膠狀物質。

2 生物天然氣其他氣質指標分析

沼氣提純制生物天然氣氣質中，除甲烷含量外，其它組分的影響也比較重要。

2.1 總硫和硫化氫含量

總硫和硫化氫含量也是天然氣產品標準的一個重要技術指標。一般來說，常規天然氣含有相當高的各種硫化物，既有硫化氫，也有其它硫化物，需要進行凈化處理。與化石天然氣不同的是，沼氣中總硫含量通常遠低于化石天然氣，而硫化氫含量通常高于化石天然氣，基于管道輸送(酸腐蝕)和用戶安全(燃燒產生有害氣體)考慮，建議硫化氫與GB17820-2012《天然氣》的技術指標一致，即一、二類氣分別≤6 mg·m-3，20 mg·m-3；同時也滿足GB18047-2017《車用壓縮天然氣》要求，≤ 15 mg·m-3。

2.2 水露點

生物天然氣提純制氣工藝過程首先為預處理工藝，預處理工藝對原料氣進行初步過濾、脫水，并在后續脫硫、壓縮和提純工藝中根據工藝要求和產品氣露點要求除塵、除油和脫水。提純工藝中PSA法和膜法產品均為干燥氣體，露點溫度可達-20℃或更低，可直接進入天然氣管網或CNG壓縮機；水洗法提純后的產品氣處于飽和狀態，需要進行干燥處理。因此生物天然氣采用GB17820-2012《天然氣》比環境溫度低5℃，用于車用時還要滿足GB18047-2017《車用壓縮天然氣》中環境溫度大于-13℃時水含量不大于30 mg·m-3的要求。

2.3 CO2

一類、二類天然氣對二氧化碳的要求分別為不大于2%，3%(體積分數)，對于生物天然氣該指標偏高。該指標是為防止對長輸管道腐蝕而制定的，雖然生物天然氣產量相對于管輸天然氣量是很小的，但不能因此降低生物天然氣中CO2含量要求，增大輸氣管網腐蝕風險。

2.4 O2

在中性或堿性條件下，碳鋼的腐蝕主要受溶解氧的影響，溶解氧含量越高，腐蝕越嚴重。但只要保持氣體水露點的要求，從防腐的目的出發，可不用限制氧含量。但任何時刻氧氣在氣體混合物中的含量應低于燃氣的爆炸濃度下限。因此《天然氣》GB17820-2012無O2含量要求，而《車用壓縮天然氣》GB18047-2017要求氧含量<0.5%，建議生物天然氣用于車用也按此要求執行，目前還沒有關于生物天然氣并入燃氣管網中的O2含量多少對管網造成腐蝕的研究，由于生物天然氣量通常只占管網輸氣量的小部分，建議一方面初步控制生物天然氣中O2含量小于1%，具體含量可待有相關研究結果后調整；另一方面由于城鎮燃氣中低壓管網已大量采用聚乙烯管道，耐腐蝕性強，因此建議將生物天然氣輸送到中壓管網中。

2.5 其他雜質

國內標準目前沒有針對硅氧烷、揮發性有機物的含量要求，由于生物天然氣總量很小，并且出于對生物天然氣行業的推動，不建議制定與國外一致的嚴格要求。但針對垃圾填埋氣和污泥沼氣硅氧烷、揮發性有機物的含量高的生物質燃氣，建議制氣流程中采取相應的脫除工藝。

3 生物天然氣氣質建議指標

根據以上對城鎮燃氣氣質指標與生物天然氣特性的分析，對于生物天然氣的氣質要求，技術指標建議分為兩類，一類氣滿足12 T天然氣，二類氣滿足10 T天然氣，并根據利用方式分為用戶和車用，如表6所示。

表6 生物天然氣建議的技術指標

注：氣體體積的標準參比條件是101.325 kPa，20℃。

在實際應用時，生物天然氣并入城鎮天然氣管網或壓縮天然氣供應系統時應符合一類氣質量要求。對于獨立的生物天然氣供應系統，則需要根據區域的燃氣氣源接入計劃或與用氣方共同協商確定生物天然氣的氣質要求。

4 結語

生物天然氣的發展能實現廢棄物的循環利用和減少二氧化碳的排放。作為一項新興戰略性產業，亟待科學合理、完整有效的標準的支持，而生物質氣氣質指標的統一要求更為迫切。建議管理部門盡快將相關標準的制定納入計劃并盡快實施，促進行業的快速與良性發展。