生物天然氣核心裝備產(chǎn)業(yè)化方向

鄧 燦 張 翼 繆俊杰 杜泓飛

（1.中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，廣東 深圳 518048；2.中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316）

0 引言

沼氣是一種清潔的可再生能源，主要成分是CH4、CO2及少量H2S等，凈化提純后可得到生物天然氣，其品質(zhì)與商業(yè)天然氣無異。2019年底頒布的《關于促進生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導意見》標志著國家將加快生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)轉型升級步伐，根據(jù)指導意見，到2025年，我國生物天然氣年產(chǎn)量將超過100億m3，到2030年，將超過200億m3。同時，國家能源局關于生物天然氣產(chǎn)業(yè)后補貼政策即將出臺。一系列法規(guī)政策的出臺預示著，生物天然氣產(chǎn)業(yè)將逐步進入快速發(fā)展階段，特別是未來5a～10a將迎來快速、爆發(fā)性增長。多家央企、地方國企及民營企業(yè)已關注到產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢，并積極參與到項目投資運維、工程施工、工藝集成、設備生產(chǎn)等過程中，產(chǎn)業(yè)競爭形勢已初步形成。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

以德國、瑞典為代表的歐洲發(fā)達國家，沼氣應用發(fā)展早，規(guī)模大，已形成較為完善的產(chǎn)業(yè)化體系，在沼氣應用技術、相關政策和管理體系等方面走在了世界前列。各國沼氣應用方式不同，但其中沼氣提純制取生物天然氣被沼氣廠廣泛應用，工程技術較成熟，自動化程度高，已實現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。據(jù)國際能源署統(tǒng)計，截至2014年，沼氣提純廠的總處理規(guī)模超過20億m3·a-1[1]。

德國以熱電聯(lián)產(chǎn)為主，提高了沼氣工程綜合效益。截至2013年，德國沼氣發(fā)電量約20.5億kW·h，相當于總發(fā)電量的3.4%[2]。德國沼氣領域取得的成就源于其先進的技術設備、管理體系以及國家政策的大力支持。沼氣用于熱電聯(lián)產(chǎn)首先需要進行預處理，避免沼氣中雜質(zhì)氣體對發(fā)動機的不良影響。德國在質(zhì)檢控制體系方面擁有一套完整的質(zhì)量控制法規(guī)和標準，在沼氣提純技術上也處于世界先進水平。近年來，德國越來越重視沼氣提純并入天然氣管網(wǎng)。德國相關產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，至2020年建成12000個沼氣能源工程，生物天然氣年產(chǎn)量達到60億m3，至2030年在天然氣管網(wǎng)中至少有10%的生物天然氣[3]。

瑞典是使用沼氣作為車用燃料最先進的國家，擁有先進的沼氣純化技術。瑞典所頒布沼氣車用燃料標準中要求甲烷含量不低于97%，水含量不超過32mg/m3，總硫含量不超過2mg/m3[2]。并且，瑞典計劃到2060年用生物天然氣完全取代化石天然氣，成為世界上第一個完全使用可再生能源的國家[1]。

歐美各國已具備實現(xiàn)沼氣提純并網(wǎng)的各項條件，其中荷蘭最具代表性。科研領域，荷蘭的Shell-Paques脫硫工藝是目前最具代表性的生物脫硫技術。在工程應用中，荷蘭使用特殊高效微粒空氣過濾器HEPA阻止微量元素進入管網(wǎng)。政策上，荷蘭政府也推出了一系列政策支持沼氣并網(wǎng)，法律規(guī)定燃氣管網(wǎng)運營商應盡可能支持沼氣并網(wǎng)。

國內(nèi)目前已建成多個沼氣提純生物天然氣示范項目，如煙臺雙塔40000m3沼氣提純項目、龍口煙臺環(huán)能公司30000m3沼氣提純車用燃氣示范項目、南陽天冠100000m3沼氣提純項目等，目前運轉良好，產(chǎn)品氣供給車用或燃氣管網(wǎng)。煙臺雙塔和南陽天冠沼氣提純項目均被列入國家科技支撐計劃“管道并網(wǎng)高純生物燃氣技術集成研究與模式示范”項目。南陽天冠100000m3沼氣提純項目目前為國內(nèi)最大[4]。

與國外相比，我國沼氣應用和研究起步較晚，沼氣工程關鍵核心設備國產(chǎn)化仍存在問題。以杭州能源、北京盈和瑞、青島天人為代表的國內(nèi)沼氣工程設備生產(chǎn)制造企業(yè)，其生產(chǎn)設備在國內(nèi)外雖已有較多工程應用，但在原料預處理、厭氧發(fā)酵攪拌、發(fā)酵罐施工建造等方面，在項目運行過程中仍存在原料預處理不徹底、發(fā)酵罐結殼、產(chǎn)氣效率不達標等問題，整體水平仍偏低。

2 生物天然氣工藝技術及裝備

針對原料、氣候、環(huán)境、產(chǎn)品要求等條件的差異，不同的生物天然氣工程所采用的工藝技術方案和系統(tǒng)構成都會有所區(qū)別，但歸納起來，主要由原材料存儲及預處理進料系統(tǒng)、厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、沼氣存儲系統(tǒng)、固液分離系統(tǒng)、沼液存儲系統(tǒng)、沼氣凈化提純系統(tǒng)、CNG 壓縮系統(tǒng)、有機肥生產(chǎn)系統(tǒng)等8個系統(tǒng)組成。圖1顯示了生物天然氣的一般工藝流程：將農(nóng)作物秸稈、禽畜糞污等有機廢棄物進行均質(zhì)攪拌后進入?yún)捬醢l(fā)酵罐產(chǎn)生出沼氣和消化液。沼氣經(jīng)過凈化提純后得到生物天然氣。消化液部分循環(huán)回混合攪拌罐作為回流液充分利用，部分進行固液分離，分離的固態(tài)沼渣加工成固態(tài)有機肥，分離的液態(tài)沼液一部分加工成液態(tài)有機肥，另一部分作為普通沼液肥進入沼液儲存池儲存。

圖1 生物天然氣工藝流程圖

生物天然氣工程涉及的裝備可以分為通用裝備和專用裝備2類。通用裝備包括泵、閥、風機、管道、結構件等，均屬于成熟產(chǎn)品，在此不再贅述。專用裝備需要根據(jù)不同項目的要求進行定制，包括移動進料機、混合攪拌罐、沼氣凈化提純等，屬于核心裝備，在生物天然氣項目建設的投資占比較高，且對項目產(chǎn)能的影響較大。通用裝備方面，其中大部分國內(nèi)已經(jīng)做得比較成熟，產(chǎn)品質(zhì)量完全能夠滿足工程要求，與進口產(chǎn)品相比，在價格、交貨期和售后服務等方面更具性價比和優(yōu)勢。專用裝備方面，包括移動進料機、混合攪拌罐、沼氣凈化提純等，國內(nèi)設備的整體穩(wěn)定性及經(jīng)濟性指標較差，進口設備雖然運行穩(wěn)定性及經(jīng)濟性較佳，但造價昂貴，對國內(nèi)復雜原料適應性較差。

3 生物天然氣核心裝備產(chǎn)業(yè)化方向

3.1 移動進料機

圖2（b）為移動進料機的結構和工作原理。移動進料機主要由存料箱、推料裝置、絞龍、滾柱、液壓系統(tǒng)、電機、稱重裝置、電控柜等組成，粉碎后的秸稈、糞便等生物質(zhì)原料通過鏟車定量送到存料箱內(nèi)，通過推料裝置到達出料口，絞龍和上端松料滾柱裝置一并旋轉，使物料蓬松，通過絞龍螺旋輸送至出料口，然后進入混合攪拌罐。移動進料機適用于顆粒或粉狀物料的水平、傾斜和垂直輸送。

圖2 移動進料機結構和工作原理

移動進料機國內(nèi)外供應商比較多，不同屬性原料（農(nóng)業(yè)生物質(zhì)、市政污泥、餐廚垃圾）的進料設備有所差別，但普遍存在以下問題：1）生物質(zhì)原料（玉米秸稈）需要先粉碎（粉碎粒徑5mm～8mm）才能再進入進料箱；2）該設備適用性單一，只能輸送經(jīng)過處理后的秸稈、干糞便等農(nóng)林畜牧原料，餐廚垃圾、市政污泥、工業(yè)廢水等不宜。

針對這些問題，筆者認為該裝備今后的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化趨勢主要集中在以下3個方面：1）嘗試將物料粉碎設備加裝在進料設備中，將兩者耦合提高粉碎和輸料效率；2）推料裝置（圖2（c））是移動進料機的關鍵部件，進口產(chǎn)品都設置了相關專利壁壘，國內(nèi)廠商應進行技術攻關，研發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權、適配國內(nèi)物料的推料裝置；3）設備模塊化、標準化和集成化，如存料箱采用集裝箱式；4）開發(fā)原料適應性更廣的進料設備，滿足不同屬性的原料輸送。

3.2 混合攪拌罐

攪拌設備使用歷史悠久，大量應用于化工、石化、生物、食品、制藥等行業(yè)中，例如在化工材料的生產(chǎn)中，采用攪拌設備作為反應器，實現(xiàn)原料的混合、傳熱、傳質(zhì)、反應等功能，該類攪拌設備也叫做反應釜。攪拌操作按作用方式可分為機械攪拌和氣流攪拌2種。工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣的是機械攪拌設備，生物天然氣生產(chǎn)中采用的就是這種攪拌設備。

混合攪拌罐的結構和工作原理如圖3所示。混合攪拌罐主要由葉輪、攪拌軸、罐體、軸承、軸封、傳動裝置、輔助裝置等組成，玉米秸稈和糞污輸送到攪拌罐后，罐中心安裝帶葉輪的攪拌器，用來進行物料的混合。設備采用密封結構，常壓狀態(tài)運行。攪拌時間、進料間隔、日進料量都均可以輸入計算機控制系統(tǒng)，并根據(jù)運行要求來調(diào)整。混合攪拌罐的作用包括粉碎、混合干濕原料，如秸稈、畜禽糞便等，使其均質(zhì)化，增大表面積，有利于后端的厭氧發(fā)酵；提高產(chǎn)氣率，縮短發(fā)酵時間，工程實踐表明，添加該套設備，最終產(chǎn)氣量可提高約9%；降低發(fā)酵罐內(nèi)的攪拌能耗；防止發(fā)酵罐內(nèi)形成分層和結殼，影響產(chǎn)氣。

圖3 混合攪拌罐結構和工作原理

攪拌裝置國內(nèi)外廠家很多，但在生物天然氣物料混合攪拌領域做得比較好的相對較少，普遍存在以下問題：1）目前進口設備對國內(nèi)復雜物料的適應性較差；2）國產(chǎn)零部件，例如攪拌器，在性能和使用壽命方面和進口產(chǎn)品存在一定差距。

針對這些問題，筆者認為該裝備今后的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化趨勢主要集中在以下4個方面：1）優(yōu)化設計，提升對復雜物料的適應性；2）改進零部件的結構、材料和工藝，提高攪拌效率，延長使用壽命；3）向機電一體化、智能化方向發(fā)展；4）各類新技術的應用：LDV/PIV測量技術、CFD模擬技術、電子過程斷層成像技術、混沌混合技術等。

3.3 沼氣凈化提純

生物天然氣（bio-natural gas），是指由生物質(zhì)轉化而來的以甲烷為主要成分的燃氣，目前主要指通過沼氣提純得到的生物甲烷氣（bio-methane）。雖然沼氣和天然氣的主要可燃組分都是CH4，但是由于二者在組分含量及特性方面存在較為明顯的差別，所以在多數(shù)情況下沼氣無法直接替代天然氣[5]。相關研究表明，2種燃氣相互替換的前提條件是兩者的華白數(shù)相同或接近，而脫除沼氣中的CO2，提升CH4含量至95%以上就可以讓沼氣的華白數(shù)達到天然氣的水平，因此沼氣提純的第一要務就是脫除其中的CO2。分離沼氣中CH4和CO2的主要方法見表1。

表1 實現(xiàn)CH4和CO2分離的主要方法的比較

3.3.1 水洗法

利用CO2和CH4在水中溶解度不同，通過物理吸收，實現(xiàn)CO2和CH4分離。

3.3.2 溶劑物理吸收法

溶劑物理吸收法類似于水洗法，不同的是將水換成了溶劑，利用酸性氣體和CH4在溶劑中的溶解度不同脫除CO2和H2S。

3.3.3 溶劑化學吸收法

用CO2與溶劑發(fā)生化學反應，形成富液，然后將富液送入解吸塔加熱，再分解出CO2，吸收及解吸交替進行，從而將沼氣中的CO2分離。

3.3.4 深冷法

利用沼氣中CH4和CO2沸點和露點的顯著差異，在低溫條件下將CO2轉變?yōu)橐后w或固體，并使CH4依然保持為氣相，從而實現(xiàn)二者的分離。

3.3.5 膜分離法

膜分離法原理是利用CO2和CH4等各氣體組分在膜表面的溶解、擴散速率不同，實現(xiàn)CO2等組分透過膜壁而分離。

3.3.6 變壓吸附法

變壓吸附法是在加壓條件下，利用沼氣中的CH4， CO2以及N2在吸附劑表面被吸附的能力不同而實現(xiàn)分離氣體。

在農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣提純工藝技術發(fā)達的歐洲，上述提純方法作為現(xiàn)代沼氣工程提純的主要工藝，已經(jīng)過多年使用和改進。如圖4，水洗提純工藝占比最大，達到約41%，溶劑化學吸收提純工藝約占25%，變壓吸附工藝約占18%，膜分離提純工藝約占8%，溶劑物理吸收約占7%，剩余約1%為深冷法提純工藝[6]。

圖4 主要沼氣提純工藝應用比例

上述沼氣提純方法各有優(yōu)缺點：水洗法的優(yōu)點是技術簡單成熟可靠，溶劑無毒無害低成本易處理，不需要外部熱源、余熱回收，缺點是能耗較高（0.2kWh/m3～0.3kWh/m3），運行壓力較高，甲烷損失率較高（0.5%～2%），水的選擇性較其他溶劑效果差；溶劑物理吸收法的優(yōu)點是溶劑使用量少，甲烷回收率高，裝置占地小，缺點是需要補充額外熱量，功耗較高（0.23kWh/m3～0.33kWh/m3），易污染環(huán)境，甲烷損失率高（約1%～4%）；溶劑化學吸收法的優(yōu)點是環(huán)境壓力運行，吸收過程能耗低（0.06kWh/m3～0.17kWh/m3），裝置占地小，高選擇性，產(chǎn)品純度高（通常超過99%），甲烷逃逸率低，缺點是溶劑再生困難，再生能耗高（0.4kWh/m3～0.8kWh/m3），溶劑易造成環(huán)境污染；深冷法的優(yōu)點是甲烷回收率高，產(chǎn)品純度高，缺點是低溫過程功耗比較大；膜分離法的優(yōu)點是操作彈性大，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，動設備少，產(chǎn)品純度高，模塊化設計，自動化程度高，缺點是能耗較高（0.18kWh/m3～0.33kWh/m3），甲烷損失率較高（約0.5%～2%），設備一次投資高；變壓吸附法的優(yōu)點是操作簡單，易于維護，不需溶劑，不需補充熱量，提純效率高，純物理過程穩(wěn)定性高，吸附劑壽命長，缺點是能耗高（0.15kWh/m3～0.35kWh/m3），甲烷逃逸率較高（約1.5%～2.5%）。

在特定的條件下，上述幾種沼氣提純工藝各有優(yōu)勢。須結合項目電價、產(chǎn)品氣價格、產(chǎn)品氣用途（管道天然氣、CNG等）、投資成本、氣候環(huán)境等因素，綜合對比分析后選用最合適的工藝，以達到最大的項目收益。其中，膜分離技術憑借設備緊湊，占地面積小，處理規(guī)模可大可小，可小型化、移動化，操作簡單靈活，可連續(xù)也可以間斷運行，維修保養(yǎng)容易，不使用化學試劑和水，不會造成環(huán)境污染等優(yōu)勢，被認為是未來大中型沼氣工程中制備生物天然氣的一種非常有潛力的技術，但是現(xiàn)階段膜分離技術還存在下列問題：1）現(xiàn)有的沼氣提純有機高分子材料存在膜的塑化和老化、機械強度低等問題，需要想辦法突破；2）傳統(tǒng)膜氣體分離存在Robeson上限，即滲透率與選擇率無法兼顧而有一上限，而實際應用中，為了提高系統(tǒng)的處理量和分離性能，筆者需要膜材料同時具備較大的氣體滲透系數(shù)和較高的選擇性，這是一對矛盾，為此需要在膜材料、氣體分離技術等方面取得突破，打破現(xiàn)有Robeson上限，；3）單級膜分離的甲烷損失量過大，膜分離技術如何與其他氣體分離技術相結合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

針對這些問題，筆者認為膜分離技術今后的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化趨勢主要集中在以下幾個方面：1）繼續(xù)提高中空纖維膜組件的選擇性和膜通量；2）降低膜組件的制造成本；3）簡化預處理工藝，研發(fā)同步分離多組分（H2S、N2等雜質(zhì)）的氣體膜分離工藝能夠進一步降低膜法分離成本，從而增強膜法競爭力，將是未來發(fā)展熱點；4）尋找新的制備膜的高性能高分子纖維材料。

4 結論

生物天然氣產(chǎn)業(yè)核心裝備在生物天然氣項目建設的投資占比較高，且對項目產(chǎn)能的影響較大。截至目前，國內(nèi)生物天然氣技術及裝備仍處于初級階段，國外進口設備成本高，對國內(nèi)復雜原料適應性較差，國產(chǎn)設備整體技術水平偏低，存在可靠性及耐久性較差等問題。雖然近年來國家對沼氣轉型升級和規(guī)模化生物天然氣項目進行重點扶持，但整個行業(yè)技術水平有待進一步提高，以當前處理能力和技術水平，無法滿足我國新型綠色城鎮(zhèn)化的要求，亟需開展規(guī)模化生物天然氣集成技術與核心裝備國產(chǎn)化應用研究，建立行業(yè)標準體系，逐步形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，盡快提高我國規(guī)模化生物天然氣技術和裝備水平，滿足新時代生態(tài)文明建設新需求。