沼氣提純制取生物天然氣發展前景分析

吳毛華

（浙江農林大學 信息工程學院，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（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酵所生成的沼氣的利用。為了促進儲存和輸送，需要進一步壓縮至壓縮天然氣（簡稱為CNG，10～25兆帕）。

1 沼氣提純是今后的發展方向

1.1 符合國家產業政策

生物天然氣作為清潔氣體能源，具有回收利用、環境保護、變廢為寶等優點。其副產品、低成本、成熟技術、容易普及等優勢在彌補中國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峰會上，化石燃料的消耗量削減和可再生能源的開發成為了主要主題。世界溫室氣體效應的20%來自甲烷，如果不有效使用生物氣體，就會產生溫室效應。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，生物氣體的升級對中國的節能和減排目標有著重大的意義。

1.3 產業鏈延伸

提煉生產生物天然氣是擴大產品產業鏈、提高產品附加值、提高企業競爭力的有效手段之一。

2 沼氣提純生物天然氣項目建設的可行性

2.1 政策的可行性

國家政策和法規為開發和實施沼氣升級項目提供政策保證和支持。中長期開發計劃中，有必要關注生物質發電和生物質氣的開發。到2020年底，沼氣綜合利用將達到沼氣發電和生物質燃料氣440億元。

國家生物質能建設項目包括固定資產投資補貼和貸款利息補貼 根據2015年農村沼氣項目轉型與凈化工作計劃，中央政府為沼氣產能每立方米500元補貼的沼氣試點項目提供投資補貼。

2.2 技術的可行性

近年來，隨著我國沼氣精制技術的持續發展，在合成氨等工業用氣體凈化事業中，脫硫、脫碳化、脫水等主要精制工藝被廣泛應用和開發。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，而濕法則包括化學方法、物理方法和物理化學方法。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、干燥脫硫為輔的綜合法。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方法，其中壓力水洗和變壓吸附是成熟穩定的工藝，適合于大規模的沼氣工程。在脫水方面，國內可擴展的主站裝備有脫水裝置，普遍采用脫水物理吸附法。

傳統提純相比，甲烷化沼氣提純法是煤炭、焦爐煤氣、電能和其他原料制備天然氣的關鍵技術，其實用性和發展價值都非常重要。此外，還可以進一步研究高效、低成本的甲烷催化劑的制造、核反應堆等關鍵技術的開發。

3 沼氣提純制取生物天然氣凈化技術

3.1 脫水技術

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

3.2 脫硫技術

沼氣脫硫法中，傳統的方法是干式脫硫和濕式脫硫。干燥脫硫，簡單操作和少設備的投資。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。其缺點是與硫容量和干燥法相比，精煉精度差，一般不可能通過加壓水洗法、堿吸收法、鐵溶法、凝膠祈禱法等除去有機硫。

3.3 其他雜質的去除

除了水、硫化氫和氧以外，其他雜質氣體通常含量少，可以通過現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酵中主要存在的硅氧烷和鹵代甲基可以通過活性炭的吸附除去。另外，也可以通過二氧化碳除去單元（加壓水清洗方法等）將少量的氨吸附或除去在活性炭上。

4 產業障礙分析及未來發展建議

與發達國家相比，中國的產業技術在沼氣升級中價值較高的燃氣生產方面存在以下差距。

第一，中國的工程設計由于設計利潤較大、移動設備的選擇不合理和大型設備的高投資，與發達國家相比存在較大的差距。

第二，需要改良厭氧發酵技術和主要儀器并標準化，提高氣體生產效率，控制氧氣含量。

第三，脫硫技術與國外有很大的差距，容易腐蝕，因此產生復雜的脫硫技術和較高的運用成本。

第四，目前，中國已進入科技開發平臺不完善、開發薄弱、科技天賦不足、對平臺建設缺乏國家支持、財政支持豐富、平臺支持有效的第一階段。

第五，需要加強國家政策補貼。作為可再生能源，如果不支持發達國家的政策，就無法開發沼氣。因此在中國擁有較強的市場競爭力之前，需要更多的產業增長和開發支持。

考慮到上述問題，提出了以下建議。

第一，沼氣的升級和高價值利用是系統性的項目。為了實現低投資、低運營成本、經濟，需要研究和調整沼氣厭氧發酵、精煉、高價值產品鏈。有許多技術細節決定技術可行性、安全性和經濟可行性。

第二，建立整合科研平臺，實現多業跨越和高水平整合。沼氣產業包括農業、環境保護、交通、燃氣循環、能源供給、汽車產業、能源消耗。有很多產業，各個鏈接相互連接。如果中間鏈接有問題，它會影響整個行業的發展。因此，有必要整合具有較強實力的科研機構，充分享受石化部門在農業領域的厭氧發酵技術和沼氣處理優勢，形成更高效的科研力量，實現技術突破，為更好的國家生物能源開發做出貢獻。

第三，共同構建實現“產學大學的研究與運用”融合，加快重大技術突破的科學研究平臺和商用應用平臺。德國和瑞典決定，自2005年沼氣積極開發以來，約5年內銷售數億歐元的沼氣相關企業數量。由于中國擁有巨大的市場，我們必須抓住開發機會，在生物能源領域加快工業化進程。

第四，政府應該加強支持和指導。國外政府都在技術研發上進行了大量投資，并有許多優惠政策，如價格激勵政策和金融補貼政策，以引導和促進沼氣開發產業的可再生能源開發。沼氣生產在沼氣升級中，對保護和替代各種化石能源、減少污染物和溫室氣體的排放、在中國建立豐富的社會和新的社會主義農村地區、有效推進經濟社會的可持續發展起著重要的作用。

5 結語

目前，在中國能源產業的發展中，沼氣項目正在逐漸轉型升級。沼氣、生物天然氣不僅可以改善環境，還可以通過有效提高產業實際生產效率的適宜的開發模式，建立更加完善的產業體系。

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業的綜合效益和產業價值。根據相關國家的預測，中國的天然氣車數預計到2021年將達到1000萬輛，CNG加油站數預計每年將激增20%。沼氣是在厭氧條件下由各種微生物發酵有機物生成的具有很高熱價值的新型可再生能源。沼氣的有效應用一直是新能源應用領域的重要勘探方向。另外，除了從微生物的厭氧發酵中大量除去硫化氫氣體以外，為了實現精制技術帶來的熱值，還可以除去二氧化碳等雜質。在沼氣升級項目建設中，產品燃氣不僅產生清潔能源，緩解項目領域的環境壓力，改善環境條件，還形成了企業環境、企業經濟、社會雙重耦合的形象。清潔能源減少了我國對石油等化石能源的依賴，也為節能減排做出了貢獻。