國(guó)內(nèi)外沼氣提純生物天然氣技術(shù)研究及應(yīng)用

冉　毅， 蔡　萍， 黃家鵠， 王　超， 湯曉玉， 王　斌

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)部沼氣產(chǎn)品及設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心， 成都　610041； 2.鴻鵠科技集團(tuán)， 成都　610026)

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國(guó)內(nèi)外沼氣提純生物天然氣技術(shù)研究及應(yīng)用

冉毅1， 蔡萍1， 黃家鵠2， 王超1， 湯曉玉1， 王斌2

(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)部沼氣產(chǎn)品及設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心， 成都610041； 2.鴻鵠科技集團(tuán)， 成都610026)

沼氣提純生物天然氣可高值化利用沼氣，有效減少沼氣工程因沼氣利用不充分而排空造成的溫室效應(yīng)，具有環(huán)保和能源雙重效益。文章介紹了沼氣和生物天然氣的技術(shù)指標(biāo)，綜述了6種沼氣提純方法的技術(shù)特點(diǎn)和研究進(jìn)展，比較了提純方法的技術(shù)參數(shù)和優(yōu)劣勢(shì)，分析了不同提純技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外； 沼氣； 提純； 生物天然氣； 技術(shù)； 應(yīng)用

沼氣是一種清潔、可再生能源，其成分以甲烷、二氧化碳為主，并含有少量的氧氣、氫氣、氮?dú)?、硫化氫等，其中CH4含量為 50%～70%，CO2的含量為30%～40%。與其它可燃?xì)怏w相比，沼氣具有抗爆性良好和燃燒產(chǎn)物清潔等特點(diǎn)[1]。目前，沼氣主要應(yīng)用在發(fā)電、供熱和炊事方面，沼氣中的 CO2降低了沼氣的能量密度和熱值，限制了沼氣的利用范圍，要去除沼氣中的CO2，H2S和水蒸氣等，將沼氣提純?yōu)樯锾烊粴?BNG)，生物天然氣可壓縮用于車用燃料(CNG)、熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)、并入天然氣管網(wǎng)、燃料電池以及化工原料等領(lǐng)域，汽車使用生物天然氣不僅可以降低尾氣排放造成的空氣污染，而且溫室氣體的凈排放量減少75%～200%，生物天然氣可混入現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)，降低對(duì)石化能源的依賴[2-6]。本文的沼氣提純技術(shù)是指去除沼氣中CO2的技術(shù)，不涉及脫硫和去除其它雜質(zhì)。

沼氣提純生物天然氣技術(shù)在德國(guó)、瑞典等國(guó)家取得顯著進(jìn)展，據(jù)國(guó)際能源署統(tǒng)計(jì)，截至2014年沼氣提純廠的總處理規(guī)模超過(guò)20億m3·a-1。瑞典計(jì)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(gè)完全使用可再生能源的國(guó)家[7-9]。

中國(guó)的沼氣利用起步較早，在小型沼氣技術(shù)方面走在了世界前列，但是在大型沼氣工程及沼氣提純技術(shù)方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有差距，國(guó)內(nèi)沼氣的用途以炊事為主，利用價(jià)值較低。目前我國(guó)沼氣產(chǎn)量達(dá)160億m3左右，如經(jīng)提純可取代全國(guó)天然氣消費(fèi)量13%左右[10-12]。2010年，鄧舟[13]等人以某生物質(zhì)垃圾厭氧消化沼氣為研究對(duì)象，根據(jù)工藝過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化碳排放量為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)4種主要沼氣利用方式：直接燃燒、制熱供暖、發(fā)電和提純壓縮天然氣的碳足跡進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用沼氣提純工藝不僅能極大地降低碳排放量對(duì)溫室效應(yīng)的影響，還能通過(guò)能量的回收替代傳統(tǒng)能源，具有理想的碳減排效益。我國(guó)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》將沼氣作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，預(yù)計(jì)到2020年沼氣利用量將達(dá)到440億m3。在此過(guò)程中，沼氣產(chǎn)業(yè)將逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化、用途高值化，沼氣提純技術(shù)是沼氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[14-16]。

1　沼氣與生物天然氣特性

1.1沼氣特性

沼氣是一種混合氣體，成分較復(fù)雜，不同的原料、發(fā)酵條件、發(fā)酵工藝和發(fā)酵階段所產(chǎn)生的沼氣成分不盡相同，沼氣組分見(jiàn)表1[17]。

表1　沼氣組分

其它組分還包括N2，O2，CO，H2，硅氧烷和小分子烷烴等。沼氣低位熱值為17.94～25.11 MJ·m-3。

1.2生物天然氣特性

目前，德國(guó)、法國(guó)、瑞士和瑞典等歐洲國(guó)家已頒布了生物天然氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)未頒布生物天然氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，生物天然氣的農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草中，可參考天然氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)作為生物天然氣技術(shù)指標(biāo)，天然氣甲烷含量在95%以上，目前的沼氣提純技術(shù)可以達(dá)到甲烷含量99%以上，完全能滿足天然氣的標(biāo)準(zhǔn)要求。瑞典針對(duì)沼氣用作車用燃料出臺(tái)了標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定 CH4純度要求是95%～99%。

表2　天然氣特性

注：以上參數(shù)引用GB 17820-2012《天然氣》。1)本標(biāo)準(zhǔn)中氣體體積的標(biāo)準(zhǔn)參比條件是101.325kPa，20℃； 2)在輸送條件下，當(dāng)管道管頂埋地溫度為0℃時(shí)，冰露點(diǎn)應(yīng)不高于-5℃； 3)進(jìn)入輸氣管道的天然氣，水露點(diǎn)的壓力應(yīng)是最高輸送壓力。

將生物天然氣用作車用天然氣，只需脫水并將壓力提高至25 MPa，達(dá)到“在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)，在最高操作壓力下，水露點(diǎn)不應(yīng)高于-13℃；當(dāng)最低氣溫低于-8℃，水露點(diǎn)應(yīng)比最低氣溫低5℃?！睒?biāo)準(zhǔn)要求[18]。對(duì)比以上參數(shù)可以看出，沼氣在熱值、硫含量、二氧化碳含量和水含量與天然氣存在差別，需脫硫、脫水、脫碳(提純)才能達(dá)到生物天然氣的要求。

2　沼氣提純技術(shù)

2.1水洗法

水洗法是利用 CO2和 CH4在水中溶解度不同，通過(guò)物理吸收，實(shí)現(xiàn)CO2和CH4分離。加壓水洗工藝，首先需要將沼氣加壓到1000～2000 kPa送入洗滌塔，在洗滌塔內(nèi)沼氣自下而上與水流逆向接觸，酸性氣體CO2和H2S溶于水中，從而與甲烷分離，CH4從洗滌塔的上端出，進(jìn)一步干燥后得到生物甲烷。在加壓條件下，一部分CH4溶于水，所以從洗滌塔底部排出的水需要進(jìn)入閃蒸塔，通過(guò)降壓將溶于水中的CH4和部分CO2釋放出來(lái)，這部分氣體重新與原料氣混合再次參與洗滌分離。從閃蒸塔排出的水進(jìn)入解吸塔，利用空氣、蒸汽或惰性氣體進(jìn)行再生。在有廉價(jià)水資源可供利用時(shí)，水洗法可一直采用新水而無(wú)需對(duì)水進(jìn)行再生處理，這樣既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，又提高了提純效率[19]。

水洗法效率較高，在最低的操作管理?xiàng)l件下通過(guò)單個(gè)洗滌塔就可以將CH4濃度提純到 95%，同時(shí)CH4的損失率也可以控制在比較低的水平，而且由于采用水做吸收劑，所以這也是一種相對(duì)廉價(jià)的提純方法，尤其在不需要對(duì)水進(jìn)行再生處理時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性更加顯著。加壓水洗法存在問(wèn)題：微生物會(huì)在洗滌塔內(nèi)的填料表面生長(zhǎng)形成生物膜，從而造成填料堵塞，因此，需要安裝自動(dòng)沖洗裝置，或加氯殺菌；雖然水洗過(guò)程可以同時(shí)脫除 H2S，但為了避免其對(duì)脫碳階段所用壓縮設(shè)備的腐蝕，應(yīng)在脫 CO2之前將其脫除；提純后的生物甲烷處于水分飽和狀態(tài)，須進(jìn)行干燥；廢氣含有硫和低濃度的甲烷，在大規(guī)模水洗中，需用蓄熱式熱氧化技術(shù)進(jìn)行廢氣處理[20-21]。

2.2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。該技術(shù)的操作壓力一般為7～8 bar，不需要預(yù)先去除H2S。水分子屬于極性分子，溶劑是非極性分子，而 CO2也是非極性分子，根據(jù)相似相容法則，CO2更容易溶于溶劑中。常用的物理溶劑有碳酸丙烯酯(PC法)、聚乙二醇二甲醚(NHD法)和UOP公司的Selexol配方溶劑等[22]。

CO2和H2S在上述溶劑中的溶解性比在水中的溶解性更強(qiáng)，提純等量沼氣所采用的液相循環(huán)量更小、能耗小、純化成本更低。提純后的CH4含量為93%～98%，廢氣含有硫和低濃度(1%～4%)的甲烷，在大規(guī)模提純中，需用蓄熱式熱氧化技術(shù)進(jìn)行廢氣處理。

2.3溶劑化學(xué)吸收法

溶劑化學(xué)吸收法是利用CO2與溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成富液，然后富液進(jìn)入解吸塔加熱分解CO2，吸收與解吸交替進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)CO2的分離回收?；瘜W(xué)吸收法是采用胺溶液作為吸收液將CO2和CH4分離，溶劑主要有乙醇胺溶液(MEA),二乙醇胺溶液(DEA)和甲基二乙醇胺溶液(MDEA)。該技術(shù)操作壓力一般為1atm，比水洗的操作壓力低很多，化學(xué)吸收前需要對(duì)沼氣進(jìn)行精細(xì)脫硫?；瘜W(xué)反應(yīng)具有很強(qiáng)的選擇性，胺溶液對(duì)碳具有很高的親和力，所以 CH4的損失可小于0.1%?；瘜W(xué)吸收法的優(yōu)點(diǎn)是氣體凈化度高，處理氣量大，缺點(diǎn)是對(duì)原料氣適應(yīng)性不強(qiáng)，需要復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)，吸收劑的再生循環(huán)操作較為繁瑣，熱量消耗高。目前工業(yè)中廣泛采用的是醇胺法脫碳，方程式(1)和(2)說(shuō)明其吸收與解吸的原理[23-25]。

CO2吸收：

(1)

CO2解吸：

(2)

Privalova 等對(duì) 1-丁基-3-甲基咪唑乙酸離子液體和胺溶液吸收分離CO2的性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)離子液體比胺溶液的性能提高了1倍[26]。Tippayawong N和 Thanompongchart P[27]將NaOH，Ca(OH)2和 MEA 溶液作為吸收液，研究沼氣中 H2S 和 CO2的去除效果，結(jié)果表明它們的吸收模式相似，在相對(duì)短的操作時(shí)間內(nèi)，去除H2S 和 CO2效果很明顯，但吸收液的吸收能力隨時(shí)間推移快速降低。NaOH和Ca(OH)2不能再生利用，需要大量吸收液，并對(duì)環(huán)境有影響，不建議使用，但胺溶液可再生利用。劉應(yīng)書(shū)[28]等人對(duì)甘氨酸鈉溶液吸收 CO2提純沼氣的適宜條件進(jìn)行了研究，結(jié)果表明甘氨酸鈉溶液具有穩(wěn)定的再生性能，適宜的再生溫度和再生時(shí)間分別為108℃和3h，比其它報(bào)道120℃～145℃的解吸溫度要低，能耗也降低。

2.4深冷法

深冷法是利用沼氣中CH4和CO2沸點(diǎn)和露點(diǎn)的顯著差異，在低溫條件下將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w或固體，并使 CH4依然保持為氣相，從而實(shí)現(xiàn)二者的分離。工藝流程： 1)將沼氣溫度降至6℃，硫化氫和硅氧烷去除； 2)將原料氣壓縮到1.8×106～2.5×106Pa，壓縮前需脫水以防止結(jié)冰； 3)繼續(xù)將溫度降至-25℃，氣體被干燥，剩余硅氧烷被冷凝； 4)脫硫； 5)將溫度降至-50℃～-59℃，CO2被液化去除。

Tuinier等人利用低溫填充床設(shè)計(jì)出一種低溫分離的操作方法，經(jīng)過(guò)降溫、捕獲、恢復(fù)3個(gè)步驟，并進(jìn)行數(shù)字模擬。結(jié)果顯示提純后的 CH4純度最高可達(dá)99. 99%，并同時(shí)去除了沼氣中的H2S。荷蘭 Gastreatment Service B V 公司[29]開(kāi)發(fā)了GPP沼氣提純系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)將沼氣中CO2冷凝為液體從沼氣中分離出去。CO2被冷凝成液體后可被用作溫室氣肥或進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為干冰。

深冷法須將沼氣加壓冷卻，能耗較大，同時(shí)，分離設(shè)備較為龐雜，操作條件嚴(yán)格，導(dǎo)致投資和運(yùn)行成本比較高。但深冷法技術(shù)成熟，可得到純度極高的CO2和CH4，進(jìn)一步冷卻即可得到液化生物甲烷，具有廣闊的研究前景[30]。

2.5膜分離法

膜分離法原理是利用各氣體組分在膜表面的吸附能力不同，溶解、擴(kuò)散速率不同，在膜兩側(cè)分壓差的推動(dòng)下，大部分CO2等組分和少量的CH4透過(guò)膜壁進(jìn)入滲透?jìng)?cè)分離出去，大部分CH4在高壓側(cè)作為生物天然氣輸出。早在20世紀(jì)70年代膜分離法就用于氣體分離，1984年瑞士采用美國(guó)Prism膜分離器對(duì)垃圾填埋氣進(jìn)行提純，處理量為300 m3·h-1，可將其中 CH4含量從50%提高至90%。適合沼氣提純的有聚酰亞胺膜、聚砜膜和醋酸纖維素膜，后者耐水性不佳，使用過(guò)程中需要嚴(yán)格脫水，沼氣提純膜元件使用中空纖維、螺旋卷類型的較多，封套式較少。沼氣提純膜分離技術(shù)有兩套基本的膜分離系統(tǒng)：氣體滲透模塊系統(tǒng)和氣液膜分離系統(tǒng)。對(duì)于氣體滲透模塊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在第一階段的時(shí)候，CH4含量最高能達(dá)到92%，但是如果經(jīng)過(guò)多級(jí)膜處理后，CH4含量最高會(huì)超過(guò)96%。沼氣氣液膜分離提純技術(shù)是近年才發(fā)展起來(lái)的，對(duì)CO2的去除非常有效，特別是采用堿性溶液的膜系統(tǒng)，能夠在第一階段中將55%CH4含量的沼氣純化到CH4含量96%以上[31]。

單級(jí)(段)膜分離的甲烷回收率過(guò)低，而三級(jí)膜分離過(guò)程中循環(huán)氣量大，能耗較高，所以沼氣提純主要采用二級(jí)(Two-stage)或二段(Two-step)膜分離工藝，甲烷回收率可以提高到95%以上[32](工藝流程見(jiàn)圖1～圖3)。

圖1　二段(Two-step)膜分離工藝

圖2　二級(jí)(Two-stage)膜分離工藝

圖3　三級(jí)(Three-stage)膜分離工藝

分離前，沼氣應(yīng)干燥和精脫硫，在氣體進(jìn)入膜之前，還需分離粉塵和氣溶膠。目前應(yīng)用于沼氣純化的膜存在塑化和老化等問(wèn)題，亟需通過(guò)改良現(xiàn)有膜材料和研發(fā)新型膜材料打破現(xiàn)有Robeson上限，提高膜的抗塑化能力和機(jī)械強(qiáng)度，提高膜分離系統(tǒng)處理量和分離性能。甲烷損失過(guò)大，膜系統(tǒng)與其他氣體分離技術(shù)的耦合優(yōu)勢(shì)尚未發(fā)揮，研發(fā)同步分離多組分的氣體膜分離工藝將是未來(lái)發(fā)展熱點(diǎn)。通過(guò)軟件模擬膜分離過(guò)程和設(shè)計(jì)膜分離系統(tǒng)，達(dá)到同步脫除H2S和N2等雜質(zhì)，簡(jiǎn)化預(yù)處理，能夠進(jìn)一步降低膜法分離成本，從而增強(qiáng)膜法的競(jìng)爭(zhēng)力[33]。

2.6變壓吸附法(PSA)

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(shí)現(xiàn)分離氣體成分的一種方法。吸附材料在該技術(shù)中起到關(guān)鍵的作用，一般采用不同類型的活性炭、沸石、硅膠、氧化鋁和分子篩作為吸附材料。不同的吸附材料對(duì)沼氣的純化效果各不相同[34]。Aloso-Vicario A[35]等研究過(guò)5A和13X分子篩以及天然沸石對(duì) H2S 的去除率和對(duì)沼氣的提純效果，試驗(yàn)結(jié)果表明在三者中，天然沸石是最好的吸附材料。于潔比較5A和13X分子篩以及硅膠對(duì)CH4/CO2的分離效果，研究結(jié)果表明在0.7 MPa壓力下， 3種吸附材料中，5A分子篩對(duì)CO2的吸附效果最明顯，提純后的沼氣中CH4含量可達(dá)到 90%～92%[36]。趙玉杰等采用自制的 CMS-Ta碳分子篩和A型分子篩分別提純沼氣，提純后沼氣中CH4體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到 90%和96%。Delgado[37]等采用海泡石制備變壓吸附劑，提純后沼氣中CH4體積分?jǐn)?shù)在97%以上。目前，以活性炭和分子篩為主的碳基吸附劑，在研究沼氣提純方面經(jīng)常被使用。近年來(lái)出現(xiàn)的一些新型吸附材料，如有序介孔材料、胺修飾吸附劑和金屬框架物(MOFs)對(duì) CO2具有很高吸附選擇性，應(yīng)用前景廣闊，而且 MOFs被認(rèn)為是在 CO2分離方面最具潛力[38-39]。

沼氣中含有雜質(zhì)，如硫化氫和水會(huì)吸附在吸附材料上或損壞吸附材料的結(jié)構(gòu)，影響提純效果，提純前要去除硫化氫和液態(tài)水。

2.7不同方法的比較

水洗法優(yōu)勢(shì)：提純后甲烷含量高，甲烷損失小，無(wú)需精脫硫;劣勢(shì)：投資大，操作費(fèi)用高，易生長(zhǎng)微生物引起塔堵，提純后需要進(jìn)行干燥處理。溶劑物理吸收法(碳酸丙烯酯)優(yōu)勢(shì)：提純后甲烷含量高，無(wú)需精脫硫；劣勢(shì)：溶劑揮發(fā)性大，損失大。溶劑化學(xué)吸收法(醇胺法)優(yōu)勢(shì)：提純后甲烷含量高，甲烷損失??；劣勢(shì)：投資大，能耗大，易發(fā)泡，有腐蝕性。深冷法優(yōu)勢(shì)：提純后甲烷含量高，甲烷損失小，能得到液化生物甲烷；劣勢(shì)：投資和操作費(fèi)用高，能耗高。膜分離法優(yōu)勢(shì)：提純后甲烷含量高，可靠，操作簡(jiǎn)單，投資小，可得到純二氧化碳;劣勢(shì)：甲烷回收率稍低，可選擇的膜有限，每小時(shí)處理量較小。變壓吸附法優(yōu)勢(shì)：提純后甲烷含量高，能耗低，耐受一定的雜質(zhì)，每小時(shí)處理量適應(yīng)范圍較大；劣勢(shì)：投資和操作費(fèi)用較高，過(guò)程控制較多，傳統(tǒng)的變壓吸附裝置甲烷損失較多。

3　沼氣提純技術(shù)的應(yīng)用

3.1國(guó)內(nèi)應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)在化學(xué)吸收、變壓吸附等技術(shù)領(lǐng)域已開(kāi)發(fā)有可商業(yè)化應(yīng)用的提純?cè)O(shè)備，變壓吸附法、水洗法和化學(xué)吸收法由于設(shè)備和技術(shù)工藝比較成熟，在沼氣提純領(lǐng)域的市場(chǎng)份額超過(guò)90%。國(guó)內(nèi)已建成多個(gè)沼氣提純生物天然氣示范項(xiàng)目，如煙臺(tái)雙塔4萬(wàn)m3沼氣提純項(xiàng)目、龍口煙臺(tái)環(huán)能公司3萬(wàn)m3沼氣提純車用燃?xì)馐痉俄?xiàng)目、南陽(yáng)天冠10萬(wàn)m3沼氣提純項(xiàng)目等。與世界先進(jìn)水平相比，中國(guó)在基礎(chǔ)研究、設(shè)備成套化開(kāi)發(fā)方面還有一定的差距，特別是在適合國(guó)內(nèi)大量中小規(guī)模沼氣工程應(yīng)用的成套化提純?cè)O(shè)備的研發(fā)方面，開(kāi)展的工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2015年，我國(guó)沼氣發(fā)展進(jìn)入轉(zhuǎn)型升級(jí)期，國(guó)家重點(diǎn)支持建設(shè)規(guī)?；锾烊粴忭?xiàng)目，2015年全國(guó)建設(shè)25個(gè)，2016年全國(guó)建設(shè)22個(gè)，沼氣提純生物天然氣技術(shù)迎來(lái)新的發(fā)展契機(jī)，項(xiàng)目要求日產(chǎn)天然氣10000 m3以上，每小時(shí)處理沼氣量應(yīng)在700 m3以上，水洗、化學(xué)吸收和變壓吸附技術(shù)能滿足項(xiàng)目要求。四川某公司研發(fā)的沼氣提純專用吸附劑，解決了變壓吸附法甲烷損失大的缺點(diǎn)，進(jìn)一步降低了運(yùn)行成本，甲烷回收率超過(guò)99%，CH4含量97%～99%，能夠滿足沼氣提純的要求。該技術(shù)已在貴州省茅臺(tái)生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)示范園生物天然氣及生物

表3　沼氣提純方法技術(shù)參數(shù)比較

注：CH4含量指提純后生物天然氣中甲烷的體積百分?jǐn)?shù)，耗電量指處理每立方米沼氣(甲烷含量55%～70%)所需電量，不含其它耗能，如耗熱量、耗冷量。

肥項(xiàng)目上應(yīng)用(2015年生物天然氣試點(diǎn)項(xiàng)目之一)[40]。

3.2國(guó)外應(yīng)用

3.2.1沼氣提純?cè)跉W洲的發(fā)展

近年來(lái)，沼氣提純生物天然氣技術(shù)在國(guó)外快速發(fā)展，特別是在歐洲應(yīng)用較為普遍，截至2014年12月31日，國(guó)際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì)歐洲有17240座沼氣工程，有367家沼氣提純工廠，比2013年增長(zhǎng)了23%，總的處理能力為每小時(shí)提純31萬(wàn) m3沼氣。2014年德國(guó)新增了87個(gè)沼氣提純工廠，增速最快，其次是瑞典和美國(guó)，盡管瑞典生物天然氣消費(fèi)量小，但在提純技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用方面是全世界的領(lǐng)跑者，特別在交通運(yùn)輸中，瑞典有5萬(wàn)輛汽車使用生物甲烷。沼氣提純?cè)谡託馑欣梅绞降谋壤?，瑞典最高，?7%，其次是瑞士和挪威，均為40%。歐洲沼氣提純生物天然氣工廠分布見(jiàn)圖4(IEA 2014年12月統(tǒng)計(jì))。

圖4　歐洲沼氣提純生物天然氣工廠分布圖

3.2.2沼氣不同提純技術(shù)的應(yīng)用

沼氣不同提純技術(shù)的應(yīng)用方面，2014年12月，IEA統(tǒng)計(jì)了歐洲國(guó)家、美國(guó)、韓國(guó)、巴西等37個(gè)任務(wù)國(guó)的428個(gè)沼氣提純生物天然氣工廠：采用水洗法有152個(gè)，占35.5%；其次是溶劑化學(xué)吸收法和膜分離法，均為88個(gè)，均占20.6%；變壓吸附72個(gè)，占16.8%。瑞典采用加壓水洗技術(shù)提純沼氣占比最高，為70%，德國(guó)采用變壓吸附法更為廣泛[41]。

圖5　沼氣不同提純技術(shù)應(yīng)用比例

4　結(jié)論與展望

甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，全球溫室效應(yīng)氣體20%來(lái)自甲烷，沼氣提純生物天然氣可高值化利用沼氣，有效減少沼氣工程因沼氣利用不充分而排空，進(jìn)一步降低碳排放。生物天然氣是一種可再生的替代能源，因此，沼氣提純生物天然氣具有環(huán)保和能源雙重效益，發(fā)展前景廣闊。

水洗法、溶劑化學(xué)吸收、膜分離法和變壓吸附法在國(guó)內(nèi)、外都是較為成熟的提純技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多，各自具有不同的技術(shù)特點(diǎn)，可根據(jù)需要選擇，如處理沼氣量較小可選擇膜分離法，處理沼氣量較大，可選擇能耗較小的變壓吸附法。

沼氣提純生物天然氣的發(fā)展除了技術(shù)進(jìn)步和裝置提升外，還應(yīng)有財(cái)政和稅收方面的政策支持來(lái)刺激其發(fā)展，財(cái)政補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠政策應(yīng)從終端產(chǎn)品給予支持，可參考瑞典政府對(duì)沼氣提純車用生物天然氣的一系列的優(yōu)惠政策：免征能源稅，H2S排放稅和CO2排放稅；減收氣體燃料的車輛使用稅；購(gòu)買生物天燃?xì)馄嚳上硎苷?gòu)車補(bǔ)貼，部分區(qū)域免交擁堵費(fèi)和停車費(fèi)等。

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A Review on Research and Application of Biogas Upgrading Technologies in China and Abroad /

RAN Yi1， CAI Ping1， HUANG Jia-hu2， WANG Chao1， TANG Xiao-yu1， WANG Bin2/

(1. Biogas Research Institute of the Ministry of Agriculture The Center for Biogas Products & Equipments Quality of the Ministry of Agriculture, Chengdu 610041,China； 2. Sichuan Honghu Science and Technology Group Co Ltd，Chengdu 610026, China)

Biogas upgrading to bio-methane is a method of high-value-utilization for biogas, which can effectively decrease greenhouse effect caused by biogas discharge without full use of it in some biogas projects, and so it is beneficial for both environmental protection and energy sources. This paper introduced technical index of both biogas and bio-methane, and summarized the technical features and research progress of six types of biogas purification technology. The technical parameters as well as advantages and disadvantages of those technologies were compared. Their application and development in both China and abroad were analyzed.

China and abroad； Biogas； Upgrading； Biomethane； Technologies； Application

2016-08-18

項(xiàng)目來(lái)源： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)； 農(nóng)業(yè)部財(cái)政專項(xiàng)(12016213011101)

冉毅(1983-)，男，工程師，主要從事沼氣產(chǎn)品及設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)及生物質(zhì)能源研究，E-mail：ranyi123@163.com

黃家鵠， E-mail：huangjiagu@vip.163.com

S216.4

A

1000-1166(2016)05-0061-06