生物天然氣工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

王利軍

（中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司，山東濟(jì)南，250000）

傳統(tǒng)意義上的沼氣工程在我國(guó)已經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，在政策法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)裝備以及管理體系上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但同時(shí)也存在著沼氣發(fā)電低值化、綜合利用率低、沼渣沼液利用接受度低等問(wèn)題。相比沼氣工程，生物天然氣的本質(zhì)區(qū)別是規(guī)模化、工業(yè)化和商業(yè)化，是一種新型的全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)作模式，因此深入研究厭氧發(fā)酵工藝、沼氣提純工藝、有機(jī)肥生產(chǎn)裝備，對(duì)于生物天然氣工程的順利實(shí)施、投產(chǎn)達(dá)標(biāo)以及行業(yè)快速健康發(fā)展具有重要意義。

國(guó)家能源局《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，加快生物天然氣示范和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。選擇有機(jī)廢棄物資源豐富的種植養(yǎng)殖大縣，以縣為單位建立產(chǎn)業(yè)體系，開(kāi)展生物天然氣示范縣建設(shè)，推進(jìn)生物天然氣技術(shù)進(jìn)步和工程建設(shè)現(xiàn)代化。建立原料收集保障和沼液沼渣有機(jī)肥利用體系，建立生物天然氣輸配體系，形成并入常規(guī)天然氣管網(wǎng)、車(chē)輛加氣、發(fā)電等多元化消費(fèi)模式。到2020年，生物天然氣年產(chǎn)量達(dá)到80億m3，建設(shè)160個(gè)生物天然氣示范縣。

近年來(lái)，國(guó)家大力推進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目建設(shè)，要求設(shè)計(jì)日產(chǎn)氣1萬(wàn)m3生物天然氣或2萬(wàn)m3沼氣以上，容積產(chǎn)氣率超過(guò)1.2，設(shè)計(jì)年發(fā)酵設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)超過(guò)7 000 h。建設(shè)示范化項(xiàng)目首先是為了突破厭氧發(fā)酵、攪拌和提純技術(shù)，提升工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)水平；其次是為了探索出一條集投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和服務(wù)的新型商業(yè)模式；同時(shí)能夠在傳統(tǒng)沼氣行業(yè)基礎(chǔ)上，建立健全生物天然氣政策體系和管理體系。

基于實(shí)際建設(shè)的生物天然氣工程來(lái)看，目前單位投資在 7 500～12 000 萬(wàn)元/萬(wàn) m3·d，距離 2026年要求單位投資達(dá)到4 500萬(wàn)元/萬(wàn)m3·d的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)，因此需要從系統(tǒng)全流程進(jìn)行深入研究分析，從參數(shù)計(jì)算、設(shè)備選型、系統(tǒng)配置等方面逐一比選優(yōu)化，結(jié)合運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)反饋，解決項(xiàng)目建設(shè)成本高、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用高、容積產(chǎn)氣率低、提純分離效率低等問(wèn)題，為提升項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)性提供理論依據(jù)。

1 項(xiàng)目研究

1.1 工藝技術(shù)介紹

生物天然氣生產(chǎn)工藝流程主要分為原料預(yù)處理系統(tǒng)、厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、沼氣凈化及提純系統(tǒng)、固液分離系統(tǒng)、有機(jī)肥生產(chǎn)系統(tǒng)、沼液存儲(chǔ)系統(tǒng)、其他配套系統(tǒng)等，生物天然氣生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。

1.2 沼氣產(chǎn)量測(cè)算

目前生物天然氣工程常用的原料主要有玉米秸稈（黃貯/青貯）、豬糞、牛糞等，原料在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)分析后，測(cè)定出含固率和有機(jī)質(zhì)含量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于計(jì)算沼氣產(chǎn)量。以某地區(qū)原料數(shù)據(jù)為例，計(jì)算如表1所示。

圖1 生物天然氣生產(chǎn)工藝流程圖

表1 沼氣產(chǎn)量測(cè)算表

結(jié)合測(cè)算數(shù)據(jù)，本工程設(shè)計(jì)沼氣規(guī)模為42000Nm3/d。

1.3 原料預(yù)處理系統(tǒng)

1.3.1 秸稈預(yù)處理技術(shù)分析

秸稈與畜禽糞便物理特性不同，秸稈的有機(jī)成分以纖維素和半纖維素為主，在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，木質(zhì)纖維素很難被厭氧微生物直接降解，導(dǎo)致產(chǎn)氣率低、易結(jié)塊等問(wèn)題。采用合理的預(yù)處理技術(shù)，可以低成本并有效地改變秸稈的物理結(jié)構(gòu)，提高厭氧發(fā)酵效率。主要技術(shù)包括物理、化學(xué)和生物方法，分析比較如表2所示。

表2 秸稈預(yù)處理技術(shù)分析表

綜合對(duì)比分析，由于物理研磨法技術(shù)、設(shè)備成熟可靠，而且處理后能充分提高發(fā)酵效率，因此在實(shí)際工程運(yùn)用時(shí)推薦采用物理法。

1.3.2 進(jìn)料方式對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料可以由螺旋輸送機(jī)或皮帶送至厭氧發(fā)酵罐，但是受輸送機(jī)或皮帶角度限制，輸送高度有限，無(wú)法滿(mǎn)足大型發(fā)酵罐需求，因此，近年來(lái)出現(xiàn)勻漿池+泵進(jìn)料和混合勻漿泵進(jìn)料兩種方式。勻漿池+泵進(jìn)料方式，是在發(fā)酵罐前設(shè)置勻漿池，由攪拌器攪拌均勻后通過(guò)泵送至厭氧發(fā)酵罐?；旌蟿驖{泵進(jìn)料方式是采用特殊的混合輸送泵將原料送入?yún)捬醢l(fā)酵罐內(nèi)，混合輸送泵有兩個(gè)進(jìn)料口，同時(shí)接收秸稈和畜禽糞便漿液，并在泵體內(nèi)進(jìn)行混合和輸送過(guò)程，該泵通常采用進(jìn)口設(shè)備（表3）。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目，目前對(duì)進(jìn)料系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，因此采用混合勻漿泵進(jìn)料方式比較可靠，能有效避免輸送泵堵塞等問(wèn)題。

表3 進(jìn)料方式對(duì)比分析表

1.4 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)

1.4.1 厭氧發(fā)酵罐形式分析

厭氧發(fā)酵罐是生物天然氣工程核心設(shè)備之一，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品通常采用鋼制焊接罐體，國(guó)外產(chǎn)品采用預(yù)制混凝土拼接罐體，通過(guò)實(shí)際投產(chǎn)項(xiàng)目運(yùn)行效果來(lái)看，鋼制焊接罐體存在產(chǎn)氣率較低、容易堵塞、施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題，因此預(yù)制混凝土拼接罐體具有明顯優(yōu)勢(shì)，預(yù)制混凝土板模具根據(jù)工程設(shè)計(jì)容量，通常在設(shè)備廠加工好，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑，拼裝容積大，建設(shè)周期短，施工難度低。相比鋼制罐體，混凝土罐體最大的優(yōu)點(diǎn)在于防腐蝕性能好，設(shè)備壽命長(zhǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。同時(shí)，罐體頂部常常裝有雙膜儲(chǔ)氣柜，形成發(fā)酵和儲(chǔ)氣一體化裝置，既能解決冬季儲(chǔ)氣裝置水封防凍的問(wèn)題，又能節(jié)約單獨(dú)設(shè)置儲(chǔ)氣裝置的費(fèi)用和占地面積。

1.4.2 厭氧發(fā)酵工藝對(duì)比

首先需要確定厭氧發(fā)酵基本工藝，當(dāng)前生物天然氣工程常用的基本工藝有兩種：完全混合厭氧反應(yīng)發(fā)酵工藝（CSTR）和高濃度升流式厭氧污泥床發(fā)酵工藝（USR）。

CSTR采用帶有攪拌漿的罐式反應(yīng)器，通過(guò)攪拌使物料與菌種充分混合均勻，在罐體內(nèi)設(shè)置加熱盤(pán)管，罐體外做好保溫，維持物料反應(yīng)溫度，具有較高的產(chǎn)氣率。USR工藝采用上流式污泥床原理，罐內(nèi)不設(shè)置機(jī)械攪拌，產(chǎn)氣率偏低，通常只有0.4～1.2。

CSTR發(fā)酵工藝有以下特點(diǎn)。

（1）機(jī)械攪拌促使物料與微生物充分混合反應(yīng)，且適用于高濃度物料；

（2）采用產(chǎn)氣儲(chǔ)氣一體化技術(shù)，相比傳統(tǒng)分體式工藝節(jié)省占地面積10%～20%，降低造價(jià)10%～15%；

（3）發(fā)酵罐頂儲(chǔ)氣囊通入適量氧氣，可去除沼氣中大部分的H2S，預(yù)脫硫降低了后續(xù)沼氣凈化裝置的處理，降低設(shè)備投資。

其次需要確定厭氧發(fā)酵溫度工藝，根據(jù)厭氧菌的生活形態(tài)，一般分為中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵兩種，分析比較見(jiàn)表4。

表4 厭氧發(fā)酵溫度對(duì)比分析表

通過(guò)對(duì)比分析，中溫發(fā)酵雖然殺菌效果差，但是在后續(xù)有機(jī)肥生產(chǎn)工序里可以通過(guò)二次殺菌，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理目標(biāo)，綜合項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)效益，通常選用能耗較低的中溫發(fā)酵工藝，項(xiàng)目啟動(dòng)初期，利用小型熱水鍋爐作為熱源，機(jī)組正常啟動(dòng)后利用CHP發(fā)電機(jī)組及換熱器，將CHP機(jī)組余熱轉(zhuǎn)換為二次需要的溫度，為發(fā)酵罐供熱，通常供回水溫度為60/40℃，以確保罐內(nèi)35～38℃的發(fā)酵溫度。

1.4.3 厭氧發(fā)酵罐攪拌方式對(duì)比

攪拌設(shè)備對(duì)厭氧發(fā)酵效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性及項(xiàng)目收益至關(guān)重要，工程中常見(jiàn)的攪拌方式有頂置攪拌、側(cè)攪拌和射流攪拌，但是實(shí)際運(yùn)行效果存在較大差距，分析對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 攪拌方式對(duì)比分析表

罐內(nèi)浮渣和積砂問(wèn)題是影響厭氧發(fā)酵效率的因素，因此需要選用攪拌效率高、不易形成浮渣的設(shè)備，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看，頂置可升降式攪拌機(jī)適合大型發(fā)酵罐，且攪拌效果好。

1.5 沼氣凈化提純系統(tǒng)

1.5.1 沼氣凈化工藝分析

沼氣凈化主要是進(jìn)行脫硫處理，將H2S從沼氣中分離。目前常見(jiàn)的工藝有干法脫硫、濕法脫硫和生物脫硫，工藝原理及投資、運(yùn)行費(fèi)用比較見(jiàn)表6。

表6 沼氣脫硫工藝對(duì)比分析表

綜合以上對(duì)比分析可知，由于濕法脫硫成本高，實(shí)際工程可采用罐內(nèi)生物粗脫硫+干法脫硫工藝，既能保證脫硫效率，又能大幅降低沼氣凈化成本。

1.5.2 沼氣提純工藝分析

沼氣提純主要是對(duì)沼氣進(jìn)行脫碳處理，將沼氣中的CO2脫除，可以提高甲烷體積分?jǐn)?shù)和沼氣熱值，經(jīng)過(guò)有效提純后的沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)可達(dá)95%以上。目前主流的沼氣提純技術(shù)主要有變壓吸附法（PSA）、膜分離法、物理吸收法、化學(xué)吸收法和低溫分離法，各方法工藝原理及運(yùn)行效果對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 沼氣提純工藝對(duì)比分析表

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，工程實(shí)施中可采用工藝技術(shù)成熟、占地面積小、甲烷損失率低的膜法分離技術(shù)或變壓吸附法，能對(duì)沼氣進(jìn)行有效脫碳，達(dá)到生物天然氣標(biāo)準(zhǔn)，可以直接并入城鎮(zhèn)天然氣門(mén)站，也可經(jīng)過(guò)壓縮作為CNG進(jìn)行外銷(xiāo)，保證項(xiàng)目收益。

1.6 有機(jī)肥加工系統(tǒng)

物料經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼渣、沼液，利用固液分離機(jī)進(jìn)行分離，沼渣作為固體有機(jī)肥原料，沼液作為液體有機(jī)肥原料。

固體有機(jī)肥生產(chǎn)先經(jīng)過(guò)堆肥發(fā)酵，殺滅有害微生物和寄生蟲(chóng)，再經(jīng)過(guò)造粒生產(chǎn)，以便運(yùn)輸銷(xiāo)售。液體有機(jī)肥生產(chǎn)經(jīng)過(guò)自動(dòng)熬合、攪拌、過(guò)濾和罐裝工序，形成濃度高、易儲(chǔ)存的產(chǎn)品進(jìn)行外銷(xiāo)或還田。

2 結(jié)論與建議

生物天然氣項(xiàng)目在我國(guó)目前處于起步階段，大多數(shù)設(shè)計(jì)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范仍然是參考現(xiàn)有的沼氣工程規(guī)范，具有很大的局限性和滯后性，因此需要在大量工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，不斷總結(jié)、完善工藝路線，研究出適合生物天然氣工程的先進(jìn)技術(shù)和方法，完善原料、產(chǎn)品、裝備、工程質(zhì)量等一系列認(rèn)證體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，促進(jìn)這一新型產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。

德國(guó)在沼氣及生物天然氣技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，一直處于世界領(lǐng)先水平，我國(guó)需要多方借鑒一些先進(jìn)的發(fā)展理念。首先應(yīng)該完善政策支持，中國(guó)地大物博，需要地方政府積極響應(yīng)中央號(hào)召，因地制宜制定產(chǎn)業(yè)激勵(lì)政策，例如天然氣銷(xiāo)售補(bǔ)貼、減少碳排放量補(bǔ)貼、低利息貸款建設(shè)資金支持等。其次，需要消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)原料情況，加大國(guó)產(chǎn)設(shè)備研發(fā)力度，特別是發(fā)酵罐、凈化提純、沼氣發(fā)電機(jī)組的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。最后，要形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，從原料收儲(chǔ)運(yùn)，到天然氣銷(xiāo)售、固體及液體有機(jī)肥銷(xiāo)售，打通產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)項(xiàng)目多方位經(jīng)濟(jì)增收。