沼氣提純制取生物天然氣的發(fā)展探討

向 軍

（中電建蘭考生物質(zhì)制氣有限公司，河南 開封 475000）

沼氣是一種多氣體混合物，其主要成分為二氧化碳和甲烷，甲烷所占比例為55%～70%，二氧化碳所占比例為30%～45%。沼氣提純制取生物天然氣指使用厭氧發(fā)酵進(jìn)行沼氣處理，經(jīng)過脫碳、脫硫、加壓及脫水等工藝之后逐漸生成天然氣，將其進(jìn)行高效使用。為了方便運(yùn)輸及儲存，將其壓縮至10～25MPa，稱之為壓縮天然氣[1]。在國外，沼氣提純制取生物天然氣相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，基本上實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建設(shè)。瑞典在全球率先使用車用壓縮天然氣，目前已經(jīng)有十多個國家完全展開了對車用生物天然氣的利用，并進(jìn)行了壓縮車用天然氣加氣站的建設(shè)。而在國內(nèi)地區(qū)，沼氣資源比較豐富，但實際使用方式卻非常傳統(tǒng)，一般方式為燒鍋爐或發(fā)電使用。近年來出現(xiàn)了非常多高產(chǎn)量沼氣工程，日產(chǎn)沼氣已經(jīng)超過企業(yè)所需量，多余沼氣一般通入鍋爐進(jìn)行不完全燃燒，甚至直接排放，最終導(dǎo)致資源浪費及環(huán)境污染[2]。在節(jié)能減排形式較為嚴(yán)峻的趨勢下，沼氣提純生物天然氣是未來資源利用的重要發(fā)展趨勢。

1 沼氣提純生物天然氣的必要性

1.1 重視度提高及政策指導(dǎo)規(guī)范化

我國能源消耗量非常大，石油化工企業(yè)在日常生產(chǎn)及管理中針對能源問題及環(huán)境問題已經(jīng)制定了相關(guān)應(yīng)對措施。在臭氧層、酸雨及溫室效應(yīng)嚴(yán)重加劇的情況下，我國提高了沼氣提純技術(shù)的利用率。近年來，我國已經(jīng)推出促進(jìn)社會可了持續(xù)發(fā)展及國民經(jīng)濟(jì)中針對能源再生結(jié)構(gòu)及利用形式的改革政策，同時提高了能源清潔化發(fā)展的重視度?！短烊粴饫谜摺吩诒恢饾u落實后，國內(nèi)很多企業(yè)已經(jīng)針對天然氣分布發(fā)表了相關(guān)指導(dǎo)性文件，論證了天然氣在我國未來發(fā)展中的重視度在不斷提高。另外，沼氣提純制取生物天然氣具有較高的價值及意義，生物天然氣為清潔性非常高的能源類氣體，具備循環(huán)及環(huán)保性等多項功能，成本相比于其他能源較低。目前，我國制取技術(shù)已經(jīng)非常成熟，同時對其副產(chǎn)品使用率也較高，這對我國未來能源發(fā)展價值的提升具有重要意義。2019年底國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局等十部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》支持生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相信在未來將會有更多的政策出臺指導(dǎo)生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使其更加規(guī)?；?、規(guī)范化。

1.2 溫室效應(yīng)加劇能源減少

隨著全球溫室效應(yīng)不斷加重，氣候變暖是所有國家發(fā)展過程中必須面對并重視的重難點問題。2007—2009年我國已經(jīng)針對能源減少及氣候變化等相關(guān)項目開展了相關(guān)研究，研究結(jié)果得出全球溫室氣體中的甲烷所占比例較大，占比為20%。沼氣處理中的污染問題若不能被妥善處理，將會繼續(xù)加重溫室效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。若通過沼氣提純技術(shù)制取生物天然氣6萬m3/d，那么每年溫室氣體中將減少45.8萬t的二氧化碳排放量，因此，通過沼氣提純技術(shù)制取生物天然氣在我國能源節(jié)約及環(huán)境保護(hù)中能夠起到非常重要的作用。

1.3 企業(yè)競爭力不斷加強(qiáng)

國內(nèi)外市場經(jīng)濟(jì)競爭力的不斷提升讓我國市場經(jīng)濟(jì)增長速度逐漸加快，成本是現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)競爭力提升的重點內(nèi)容。除此之外，政府相關(guān)政策及補(bǔ)貼工作的不完善，讓企業(yè)生產(chǎn)利益逐漸變小。使用沼氣提純制取天然氣技術(shù)能夠?qū)⑵髽I(yè)生產(chǎn)成本降低，并不斷提升市場經(jīng)濟(jì)效益。將產(chǎn)品附加價值提升，這是企業(yè)競爭力提升的最佳方式[3]。

2 沼氣提純制取生物天然氣的可行性分析

2.1 政策方面

我國相關(guān)政策中體現(xiàn)了對沼氣提純項目的重視度，在能源開發(fā)及建設(shè)計劃中已針對生物天然氣及生物質(zhì)能發(fā)電相關(guān)工作提出了具體要求。同時，國家還制定了沼氣提純項目補(bǔ)貼計劃，部分地區(qū)已經(jīng)按照2500元/m3的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了落實，這對于推動國內(nèi)生物天然氣企業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。除此以外，在銷售沼氣、天然氣等相關(guān)產(chǎn)品時，政府還制定了相關(guān)稅務(wù)優(yōu)惠政策，此舉也推動了沼氣提純技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。

2.2 技術(shù)方面

國內(nèi)生物天然氣提純技術(shù)起步時間比較晚，與發(fā)達(dá)國家相比還很滯后。而在歐洲相關(guān)國家生物天然氣提純技術(shù)應(yīng)用效率非常高，例如，德國及瑞典等國家，已經(jīng)將通過沼氣提純制取的生物天然氣占比調(diào)整為占總能源的10%。沼氣提純制取技術(shù)內(nèi)容非常豐富，其中包含的技術(shù)類型也較多，很多企業(yè)已經(jīng)將這類技術(shù)與企業(yè)未來的發(fā)展方向相結(jié)合。其中，沼氣提純制取技術(shù)中的加壓水系技術(shù)及變壓吸附技術(shù)是使用率非常高的兩種技術(shù)，在市場上已經(jīng)被多家企業(yè)使用。在國內(nèi)發(fā)展中，沼氣提純技術(shù)為一項新技術(shù)，主要施工工藝包括脫硫技術(shù)、脫水技術(shù)及脫碳技術(shù)等，在凈化項目及氨氣合成中已經(jīng)對這幾類技術(shù)進(jìn)行了充分使用。其中，在應(yīng)用脫硫技術(shù)時經(jīng)常會使用干法及濕法這兩種方式，此外，在脫硫過程中還會使用膜分離技術(shù)、變壓吸附技術(shù)及加壓水洗技術(shù)。目前，這幾類技術(shù)已非常成熟，能夠被大型沼氣工程所使用，且工程經(jīng)驗較多，具備非常高的市場價值。對于脫水技術(shù)而言，一般在我國加氣母站中會設(shè)置脫水裝置，采用物理吸附脫水方式進(jìn)行處理，從工程整體應(yīng)用上進(jìn)行分析，此類技術(shù)已經(jīng)能夠在大規(guī)模沼氣提純制取生物天然氣項目中進(jìn)行使用，且在市場實際發(fā)展中具備非常高的可行性。

3 沼氣提純技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用

3.1 國內(nèi)企業(yè)對沼氣提純技術(shù)的應(yīng)用

目前，相關(guān)領(lǐng)域已有效使用了化學(xué)吸附及變壓吸附等方式，并引進(jìn)了商業(yè)化設(shè)備。水洗法、PSA變壓吸附技術(shù)、化學(xué)吸收法因為在技術(shù)及相關(guān)工藝上具備非常強(qiáng)的可行性，使沼氣提純領(lǐng)域在市場上所占據(jù)的比例已高于90%，故以上相關(guān)技術(shù)及工藝受到了國內(nèi)多數(shù)企業(yè)的歡迎并應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)。我國已開展了沼氣提純生物天然氣的相關(guān)項目，例如，煙臺雙塔進(jìn)行了4萬m3沼氣提純項目的建設(shè)，龍口煙臺環(huán)能公司開展了3萬m3沼氣提純車用燃?xì)馐痉俄椖俊Ｅc世界較為先進(jìn)的沼氣提純水平相比，我國不僅在技術(shù)研究及設(shè)備成套化研究上存在非常大的差距，國內(nèi)大量中小型企業(yè)所使用的沼氣工程成套提純項目與國際相比也存在非常大的差異。2015年沼氣發(fā)展進(jìn)入發(fā)展及轉(zhuǎn)型過程中，國家開始大規(guī)模支持生物天然氣項目。其中，2015年完成的項目為25個，2016年完成的項目為22個。沼氣提純制取生物天然氣在近年來發(fā)展中不僅有了新的發(fā)展機(jī)遇，同時也面臨每天生產(chǎn)超1萬m3天然氣及每小時處理沼氣超700m3的巨大工作量，因此項目實施中的水洗技術(shù)、變壓吸附技術(shù)及化學(xué)吸收技術(shù)水平等必須與實際發(fā)展相吻合。四川某一企業(yè)在沼氣提純項目開發(fā)中，使用專用吸附劑進(jìn)行研發(fā)，已經(jīng)解決吸附過程中損失大量甲烷的問題，這一研發(fā)能夠降低企業(yè)投資成本，并使甲烷回收率高于99%，完全符合沼氣提純的基本需求。

3.2 國外企業(yè)對沼氣提純技術(shù)的應(yīng)用

（1）歐洲國家沼氣發(fā)展歷史。在國外，沼氣提純生物天然氣技術(shù)已經(jīng)得到廣泛使用，歐洲國家非常重視此技術(shù)的發(fā)展。2014年國際能源署對歐洲國家沼氣工程項目建設(shè)數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計，其中沼氣工程高達(dá)300多個，與2013年相比，增長率為23%。在處理過程中，沼氣提純已經(jīng)達(dá)到31萬m3/h。2014年德國根據(jù)企業(yè)實際發(fā)展，已經(jīng)增加了87個沼氣提純工廠，增長速度非?？?，其次為美國與瑞典這兩個國家，雖然瑞典的生物天然氣消耗量比較小，但提純技術(shù)在應(yīng)用及研究過程中已經(jīng)成為世界領(lǐng)先國家，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，尤其是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，瑞典已經(jīng)有5萬多輛汽車開始使用生物甲烷。

（2）不同沼氣提純技術(shù)的使用。實際使用中的不同沼氣提純技術(shù)能夠體現(xiàn)不同使用效果，對歐洲國家、美國、韓國、巴西等37個國家的400多個沼氣提純生物天然氣工廠所使用的提純技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果顯示：水洗法的應(yīng)用比例較大，為35.5%，國家數(shù)量為152；膜分離法及化學(xué)吸收法所占比例為20.6%，國家數(shù)量為88個；PSA變壓吸附法所占實際比例為16.8%，國家數(shù)量為72。瑞典沼氣提純生物天然氣使用率最高的技術(shù)為加壓水系技術(shù)，此技術(shù)應(yīng)用比例為70%。德國在項目建設(shè)中，對PSA變壓吸附法有著更為廣泛的使用。全球溫室效應(yīng)中的氣體有20%來自甲烷，甲烷帶來的溫室效應(yīng)與二氧化碳相比，為二氧化碳的21倍。沼氣提純制取天然氣能夠?qū)φ託膺M(jìn)行高效使用，具備較強(qiáng)的環(huán)保效能及能源效能，發(fā)展前景較為廣闊。國外現(xiàn)階段所使用的較為成熟的沼氣提純技術(shù)為PSA變壓吸附法、水洗法及化學(xué)吸收法、膜分離法。其還能夠根據(jù)實際情況進(jìn)行技術(shù)選擇，例如沼氣量比較小時，則使用膜分離法；若處理的沼氣量比較大時，則使用能源消耗量較小的變壓吸附法。

4 結(jié)束語

綜上，因為天然氣資源在實際發(fā)展中的應(yīng)用比例非常高，成本較低，并且具備較強(qiáng)的環(huán)境保護(hù)能力，所以天然氣資源在市場上所占的比例將會得到不斷提升。相關(guān)部門對我國2020年天然氣作為汽車主要能源來源的應(yīng)用比例進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)計天然氣作為汽車能源使用的數(shù)量將會達(dá)到千萬輛。與此同時，我國加氣站數(shù)量也會隨著汽車能源使用出現(xiàn)的變化不斷增加，這也能夠提升沼氣提純制取生物天然氣的市場價值。在今后發(fā)展過程中，相關(guān)企業(yè)需要不斷研究及發(fā)展提純制取技術(shù)，在確保天然氣純度的基礎(chǔ)上降低企業(yè)提純成本，推動企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。