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(tuán)有限公司，廣東 深圳 518048；2.中國電建集團(tuán)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(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》標(biāo)志著國家將加快生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐，根據(jù)指導(dǎo)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(shí)，國家能源局關(guān)于生物天然氣產(chǎn)業(yè)后補(bǔ)貼政策即將出臺(tái)。一系列法規(guī)政策的出臺(tái)預(yù)示著，生物天然氣產(chǎn)業(yè)將逐步進(jìn)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(guān)注到產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢，并積極參與到項(xiàng)目投資運(yùn)維、工程施工、工藝集成、設(shè)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(dá)國家，沼氣應(yīng)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(yīng)用技術(shù)、相關(guān)政策和管理體系等方面走在了世界前列。各國沼氣應(yīng)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(yīng)用，工程技術(shù)較成熟，自動(dòng)化程度高，已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。據(jù)國際能源署統(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(dāng)于總發(fā)電量的3.4%[2]。德國沼氣領(lǐng)域取得的成就源于其先進(jìn)的技術(shù)設(shè)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(jìn)行預(yù)處理，避免沼氣中雜質(zhì)氣體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，在沼氣提純技術(shù)上也處于世界先進(jìn)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(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，至2020年建成12000個(gè)沼氣能源工程，生物天然氣年產(chǎn)量達(dá)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(jìn)的國家，擁有先進(jìn)的沼氣純化技術(shù)。瑞典所頒布沼氣車用燃料標(biāo)準(zhǔn)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(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家[1]。

歐美各國已具備實(shí)現(xiàn)沼氣提純并網(wǎng)的各項(xiàng)條件，其中荷蘭最具代表性?？蒲蓄I(lǐng)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(shù)。在工程應(yīng)用中，荷蘭使用特殊高效微?？諝膺^濾器HEPA阻止微量元素進(jìn)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?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)營商應(yīng)盡可能支持沼氣并網(wǎng)。

國內(nèi)目前已建成多個(gè)沼氣提純生物天然氣示范項(xiàng)目，如煙臺(tái)雙塔40000m3沼氣提純項(xiàng)目、龍口煙臺(tái)環(huán)能公司30000m3沼氣提純車用燃?xì)馐痉俄?xiàng)目、南陽天冠100000m3沼氣提純項(xiàng)目等，目前運(yùn)轉(zhuǎn)良好，產(chǎn)品氣供給車用或燃?xì)夤芫W(wǎng)。煙臺(tái)雙塔和南陽天冠沼氣提純項(xiàng)目均被列入國家科技支撐計(jì)劃“管道并網(wǎng)高純生物燃?xì)饧夹g(shù)集成研究與模式示范”項(xiàng)目。南陽天冠100000m3沼氣提純項(xiàng)目目前為國內(nèi)最大[4]。

與國外相比，我國沼氣應(yīng)用和研究起步較晚，沼氣工程關(guān)鍵核心設(shè)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(shè)備生產(chǎn)制造企業(yè)，其生產(chǎn)設(shè)備在國內(nèi)外雖已有較多工程應(yīng)用，但在原料預(yù)處理、厭氧發(fā)酵攪拌、發(fā)酵罐施工建造等方面，在項(xiàng)目運(yùn)行過程中仍存在原料預(yù)處理不徹底、發(fā)酵罐結(jié)殼、產(chǎn)氣效率不達(dá)標(biāo)等問題，整體水平仍偏低。

2 生物天然氣工藝技術(shù)及裝備

針對(duì)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(shù)方案和系統(tǒng)構(gòu)成都會(huì)有所區(qū)別，但歸納起來，主要由原材料存儲(chǔ)及預(yù)處理進(jìn)料系統(tǒng)、厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、沼氣存儲(chǔ)系統(tǒng)、固液分離系統(tǒng)、沼液存儲(chǔ)系統(tǒng)、沼氣凈化提純系統(tǒng)、CNG 壓縮系統(tǒng)、有機(jī)肥生產(chǎn)系統(tǒng)等8個(gè)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(jī)廢棄物進(jìn)行均質(zhì)攪拌后進(jìn)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(jìn)行固液分離，分離的固態(tài)沼渣加工成固態(tài)有機(jī)肥，分離的液態(tài)沼液一部分加工成液態(tài)有機(jī)肥，另一部分作為普通沼液肥進(jìn)入沼液儲(chǔ)存池儲(chǔ)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(fēng)機(jī)、管道、結(jié)構(gòu)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(xiàng)目的要求進(jìn)行定制，包括移動(dòng)進(jìn)料機(jī)、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(xiàng)目建設(shè)的投資占比較高，且對(duì)項(xiàng)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(jìn)口產(chǎn)品相比，在價(jià)格、交貨期和售后服務(wù)等方面更具性價(jià)比和優(yōu)勢。專用裝備方面，包括移動(dòng)進(jìn)料機(jī)、混合攪拌罐、沼氣凈化提純等，國內(nèi)設(shè)備的整體穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較差，進(jìn)口設(shè)備雖然運(yùn)行穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性較佳，但造價(jià)昂貴，對(duì)國內(nèi)復(fù)雜原料適應(yīng)性較差。

3 生物天然氣核心裝備產(chǎn)業(yè)化方向

3.1 移動(dòng)進(jìn)料機(jī)

圖2（b）為移動(dòng)進(jìn)料機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。移動(dòng)進(jìn)料機(jī)主要由存料箱、推料裝置、絞龍、滾柱、液壓系統(tǒng)、電機(jī)、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(dá)出料口，絞龍和上端松料滾柱裝置一并旋轉(zhuǎn)，使物料蓬松，通過絞龍螺旋輸送至出料口，然后進(jìn)入混合攪拌罐。移動(dòng)進(jìn)料機(jī)適用于顆?；蚍蹱钗锪系乃健A斜和垂直輸送。

圖2 移動(dòng)進(jìn)料機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

移動(dòng)進(jìn)料機(jī)國內(nèi)外供應(yīng)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(jìn)料設(shè)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(jìn)入進(jìn)料箱；2）該設(shè)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(duì)這些問題，筆者認(rèn)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(gè)方面：1）嘗試將物料粉碎設(shè)備加裝在進(jìn)料設(shè)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(dòng)進(jìn)料機(jī)的關(guān)鍵部件，進(jìn)口產(chǎn)品都設(shè)置了相關(guān)專利壁壘，國內(nèi)廠商應(yīng)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適配國內(nèi)物料的推料裝置；3）設(shè)備模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和集成化，如存料箱采用集裝箱式；4）開發(fā)原料適應(yīng)性更廣的進(jìn)料設(shè)備，滿足不同屬性的原料輸送。

3.2 混合攪拌罐

攪拌設(shè)備使用歷史悠久，大量應(yīng)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(shè)備作為反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)原料的混合、傳熱、傳質(zhì)、反應(yīng)等功能，該類攪拌設(shè)備也叫做反應(yīng)釜。攪拌操作按作用方式可分為機(jī)械攪拌和氣流攪拌2種。工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的是機(jī)械攪拌設(shè)備，生物天然氣生產(chǎn)中采用的就是這種攪拌設(shè)備。

混合攪拌罐的結(jié)構(gòu)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(dòng)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(jìn)行物料的混合。設(shè)備采用密封結(jié)構(gòu)，常壓狀態(tài)運(yùn)行。攪拌時(shí)間、進(jìn)料間隔、日進(jìn)料量都均可以輸入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并根據(jù)運(yùn)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(shí)間，工程實(shí)踐表明，添加該套設(shè)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(jié)殼，影響產(chǎn)氣。

圖3 混合攪拌罐結(jié)構(gòu)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(lǐng)域做得比較好的相對(duì)較少，普遍存在以下問題：1）目前進(jìn)口設(shè)備對(duì)國內(nèi)復(fù)雜物料的適應(yīng)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(jìn)口產(chǎn)品存在一定差距。

針對(duì)這些問題，筆者認(rèn)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(gè)方面：1）優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升對(duì)復(fù)雜物料的適應(yīng)性；2）改進(jìn)零部件的結(jié)構(gòu)、材料和工藝，提高攪拌效率，延長使用壽命；3）向機(jī)電一體化、智能化方向發(fā)展；4）各類新技術(shù)的應(yīng)用：LDV/PIV測量技術(shù)、CFD模擬技術(shù)、電子過程斷層成像技術(shù)、混沌混合技術(shù)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(zhuǎn)化而來的以甲烷為主要成分的燃?xì)?，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(guān)研究表明，2種燃?xì)庀嗷ヌ鎿Q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(dá)到天然氣的水平，因此沼氣提純的第一要?jiǎng)?wù)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(shí)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(shí)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(xué)吸收法

用CO2與溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(jìn)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(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。

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(kuò)散速率不同，實(shí)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(shí)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(shù)發(fā)達(dá)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(jìn)。如圖4，水洗提純工藝占比最大，達(dá)到約41%，溶劑化學(xué)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(yīng)用比例

上述沼氣提純方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：水洗法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)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(diǎn)是能耗較高（0.2kWh/m3～0.3kWh/m3），運(yùn)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(diǎn)是溶劑使用量少，甲烷回收率高，裝置占地小，缺點(diǎn)是需要補(bǔ)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(xué)吸收法的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境壓力運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)是甲烷回收率高，產(chǎn)品純度高，缺點(diǎn)是低溫過程功耗比較大；膜分離法的優(yōu)點(diǎn)是操作彈性大，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，動(dòng)設(shè)備少，產(chǎn)品純度高，模塊化設(shè)計(jì)，自動(dòng)化程度高，缺點(diǎn)是能耗較高（0.18kWh/m3～0.33kWh/m3），甲烷損失率較高（約0.5%～2%），設(shè)備一次投資高；變壓吸附法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，易于維護(hù)，不需溶劑，不需補(bǔ)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(diǎn)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(jié)合項(xiàng)目電價(jià)、產(chǎn)品氣價(jià)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(duì)比分析后選用最合適的工藝，以達(dá)到最大的項(xiàng)目收益。其中，膜分離技術(shù)憑借設(shè)備緊湊，占地面積小，處理規(guī)?？纱罂尚?，可小型化、移動(dòng)化，操作簡單靈活，可連續(xù)也可以間斷運(yùn)行，維修保養(yǎng)容易，不使用化學(xué)試劑和水，不會(huì)造成環(huán)境污染等優(yōu)勢，被認(rèn)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(shù)，但是現(xiàn)階段膜分離技術(shù)還存在下列問題：1）現(xiàn)有的沼氣提純有機(jī)高分子材料存在膜的塑化和老化、機(jī)械強(qiáng)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(shí)際應(yīng)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(shí)具備較大的氣體滲透系數(shù)和較高的選擇性，這是一對(duì)矛盾，為此需要在膜材料、氣體分離技術(shù)等方面取得突破，打破現(xiàn)有Robeson上限，；3）單級(jí)膜分離的甲烷損失量過大，膜分離技術(shù)如何與其他氣體分離技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

針對(duì)這些問題，筆者認(rèn)為膜分離技術(shù)今后的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化趨勢主要集中在以下幾個(gè)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(yù)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(jìn)一步降低膜法分離成本，從而增強(qiáng)膜法競爭力，將是未來發(fā)展熱點(diǎn)；4）尋找新的制備膜的高性能高分子纖維材料。

4 結(jié)論

生物天然氣產(chǎn)業(yè)核心裝備在生物天然氣項(xiàng)目建設(shè)的投資占比較高，且對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)能的影響較大。截至目前，國內(nèi)生物天然氣技術(shù)及裝備仍處于初級(jí)階段，國外進(jìn)口設(shè)備成本高，對(duì)國內(nèi)復(fù)雜原料適應(yīng)性較差，國產(chǎn)設(shè)備整體技術(shù)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(duì)沼氣轉(zhuǎn)型升級(jí)和規(guī)?；锾烊粴忭?xiàng)目進(jìn)行重點(diǎn)扶持，但整個(gè)行業(yè)技術(shù)水平有待進(jìn)一步提高，以當(dāng)前處理能力和技術(shù)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)?；锾烊粴饧杉夹g(shù)與核心裝備國產(chǎn)化應(yīng)用研究，建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)和裝備水平，滿足新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)新需求。