沼氣與城鎮(zhèn)燃?xì)饩C合利用的可行性探討

宿州中燃城市燃?xì)獍l(fā)展有限公司 寇玉林 張陽東 盧鐵玲

宿州市農(nóng)村農(nóng)業(yè)局 高 飛

安徽省宿州市是宿淮城市組群的區(qū)域中心城市之一，襟連沿海、背倚中原，是安徽省的北大門。全市常住人口568.14萬人，其中埇橋區(qū)人口180萬人，轄15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、11個(gè)街道辦事處、325個(gè)行政村、43個(gè)社區(qū)，是國內(nèi)人口最多的市轄區(qū)(縣級(jí))；全市平均城市化率40%左右。伴隨著國家“氣代煤”政策的大力推廣，宿州城市化建設(shè)的迅速提升和鄉(xiāng)鎮(zhèn)燃?xì)馐袌龅脑鲩L，多種氣源方式和非常規(guī)氣源的開發(fā)是解決城鎮(zhèn)燃?xì)鈿庠淳o張問題的有利方向。

1 沼氣項(xiàng)目概況

沼氣是一些有機(jī)物質(zhì)(如秸稈、雜草、樹葉、人畜糞便等廢棄物)在一定的溫度、濕度、酸度條件下，隔絕空氣，經(jīng)微生物作用(發(fā)酵)而產(chǎn)生的可燃性氣體。沼氣在自然界可再生，屬于可再生能源。

沼氣的生產(chǎn)是甲烷菌在厭氧環(huán)境中產(chǎn)生的。沼氣的產(chǎn)量因菌種、菌株、菌群和環(huán)境、濕度、溫度的不同，產(chǎn)量會(huì)有波動(dòng)；沼氣是多種氣體的混合物，一般含甲烷50%～70%，其余為二氧化碳和少量的氮、氫和硫化氫等。其特性與天然氣相似，是優(yōu)質(zhì)的非常規(guī)氣源。

宿州市是農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖大市，鄉(xiāng)鎮(zhèn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)秸稈等有機(jī)質(zhì)回收量巨大，是生產(chǎn)沼氣的良好資源。

宿州市埇橋區(qū)與泗縣的相關(guān)沼氣企業(yè)和中燃公司，聯(lián)合探討了沼氣和城鎮(zhèn)燃?xì)饫玫恼n題；共同在宿州市埇橋區(qū)朱仙莊鎮(zhèn)進(jìn)行“沼氣和天然氣開發(fā)利用研發(fā)試點(diǎn)項(xiàng)目”，針對(duì)沼氣和天然氣聯(lián)合供氣可行性試點(diǎn)，并逐步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探討沼氣綜合利用的新途徑。

泗縣某沼氣項(xiàng)目，規(guī)劃建設(shè)日產(chǎn)10萬m3沼氣，包括5 000 m3厭氧反應(yīng)器12臺(tái)，3 000 m3柔性儲(chǔ)氣柜2臺(tái)，沼氣生物脫硫凈化系統(tǒng)1套，沼氣發(fā)電系統(tǒng)和提純系統(tǒng)各1套，沼液處理系統(tǒng)1套，有機(jī)肥生產(chǎn)系統(tǒng)1套及相應(yīng)的配套設(shè)施和輔助用房等。項(xiàng)目利用畜禽糞便和秸稈，進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣、沼渣和沼液；再用沼氣發(fā)電，沼渣制取固體有機(jī)肥，沼液制取水溶性葉面肥，變廢為寶，形成生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈；清除畜禽糞便污染，為養(yǎng)殖業(yè)長期、健康、穩(wěn)定發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障，為廣大農(nóng)村貧困居民通過發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)達(dá)到脫貧致富提供保障，為徹底解決宿州市的畜禽糞污染對(duì)養(yǎng)殖業(yè)的制約積累經(jīng)驗(yàn)。

埇橋區(qū)的規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)主要分布在灰古、朱仙莊、蘆嶺鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園和循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)，上述園區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)已基本覆蓋，具備與沼氣生產(chǎn)設(shè)施互聯(lián)互通的基礎(chǔ)設(shè)施。

2 沼氣摻混天然氣使用的互換性

2.1 宿州天然氣利用現(xiàn)狀

宿州中燃宿固路門站具備PNG、CNG、LNG、LPG/Air(空混氣)等多氣源聯(lián)合供氣能力和運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)，但上游省天然氣公司管網(wǎng)輸氣能力的限制，氣源緊張和應(yīng)急調(diào)峰能力不足，仍是城市燃?xì)馄髽I(yè)必須面對(duì)的問題。

隨著宿州市城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，天然氣的用戶和用量也日益增加。目前宿州市現(xiàn)最大日供氣量32萬m3，年銷氣量7 000萬m3以上，應(yīng)急氣源和調(diào)峰能力相對(duì)不足；另一方面，隨著大中規(guī)模養(yǎng)殖場的興起，禽畜糞便、工業(yè)廢水等難以處理。如果能利用人畜糞便、工業(yè)廢水等制取沼氣，與管網(wǎng)天然氣、LNG等進(jìn)行摻混，作為調(diào)峰氣源使用，不但能增加一種城鎮(zhèn)氣源，還實(shí)現(xiàn)了廢物利用，響應(yīng)了國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的國策。相比于其他非常規(guī)氣源，我市沼氣資源原料來源豐富，發(fā)展?jié)摿薮?，可以循環(huán)利用，規(guī)?？纱罂尚?。根據(jù)這些特點(diǎn)和優(yōu)勢，將其與其他燃?xì)鈸交炖?，可以彌補(bǔ)天然氣的消費(fèi)缺口，作為燃?xì)庹{(diào)峰的手段和實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)籌發(fā)展。

2.2 沼氣摻混天然氣使用的互換性

重慶大學(xué)做過課題研究，將沼氣組分簡化為60% CH4和 40%CO2，以不同的比例與重慶天然氣摻混后進(jìn)行燃燒特性實(shí)驗(yàn)，包括測試燃燒火焰特性、熱效率、熱負(fù)荷和煙氣成分等各項(xiàng)指標(biāo)。研究結(jié)果表明：當(dāng)沼氣的摻混比例不超過16%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)都在國家標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)[1]。

據(jù)此，將沼氣摻混進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目的上線定為10%，沼氣混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)后的生物天然氣應(yīng)符合NB/T 10136－2019《生物天然氣產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對(duì)應(yīng)GB/T 13611－2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴芬?guī)定的10T天然氣的二類氣的標(biāo)準(zhǔn)，即甲烷物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)至少為95%，其他應(yīng)為二氧化碳、氧氣、硫化物以及其他雜質(zhì)等。

3 沼氣與城鎮(zhèn)燃?xì)饫梅桨?/h2>

宿州市埇橋區(qū)朱仙莊鎮(zhèn)某養(yǎng)殖企業(yè)，采取沼氣直供方式，對(duì)周邊200余戶居民用戶供氣，實(shí)際使用住戶100戶左右。但是因企業(yè)調(diào)峰儲(chǔ)氣不足，以及冬季沼氣產(chǎn)量過低，所以致使沼氣用戶發(fā)展規(guī)模受限。現(xiàn)受宿州農(nóng)業(yè)局和中燃公司委托，來論證城鎮(zhèn)燃?xì)夂驼託饴?lián)合供氣和沼氣混入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的可行性。

3.1 城鎮(zhèn)燃?xì)夂驼託獾蛪郝?lián)合供氣

城鎮(zhèn)燃?xì)夂驼託獾蛪郝?lián)合供氣方案如圖 1所示。平時(shí)鄉(xiāng)村管網(wǎng)采用沼氣低壓直供方式，用氣高峰時(shí)，城鎮(zhèn)燃?xì)馔ㄟ^小型文丘里混氣裝置混合30%空氣后，調(diào)壓至沼氣低壓管網(wǎng)，由此保證沼氣用戶冬季的正常用氣。

圖1 城鎮(zhèn)燃?xì)夂驼託獾蛪郝?lián)合供氣

其中，小型文丘里混氣裝置是以文丘里管引射空氣的方式將天然氣與空氣按定比例混合后向用戶供氣的裝置。裝置包括文丘里混氣裝置、噴射嘴壓力調(diào)壓器、混合調(diào)節(jié)器、空氣吸引單向閥、空氣總閥、混合罐、燃?xì)鉁p壓閥、壓力計(jì)、三通閥等裝置。小型文丘里混氣裝置單體分30 m3/h和100 m3/h兩種規(guī)格。

低壓管網(wǎng)供氣方案適用于日產(chǎn)氣量1 000 m3、最大小時(shí)供氣200～500 m3的中、小型養(yǎng)殖企業(yè)；同時(shí)建議配置1 000～3 000 m3雙膜儲(chǔ)氣柜，用于緩沖和儲(chǔ)存沼氣，保障用戶穩(wěn)定用氣。

本方案可以滿足200～300戶的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小區(qū)或新農(nóng)村建設(shè)的用氣需求。它的優(yōu)點(diǎn)是僅有低壓一級(jí)供氣管網(wǎng)，不設(shè)立用戶端調(diào)壓器，依靠儲(chǔ)氣設(shè)施維持管網(wǎng)壓力和系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)營和維護(hù)工作量較?。幌鄬?duì)于濕式螺旋氣柜和干式氣柜，本方案采用的雙膜儲(chǔ)氣柜投資小，建設(shè)工期短，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

3.2 城鎮(zhèn)燃?xì)夂驼託庵袎郝?lián)合供氣

城鎮(zhèn)燃?xì)夂驼託庵袎郝?lián)合供氣方案如圖 2所示。采用沼氣中壓B兩級(jí)管網(wǎng)供氣方式，沼氣站產(chǎn)生的沼氣加壓后進(jìn)入中壓B管網(wǎng)，產(chǎn)氣高峰和用氣低峰時(shí)，可以適量進(jìn)入鄉(xiāng)鎮(zhèn)中壓A管網(wǎng)，總摻入量控制在10%以內(nèi)；沼氣產(chǎn)氣量不足時(shí)，采用小型文丘里混氣裝置，混合30%空氣后減壓至中壓B管網(wǎng)。這樣能保障沼氣用戶高峰時(shí)段和冬季正常用氣。

圖2 城鎮(zhèn)燃?xì)夂驼託庵袎郝?lián)合供氣

該方案適用于日產(chǎn)氣量5 000～50 000 m3，小時(shí)供氣2 000～5 000 m3的大、中型養(yǎng)殖企業(yè)；沼氣企業(yè)需建設(shè)雙膜儲(chǔ)氣柜、濕式螺旋氣柜和干式氣柜，經(jīng)壓縮機(jī)加壓輸入中壓管網(wǎng)，或按最大10%的比例摻混，進(jìn)入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)。

本方案中沼氣系統(tǒng)儲(chǔ)氣設(shè)施完備，中壓管網(wǎng)供氣更加穩(wěn)定，可以全面回收沼氣企業(yè)的產(chǎn)氣量，最大可以滿足5 000～10 000戶的中心鎮(zhèn)區(qū)規(guī)模的用氣需求。同時(shí)也有利于將來與城市燃?xì)庵鞴芫W(wǎng)的置換和對(duì)接。

4 沼氣與城市燃?xì)饩C合利用

4.1 沼氣提純及液化工程

沼氣提純是指由生產(chǎn)裝置產(chǎn)出后經(jīng)過凈化裝置，除去水分、二氧化碳、硫化氫等，成為凈化沼氣。經(jīng)過水露點(diǎn)檢測儀和氣相色譜分析儀進(jìn)行檢測分析合格，基本符合GB/T 13611－2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴芬?guī)定的12T一類氣的標(biāo)準(zhǔn)。然后可通過調(diào)壓、計(jì)量、加臭后直接進(jìn)入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)，或者經(jīng)LNG液化儲(chǔ)備后由LNG撬車外運(yùn)或氣化后輸入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。流程如圖3所示。

圖3 沼氣提純及液化流程

本方案適合與 LNG儲(chǔ)備站聯(lián)合建設(shè)，便于產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)。但由于沼氣凈化、提純設(shè)備和 LNG液化、儲(chǔ)存設(shè)施投資較大，操作管理復(fù)雜，建議由專業(yè)燃?xì)鈨?chǔ)運(yùn)企業(yè)建設(shè)、管理。

4.2 沼氣作為燃?xì)獍l(fā)電

沼氣發(fā)電項(xiàng)目是隨著大型沼氣池建設(shè)和沼氣綜合利用的發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)。它將厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生的沼氣用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，并裝有綜合發(fā)電裝置，因此，它是產(chǎn)生電能和熱能的新興能源項(xiàng)目。

沼氣發(fā)電也是沼氣綜合利用的重要方式之一。沼氣發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)難度較高，項(xiàng)目前期投資較大，同時(shí)對(duì)運(yùn)營管理的技術(shù)要求較高。鑒于電網(wǎng)對(duì)發(fā)電穩(wěn)定性要求較高，因此需要有足夠的沼氣發(fā)酵原料好和穩(wěn)定的氣源產(chǎn)量。

相對(duì)城市電網(wǎng)，燃?xì)夤芫W(wǎng)的調(diào)峰能力較強(qiáng)。就目前而言，中小型沼氣企業(yè)和城燃企業(yè)合作空間較大，發(fā)展前景較為樂觀。

5 項(xiàng)目實(shí)施的可行性分析

朱仙莊鎮(zhèn)試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了沼氣的回收和利用，避免了資源浪費(fèi)和甲烷CH4等溫室氣體的排放。宿州市是農(nóng)業(yè)城市，養(yǎng)殖業(yè)排放和農(nóng)村秸稈資源豐富，沼氣項(xiàng)目的開發(fā)，有助于解決鄉(xiāng)村的環(huán)境問題，改善、提升村民生活質(zhì)量，具有較高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)收益。

沼氣接入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)，相對(duì)于沼氣發(fā)電項(xiàng)目，市場和經(jīng)濟(jì)效益較為突出，具備在市場環(huán)境下，產(chǎn)能逐步提升、經(jīng)濟(jì)循環(huán)和持續(xù)發(fā)展的條件?？梢韵绕谟糜谑袇^(qū)周邊灰古、蘆嶺、朱仙莊等鎮(zhèn)區(qū)居民和商戶使用，獲得局部使用經(jīng)驗(yàn)后，全市范圍內(nèi)逐步推廣。至于沼氣的凈化和提純項(xiàng)目，以及 LNG的液化、儲(chǔ)存，是沼氣利用項(xiàng)目的發(fā)展方向，有助于大型沼氣項(xiàng)目規(guī)模效益。

6 結(jié)語

沼氣是非化石燃料，屬于可再生的清潔能源。沼氣接入天然氣管網(wǎng)的供氣方案，是新興的合作供氣模式，環(huán)保效益和綜合收益明顯。同時(shí)，沼氣作為非傳統(tǒng)氣源的開發(fā)，不僅城市燃?xì)馄髽I(yè)氣源引進(jìn)提供了新的思路，也為沼氣的生產(chǎn)提供了穩(wěn)定的銷售渠道。當(dāng)然，在此過程中，還需考慮到沼氣的生產(chǎn)因菌種、菌群的不同，產(chǎn)量還受到環(huán)境、濕度、溫度條件的影響，產(chǎn)氣量存在波動(dòng)等因素，尤其是要平衡生物沼氣的連續(xù)生產(chǎn)和城市燃?xì)獾姆骞炔?，這些都是需要養(yǎng)殖企業(yè)和燃?xì)夤倦p方共同解決的問題。