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(guó)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(wú)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(guó)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(guó)生物天然氣年產(chǎn)量將超過(guò)100億m3，到2030年，將超過(guò)200億m3。同時(shí)，國(guó)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(lái)5a～10a將迎來(lái)快速、爆發(fā)性增長(zhǎng)。多家央企、地方國(guó)企及民營(yíng)企業(yè)已關(guān)注到產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，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(guò)程中，產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)已初步形成。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

以德國(guó)、瑞典為代表的歐洲發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(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[1]。

德國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)，德國(guó)越來(lái)越重視沼氣提純并入天然氣管網(wǎng)。德國(guó)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(guó)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(guò)32mg/m3，總硫含量不超過(guò)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(guó)家[1]。

歐美各國(guó)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。科研領(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^(guò)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(yíng)商應(yīng)盡可能支持沼氣并網(wǎng)。

國(guó)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(yáng)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(yáng)天冠沼氣提純項(xiàng)目均被列入國(guó)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(yáng)天冠100000m3沼氣提純項(xiàng)目目前為國(guó)內(nèi)最大[4]。

與國(guó)外相比，我國(guó)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(guó)產(chǎn)化仍存在問(wèn)題。以杭州能源、北京盈和瑞、青島天人為代表的國(guó)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(guó)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(guò)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(wèn)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(lái)，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(guò)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(guó)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(shì)。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(guó)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(guó)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(guò)鏟車定量送到存料箱內(nèi)，通過(guò)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(guò)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?、傾斜和垂直輸送。

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(guó)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(wèn)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(guò)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(wèn)題，筆者認(rèn)為該裝備今后的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)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(guó)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(guó)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?；旌蠑嚢韫拗饕扇~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(lái)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(lái)調(diào)整?；旌蠑嚢韫薜淖饔冒ǚ鬯?、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(guó)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(wèn)題：1）目前進(jìn)口設(shè)備對(duì)國(guó)內(nèi)復(fù)雜物料的適應(yīng)性較差；2）國(guó)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(wèn)題，筆者認(rèn)為該裝備今后的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)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(zhǎng)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(cè)量技術(shù)、CFD模擬技術(shù)、電子過(guò)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(lái)的以甲烷為主要成分的燃?xì)?，目前主要指通過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)單成熟可靠，溶劑無(wú)毒無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(guò)程穩(wěn)定性高，吸附劑壽命長(zhǎng)，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(shì)。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)模可大可小，可小型化、移動(dòng)化，操作簡(jiǎn)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(shì)，被認(rèn)為是未來(lái)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(wèn)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(wèn)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(wú)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(guò)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(shì)。

針對(duì)這些問(wèn)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(shì)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(jiǎn)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(jìng)爭(zhēng)力，將是未來(lái)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(guó)內(nèi)生物天然氣技術(shù)及裝備仍處于初級(jí)階段，國(guó)外進(jìn)口設(shè)備成本高，對(duì)國(guó)內(nèi)復(fù)雜原料適應(yīng)性較差，國(guó)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(wèn)題。雖然近年來(lái)國(guó)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(wú)法滿足我國(guó)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(guó)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(guó)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。