白紅春， 孫 清， 葛 慧， 郭志強， 楊 林

(1.中節(jié)能咨詢有限公司， 北京 100082； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866)

我國生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

白紅春1， 孫 清2， 葛 慧1， 郭志強1， 楊 林1

(1.中節(jié)能咨詢有限公司， 北京 100082； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866)

生物天然氣是沼氣通過凈化提純后得到的綠色、低碳、清潔環(huán)保的可再生燃?xì)?，與常規(guī)天然氣成分、熱值等基本一致。它的使用為傳統(tǒng)沼氣產(chǎn)業(yè)開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，提高了傳統(tǒng)沼氣工程的經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)了沼氣工程運營的持續(xù)性和穩(wěn)定性，具有廣闊的市場前景。文章分析了我國生物天然氣產(chǎn)業(yè)政策的發(fā)展現(xiàn)狀，指出現(xiàn)有政策側(cè)重于項目建設(shè)環(huán)節(jié)，缺乏終端產(chǎn)品利用鼓勵政策；對不同類型的沼氣提純技術(shù)進(jìn)行了對比，從不同角度分析了各類技術(shù)的優(yōu)缺點；通過分析原料供應(yīng)市場和我國天然氣市場現(xiàn)狀，闡述了當(dāng)前生物天然氣產(chǎn)業(yè)面臨的市場機遇與挑戰(zhàn)，以期為我國生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定的借鑒。

生物天然氣； 提純； 沼氣； 天然氣

生物天然氣是指以畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、城鎮(zhèn)生活垃圾、工業(yè)有機廢棄物等為原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵和凈化提純后與常規(guī)天然氣成分、熱值等基本一致的綠色低碳清潔環(huán)?？稍偕?xì)鈁1]。生物天然氣熱值高，可作為車用燃?xì)馐褂?，也可并入天然氣管網(wǎng)，作為工業(yè)或居民燃?xì)馐褂?，擴(kuò)大了傳統(tǒng)沼氣的使用領(lǐng)域，提高了沼氣工程的收益，促進(jìn)了沼氣工程運營的持續(xù)性和穩(wěn)定性。另一方面，將生物天然氣壓縮成車用燃料(CNG)，相對汽油和柴油等化石能源，使用生物天然氣不僅可以降低汽車尾氣排放造成的空氣污染，而且溫室氣體的凈排放量減少75%～200%[2]，在資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)方面作用顯著。

目前，在世界范圍內(nèi)，瑞典、德國、瑞士等歐洲國家的生物天然氣產(chǎn)業(yè)已日趨成熟[3]。尤其是瑞典，早在1996年就開始將生物天然氣作為車用燃料使用，并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]。瑞典計劃到2020年，50%天然氣將由生物天然氣替代，預(yù)計到2060年，天然氣將完全被生物天然氣替代[3]。我國天然氣資源緊缺、市場需求大，生物天然氣產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展時期。

1 我國生物天然氣政策背景

相對于瑞典、德國等歐洲國家，我國政府對生物天然氣的關(guān)注相對較晚，但近年來，隨著國家對可再生能源開發(fā)利用的逐漸重視，生物天然氣產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了多項利好政策，大大促進(jìn)了生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2011年，國家能源局在《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中首次提出，鼓勵發(fā)展沼氣等生物質(zhì)氣體凈化提純壓縮，實現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)馍唐坊彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。自此，我國開始逐步推進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2016年10月，國家能源局發(fā)布《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出到2020年初步形成一定規(guī)模的綠色低碳生物天然氣產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)量達(dá)到80億立方米，建設(shè)160個生物天然氣示范縣和循環(huán)農(nóng)業(yè)示范縣。2017年1月，國家發(fā)展改革委 農(nóng)業(yè)部發(fā)布《全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，在其發(fā)展目標(biāo)中明確指出“十三五”期間將新建規(guī)?；锾烊粴夤こ?72個，并將“推動規(guī)模化生物天然氣工程加快建設(shè)”列為重點任務(wù)之一。

除上述規(guī)劃外，2015年至今，我國政府開始對生物天然氣產(chǎn)業(yè)實施補貼政策，大力推動生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出臺的各項政策如表1所示。

表1 我國生物天然氣產(chǎn)業(yè)政策一覽表

從上述政策可以看出，現(xiàn)階段我國政府對生物天然氣工程的建設(shè)環(huán)節(jié)較為重視，通過補貼方式減輕業(yè)主的資金壓力，補貼金額高達(dá)工程投資的40%，以引導(dǎo)社會資金投入建設(shè)生物天然氣工程。但對終端產(chǎn)品，比如在生物天然氣、沼肥的利用等方面，尚未出臺鼓勵政策。

從工程實際運行效果來看，部分工程解決了建設(shè)資金問題，但又面臨產(chǎn)品銷售問題，大部分工程運行情況并不樂觀。原因有二：一是缺乏生物天然氣收購、使用的鼓勵政策。常規(guī)天然氣供應(yīng)穩(wěn)定、成本相對較低，導(dǎo)致使用者沒有動力去購買生物天然氣。二是大部分生物天然氣生產(chǎn)成本較高，若采用與常規(guī)天然氣同樣的銷售價格，生物天然氣工程經(jīng)濟(jì)效益相對較差。

2 沼氣脫碳提純技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題

我國生物天然氣技術(shù)發(fā)展至今，尤其在沼氣提純領(lǐng)域，發(fā)展迅速，在短短的2～3年時間，涌現(xiàn)出多技術(shù)并存、多廠家競爭的市場格局。

生物天然氣工程一般可分為3大部分，即預(yù)處理及厭氧發(fā)酵單元、沼氣提純單元、沼肥生產(chǎn)單元。沼氣提純單元主要是去除沼氣中的H2S和CO2，即脫硫和脫碳，以提高沼氣中甲烷含量，達(dá)到天然氣現(xiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于沼氣工程預(yù)處理及厭氧發(fā)酵單元和沼肥生產(chǎn)單元均為傳統(tǒng)沼氣項目較為成熟的環(huán)節(jié)，在國內(nèi)有眾多研究；另外，在沼氣提純單元中，沼氣脫硫技術(shù)主要有干法、濕法和生物脫硫三類，相關(guān)研究在國內(nèi)已經(jīng)很成熟且研究較多，鑒于此，本研究將重點對提純單元的脫碳技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析。目前，我國生物天然氣領(lǐng)域應(yīng)用較多的沼氣提純技術(shù)主要有胺洗法、水洗法、PSA法和膜法。

2.1 胺洗法

胺洗法主要采用胺基溶劑，在常溫常壓下與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將CH4與CO2分離，以提高沼氣中甲烷含量。常用的胺基溶劑有油乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)和甲基二乙醇胺(MEDA)[6]。在實際應(yīng)用中，采用胺洗法的工程，往往有較高的甲烷回收率，可達(dá)到99%以上，且能耗相對較低；同時，胺洗法可吸收部分H2S，對原料沼氣中的H2S含量要求相對較低。缺點主要實施工程應(yīng)用中需定期補充胺基溶劑；另外，胺基溶液的泄露對環(huán)境會造成一定的污染。

目前，安陽中丹生物能源大型車用沼氣示范項目、甘肅富民生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司車用生物工程均采用該技術(shù)。

胺洗法適用于規(guī)模較大的沼氣提純工程(沼氣處理量達(dá)到每小時萬立方米)，相對而言，規(guī)模越大，經(jīng)濟(jì)性越好。

2.2 水洗法

水洗法根據(jù)一定壓力下不同氣體在水中的溶解度不同將CO2和CH4分離。在實際工程中，水洗法工藝甲烷回收率一般較高，可達(dá)到98%以上，能耗相對較低，也可吸收部分H2S，但需及時刮出水溶劑中的泡沫，定期補充水，同時要重視對泄露水溶劑進(jìn)行處理后排放。另外，在水溶劑再生過程中，H2S將作為廢氣排出，需對其進(jìn)行處理后排放。

目前，海南澄邁車用生物天然氣示范項目、赤峰元易生物質(zhì)科技有限公司生物天然氣產(chǎn)業(yè)化示范項目、涿州生物天然氣項目等采用了水洗工藝進(jìn)行提純。

同胺洗法一樣，水洗法也適用于規(guī)模較大的沼氣提純工程。

2.3 PSA法

PSA法即變壓吸附法。該方法根據(jù)不同壓力下吸附劑對不同氣體吸附能力的不同，實現(xiàn)沼氣中CO2和CH4的分離。常用的吸附劑有活性炭、分子篩和硅膠等[7]。PSA法占地面積小，集成度高，運輸、安裝方便，其甲烷回收率一般為95%，但需要一定的壓力，對原料氣中H2S的含量也有一定要求(一般<50 ppm),且對控制元件及閥門的精度要求較大。

目前，鞍山羊耳峪垃圾填埋場項目采用了一套處理量為每小時1500 m3沼氣的PSA提純設(shè)備。

相比于胺洗法和水洗法，PSA法較為靈活，適用于小規(guī)模(沼氣處理量為每小時百立方米)及中等規(guī)模(沼氣處理量為每小時千立方米)的沼氣提純工程。

2.4 膜法

膜提純工藝根據(jù)一定壓力下，膜材質(zhì)對不同分子的溶解度和擴(kuò)散滲透速率的不同，將CO2和CH4分離。膜材質(zhì)一般為中空纖維聚合物。

在實際應(yīng)用中，膜提純設(shè)備占地面積小、自動化程度較高，安裝方便，其甲烷回收率一般在97%以上，甚至可達(dá)99.5%。但該方法能耗相對較高，且對原料氣中H2S的含量有較高的要求(一般<10 ppm)。

目前，北京德青源沼氣工程、中廣核呼圖壁種牛場生物天然氣工程等工程采用膜提純工藝進(jìn)行沼氣提純。

膜提純工藝對于規(guī)模較小和中等規(guī)模的沼氣提純工程較為實用，相對而言，對其擴(kuò)容較易操作。

各種工藝優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 沼氣提純各種工藝比較分析

從表2可以看出，各類技術(shù)各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用上，需根據(jù)建設(shè)項目者自身的情況，比如占地面積、對回收率的要求、對產(chǎn)品中甲烷含量的要求等，來選擇相應(yīng)的技術(shù)，以達(dá)到最佳效果。

以沼氣處理量1000 m3·h-1，H2S≤15 ppm的畜禽糞污生物天然氣工程為例，當(dāng)產(chǎn)品氣(生物天然氣)要求達(dá)到CH4≥95%，CO2≤3%，H2S≤15 mg·m-3，壓力0.8～1.0 MPa，且CH4回收率≥95%時，電價按照0.5元·kWh-1計算，各種工藝投資(僅脫碳部分)及運營成本對比如表3所示。

表3 沼氣提純各種工藝經(jīng)濟(jì)性比較分析

注：1)由于實際工程采用設(shè)備的廠家、材質(zhì)均可能有差異，且競爭環(huán)境較復(fù)雜(某些廠商會采取低價競爭的策略)，因此，該投資僅供參考;2)運行成本的影響因素較多，如人工價格、電價、不同廠家設(shè)備故障率、年運行時間等各不相同，因此，實際單位成本需根據(jù)工程的具體情況進(jìn)行測算。

3 我國生物天然氣市場前景

我國可用于生產(chǎn)生物天然氣的生物質(zhì)資源豐富，原料市場供應(yīng)潛力巨大。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生約10億噸鮮糞和8億多噸農(nóng)作物秸稈，若將其未利用部分進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化，每年可生產(chǎn)約600億立方米生物天然氣[8]。

另一方面，我國對天然氣的需求量較大，給生物天然氣的發(fā)展創(chuàng)造了良好的市場條件。2015年，我國天然氣產(chǎn)量1350億立方米，同比增長5.6%；天然氣進(jìn)口量614億立方米，增長6.3%；天然氣消費量1932億立方米，增長5.7%[9]。天然氣進(jìn)口量占天然氣消費量的比例達(dá)到31.8%。如此大的市場需求將大力促進(jìn)我國生物天然氣的發(fā)展。

但是，在市場需求較大的背景下，天然氣的價格并沒有出現(xiàn)持續(xù)上升的局面，一定程度上制約了生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2015年11月，國家發(fā)改委發(fā)出《關(guān)于降低非居民用天然氣門站價格并進(jìn)一步推進(jìn)價格市場化改革的通知》(發(fā)改價格[2015]2688號)，決定將非居民用氣最高門站價格每千立方米降低700元，降低后的門站價格作為基準(zhǔn)門站價格，供需雙方可在上浮20%,下浮不限的范圍內(nèi)協(xié)商確定具體門站價格[10]。天然氣門站價格的下降勢必會影響終端銷售價格，在終端補貼及鼓勵政策未出臺之前，生物天然氣項目的經(jīng)濟(jì)性可能會下降，進(jìn)而影響整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語

近年來，國家出臺了多個利好政策，促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但目前的政策多為建設(shè)環(huán)節(jié)補貼，對終端產(chǎn)品利用的鼓勵政策尚未出臺。

我國生物天然氣領(lǐng)域應(yīng)用較多的沼氣提純技術(shù)主要有胺洗法、水洗法、PSA法和膜法。胺洗法和水洗法甲烷回收率高，能耗低，但需定期補充溶劑，并對污水排放有較高要求；PSA法和膜法集成度高，運輸安裝簡單。胺洗法和水洗法適用于規(guī)模較大的工程，而膜法和PSA膜適用于中小規(guī)模的工程。在實際應(yīng)用中，生物天然氣工程還需根據(jù)自身的特點選擇合適的技術(shù)。

我國生物天然氣原料市場供應(yīng)潛力巨大，生物天然氣市場需求量較大，但近年來，天然氣市場價格的下跌一定程度上制約了生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1] 國家能源局.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(征求意見稿)[EB/OL].http://news.bjx.com.cn/html/20160905/769407.shtml, 2016-09-05.

[2] 鄒雪娜，褚立強，徐徜徉.CO2/CH4分離膜技術(shù)在沼氣提純中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].膜科學(xué)與技術(shù),2014，43(5)，125-132.

[3] 陳 祥，梁 芳，盛奎川，等，沼氣凈化提純制取生物甲烷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程，2012，2(7)，30-34.

[4] Swedish standard.SS 15 54 38，Motor Fuels-Biogas as fuel for high-speed otto engines[S].Sverige: Standardiserings-Kommissionen, 1999.

[5] 農(nóng)業(yè)部辦公廳.關(guān)于抓緊申報2015年農(nóng)村沼氣工程中央預(yù)算內(nèi)投資計劃的通知[EB/OL].http://www.reea.agri.cn/sttzgg/201608/t20160831_5259853.htm, 2015-04-14.

[6] 黎良新.大中型沼氣工程的沼氣凈化技術(shù)研究[D].廣西：廣西大學(xué)，2007.

[7] 趙 明，劉 林.國內(nèi)外沼氣凈化提純技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2012:283-289.

[8] 開夢丹，馮連勇.生物天然氣：新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展頂梁柱[EB/OL].http://news.cnpc.com.cn/system/2016/08/16/001605710.shtml, 2016-08-16.

[9] 國家發(fā)展與改革委員會.2015年天然氣運行簡報[EB/OL].http://www.trqgy.cn/homeNews/201601/26088.html,2016-01-22.

[10] 國家發(fā)展與改革委員會.關(guān)于降低非居民用天然氣門站價格并進(jìn)一步推進(jìn)價格市場化改革的通知[EB/OL].http://www.sdpc.gov.cn/gzdt/201511/t20151118_758904.html,2015-11-18.

DevelopmentofBio-methaneIndustryinChina

BAIHong-chun1,SUNQing2,GEHui1,GUOZhi-qiang1,YANGLin1

(1.CECEPConsultingCoLtd,Beijing100082,China; 2.EngineeringCollege,ShenyangAgricultureUniversity,Shenyang110866,China)

Bio-methane is a green and clean fuel gas, produced by purification of biogas, and it nearly has the same composition and heat value with conventional natural gas.The usage of bio-methane opens up a new way for traditional biogas industry improving the economic efficiency of biogas projects.This paper analyzed the industry policies for bio-methane development in China, pointed out that existing policies focused on project construction, and was lack of encouraging policies for end-product usage.Different biogas purification technologies were compared, and the advantages and disadvantages of various technologies were analyzed from different angles.By analyzing the supply market of raw materials and the current situation of China′s natural gas market, this paper expounded the market opportunities and challenges facing the bio-methane industry

bio-methane； biogas； Natural gas

2016-12-29

2017-04-05

白紅春(1984-)，男，湖北隨州人，工程師，主要從事可再生能源技術(shù)研究與工程咨詢等工作，E-mail:beijixing8415@163.com

S216.4;TE

A

1000-1166(2017)06-0033-04