宿州中燃城市燃氣發(fā)展有限公司 寇玉林 張陽東 盧鐵玲

宿州市農村農業(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個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、11個街道辦事處、325個行政村、43個社區(qū)，是國內人口最多的市轄區(qū)(縣級)；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，宿州城市化建設的迅速提升和鄉(xiāng)鎮(zhèn)燃氣市場的增長，多種氣源方式和非常規(guī)氣源的開發(fā)是解決城鎮(zhèn)燃氣氣源緊張問題的有利方向。

1 沼氣項目概況

沼氣是一些有機物質(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，經微生物作用(發(fā)酵)而產生的可燃性氣體。沼氣在自然界可再生，屬于可再生能源。

沼氣的生產是甲烷菌在厭氧環(huán)境中產生的。沼氣的產量因菌種、菌株、菌群和環(huán)境、濕度、溫度的不同，產量會有波動；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)質的非常規(guī)氣源。

宿州市是農業(yè)和養(yǎng)殖大市，鄉(xiāng)鎮(zhèn)養(yǎng)殖和農業(yè)秸稈等有機質回收量巨大，是生產沼氣的良好資源。

宿州市埇橋區(qū)與泗縣的相關沼氣企業(yè)和中燃公司，聯(lián)合探討了沼氣和城鎮(zhèn)燃氣利用的課題；共同在宿州市埇橋區(qū)朱仙莊鎮(zhèn)進行“沼氣和天然氣開發(fā)利用研發(fā)試點項目”，針對沼氣和天然氣聯(lián)合供氣可行性試點，并逐步總結經驗，探討沼氣綜合利用的新途徑。

泗縣某沼氣項目，規(guī)劃建設日產10萬m3沼氣，包括5 000 m3厭氧反應器12臺，3 000 m3柔性儲氣柜2臺，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，有機肥生產系統(tǒng)1套及相應的配套設施和輔助用房等。項目利用畜禽糞便和秸稈，進行厭氧發(fā)酵，產生沼氣、沼渣和沼液；再用沼氣發(fā)電，沼渣制取固體有機肥，沼液制取水溶性葉面肥，變廢為寶，形成生態(tài)循環(huán)農業(yè)產業(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)展提供強有力的保障，為廣大農村貧困居民通過發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)達到脫貧致富提供保障，為徹底解決宿州市的畜禽糞污染對養(yǎng)殖業(yè)的制約積累經驗。

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)的農業(yè)產業(yè)園和循環(huán)經濟園區(qū)，上述園區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域城鎮(zhèn)燃氣管網已基本覆蓋，具備與沼氣生產設施互聯(lián)互通的基礎設施。

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)合供氣能力和運營管理經驗，但上游省天然氣公司管網輸氣能力的限制，氣源緊張和應急調峰能力不足，仍是城市燃氣企業(yè)必須面對的問題。

隨著宿州市城鎮(zhèn)化進程的加快，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，應急氣源和調峰能力相對不足；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，與管網天然氣、LNG等進行摻混，作為調峰氣源使用，不但能增加一種城鎮(zhèn)氣源，還實現(xiàn)了廢物利用，響應了國家可持續(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)這些特點和優(yōu)勢，將其與其他燃氣摻混利用，可以彌補天然氣的消費缺口，作為燃氣調峰的手段和實現(xiàn)城鄉(xiāng)建設統(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行燃燒特性實驗，包括測試燃燒火焰特性、熱效率、熱負荷和煙氣成分等各項指標。研究結果表明：當沼氣的摻混比例不超過16%時，各項指標都在國家標準允許的范圍內[1]。

據(jù)此，將沼氣摻混進入城市燃氣管網試驗項目的上線定為10%，沼氣混入城鎮(zhèn)燃氣管網后的生物天然氣應符合NB/T 10136－2019《生物天然氣產品質量標準》規(guī)定，對應GB/T 13611－2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》規(guī)定的10T天然氣的二類氣的標準，即甲烷物質的量分數(shù)至少為95%，其他應為二氧化碳、氧氣、硫化物以及其他雜質等。

3 沼氣與城鎮(zhèn)燃氣利用方案

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，對周邊200余戶居民用戶供氣，實際使用住戶100戶左右。但是因企業(yè)調峰儲氣不足，以及冬季沼氣產量過低，所以致使沼氣用戶發(fā)展規(guī)模受限。現(xiàn)受宿州農業(yè)局和中燃公司委托，來論證城鎮(zhèn)燃氣和沼氣聯(lián)合供氣和沼氣混入城鎮(zhèn)燃氣管網的可行性。

3.1 城鎮(zhèn)燃氣和沼氣低壓聯(lián)合供氣

城鎮(zhèn)燃氣和沼氣低壓聯(lián)合供氣方案如圖 1所示。平時鄉(xiāng)村管網采用沼氣低壓直供方式，用氣高峰時，城鎮(zhèn)燃氣通過小型文丘里混氣裝置混合30%空氣后，調壓至沼氣低壓管網，由此保證沼氣用戶冬季的正常用氣。

圖1 城鎮(zhèn)燃氣和沼氣低壓聯(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、噴射嘴壓力調壓器、混合調節(jié)器、空氣吸引單向閥、空氣總閥、混合罐、燃氣減壓閥、壓力計、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。

低壓管網供氣方案適用于日產氣量1 000 m3、最大小時供氣200～500 m3的中、小型養(yǎng)殖企業(yè)；同時建議配置1 000～3 000 m3雙膜儲氣柜，用于緩沖和儲存沼氣，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)或新農村建設的用氣需求。它的優(yōu)點是僅有低壓一級供氣管網，不設立用戶端調壓器，依靠儲氣設施維持管網壓力和系統(tǒng)運行，系統(tǒng)運營和維護工作量較??；相對于濕式螺旋氣柜和干式氣柜，本方案采用的雙膜儲氣柜投資小，建設工期短，具有較強的經濟性和實用性。

3.2 城鎮(zhèn)燃氣和沼氣中壓聯(lián)合供氣

城鎮(zhèn)燃氣和沼氣中壓聯(lián)合供氣方案如圖 2所示。采用沼氣中壓B兩級管網供氣方式，沼氣站產生的沼氣加壓后進入中壓B管網，產氣高峰和用氣低峰時，可以適量進入鄉(xiāng)鎮(zhèn)中壓A管網，總摻入量控制在10%以內；沼氣產氣量不足時，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。這樣能保障沼氣用戶高峰時段和冬季正常用氣。

圖2 城鎮(zhèn)燃氣和沼氣中壓聯(lián)合供氣

該方案適用于日產氣量5 000～50 000 m3，小時供氣2 000～5 000 m3的大、中型養(yǎng)殖企業(yè)；沼氣企業(yè)需建設雙膜儲氣柜、濕式螺旋氣柜和干式氣柜，經壓縮機加壓輸入中壓管網，或按最大10%的比例摻混，進入城鎮(zhèn)燃氣管網。

本方案中沼氣系統(tǒng)儲氣設施完備，中壓管網供氣更加穩(wěn)定，可以全面回收沼氣企業(yè)的產氣量，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。同時也有利于將來與城市燃氣主管網的置換和對接。

4 沼氣與城市燃氣綜合利用

4.1 沼氣提純及液化工程

沼氣提純是指由生產裝置產出后經過凈化裝置，除去水分、二氧化碳、硫化氫等，成為凈化沼氣。經過水露點檢測儀和氣相色譜分析儀進行檢測分析合格，基本符合GB/T 13611－2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》規(guī)定的12T一類氣的標準。然后可通過調壓、計量、加臭后直接進入城鎮(zhèn)天然氣管網，或者經LNG液化儲備后由LNG撬車外運或氣化后輸入城市燃氣管網。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儲備站聯(lián)合建設，便于產生規(guī)模效應。但由于沼氣凈化、提純設備和 LNG液化、儲存設施投資較大，操作管理復雜，建議由專業(yè)燃氣儲運企業(yè)建設、管理。

4.2 沼氣作為燃氣發(fā)電

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

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)技術難度較高，項目前期投資較大，同時對運營管理的技術要求較高。鑒于電網對發(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)定的氣源產量。

相對城市電網，燃氣管網的調峰能力較強。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 項目實施的可行性分析

朱仙莊鎮(zhèn)試點項目的實施，實現(xiàn)了沼氣的回收和利用，避免了資源浪費和甲烷CH4等溫室氣體的排放。宿州市是農業(yè)城市，養(yǎng)殖業(yè)排放和農村秸稈資源豐富，沼氣項目的開發(fā)，有助于解決鄉(xiāng)村的環(huán)境問題，改善、提升村民生活質量，具有較高社會效益和經濟收益。

沼氣接入城鎮(zhèn)燃氣管網，相對于沼氣發(fā)電項目，市場和經濟效益較為突出，具備在市場環(huán)境下，產能逐步提升、經濟循環(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，獲得局部使用經驗后，全市范圍內逐步推廣。至于沼氣的凈化和提純項目，以及 LNG的液化、儲存，是沼氣利用項目的發(fā)展方向，有助于大型沼氣項目規(guī)模效益。

6 結語

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，沼氣作為非傳統(tǒng)氣源的開發(fā)，不僅城市燃氣企業(yè)氣源引進提供了新的思路，也為沼氣的生產提供了穩(wěn)定的銷售渠道。當然，在此過程中，還需考慮到沼氣的生產因菌種、菌群的不同，產量還受到環(huán)境、濕度、溫度條件的影響，產氣量存在波動等因素，尤其是要平衡生物沼氣的連續(xù)生產和城市燃氣的峰谷差，這些都是需要養(yǎng)殖企業(yè)和燃氣公司雙方共同解決的問題。