摘要：分析了我国沼气的生产和利用现状，介绍了沼气提纯为生物天然气后混入城镇天然

气管网使用的国内外现状，探讨了沼气经脱硫净化而不经脱碳(或只经浅度脱碳)处理混入城镇天然气管网使用的可行性，提出了存在的问题。

关键词：  沼气；  生物天然气；  天然气管网；  净化；  提纯；  脱碳

Discussion on Feasibility of Injecting Biogas into Natural Gas Network

Abstract：The present status of production and use of biogas in China are analyzed．The status quo of injecting purified bio-natural gas into city natural gas network at home and abroad is introduced. The feasibility of injecting purified biogas via desulfurization without decarburization or via slight decarburization into city natural gas network is discussed，and existing problems are proposed．

Key words：  biogas；  bio-natural gas；  natural gas network；decontamination；purification；decarburization

根据“十二五”规划，2015年我国天然气消费目标初步定为2 600×10⁸ m³，在能源结构中的比例提高至8．3％左右。属于非常规天然气范畴的产业沼气，相对来说资源丰富得多且是可再生资源，而且开发利用技术已比较成熟，大力发展产业沼气将对提高我国天然气自给率和实现应对全球气候变化中长期规划目标起到非常重要的作用^[1]。

1  国内沼气的生产和利用现状

我国自20世纪20年代起就开始了沼气的生产和利用。近年来，政府对农村沼气建设给予了极大的支持，沼气事业发展更加迅猛。

①农村小型户用沼气池

截至2009年底，全国农村户用沼气池累计达3 507×10⁴座，年产沼气l24×10⁸ m³。预计到2020年，约3×10⁸户农村居民的生活燃气主要是沼气，年沼气利用量约为300×10⁸ m^3[2]。同时，各地还因地制宜地整合太阳能、沼气技术以及种植业、养殖业的产业结构，实践性地探索出一系列适合中国农村地区推广应用的小规模庭院式能源生态模式^[3]。具有代表意义的是北方农村能源生态模式(即“四位一体”)和南方“猪-沼-果”模式。沼气为农户解决炊事、照明等生活用能的同时，还带动了农副产品生产、加工的发展。沼气在农村的利用情况见图1^[4]。

②大中型沼气工程

截至2009年底，全国共建成各种类型沼气工程5．69 ×10⁴项，总池容达到了715×10⁴ m³。近l0年中，各种类型沼气工程的建设总量比之前增长了50多倍^[5]。

a．沼气用于热电联产

20世纪80年代初，我国就开展了沼气发电领域的研究。目前在深圳已建成南山和下坪沼气发电厂，南京、上海、北京等地也正在或准备修建垃圾沼气发电厂。据测算，该类电厂规模在1 000 kW以上，平均电价约为0．4元／(kW·h)，其经济性基本能与煤电相抗衡^[6]。北京高碑店污水处理厂对生物沼气采用“沼气内燃机-余热回收-发电机组”利用途径，是一种典型的小型燃气热电联供模式，可日产沼气约4×10⁸ m³，日发电量约为7．5×10⁴ kW·h，日产热量约为33．5×10⁴ MJ，年均产值可达2 000×10⁴元，投资回收期约为7 a或8 a，其经济效益比较可观^[7]。

如果热、电用户都位于电厂周围，热电联产显然是个合理的选择。但事实上，大多数情况下，沼气厂都建在郊区或农村地区，而当地对热能、电能很少有大量需求，其主要消费者一般都位于城镇地区。因此，发电过程中的大量余热都不得不排放到大气中，即使将热量输送至城镇地区，运输过程中也会损耗一部分，使得沼气的热能利用效率降低^[1,8]。

近年来，我国已研制出不同型号的沼气发动机，但基础研究(如发动机工作过程)等方面相对滞后，没能根本解决沼气发动机的后燃问题，导致发动机实际排烟温度过高、可靠性低。此外，由于燃烧过程组织不理想，沼气消耗率偏高，实际上1 m³沼气发电不到1．6 kW·h，与国际上1 m³沼气能发电2 kW·h以上的性能相比，经济性有待提高^[9]。

b．沼气作为车用燃料

沼气经净化提纯，可达到天然气的质量水平而作为汽车燃料使用。相比汽油、柴油等化石燃料，燃烧净化后的沼气可以减少各种污染物的排放量，大大缓解汽车尾气排放对城市空气造成的污染^[10]。

根据国际能源署2005年的研究报告，2005年欧美的7个国家有规模化的车用沼气生产厂23家，瑞典拥有沼气燃料汽车l．5×10⁴辆。据估计，2010-2012年瑞典沼气燃料汽车达7×10⁴辆，汽车沼气供应站^[11]达500座。鞍山市垃圾填埋气制取汽车燃料示范工程于2004年首次在中国投入使用，每天生产垃圾填埋气1×10⁴ m³／d，经过净化压缩后作为汽车燃料，每天产量为6 000 m³／d。200辆垃圾运输车首先应用这种新型绿色环保能源，随后将用于全市的公交车。中国在车用沼气方面的研究才刚刚开始，但由于中国汽车迅速发展，燃油价格持续飙升，而石油、天然气非常短缺，以提纯沼气替代燃油和天然气用作车用燃料将具有十分广阔的发展前景^[6]。

c．沼气并入天然气管网

将沼气提纯后得到的生物天然气并入天然气管网，就可利用现有的天然气输送设施，更加方便沼气的远距离输送而且能节约运输成本，可进一步推动沼气作为可再生绿色能源融入到当今的能源供应体系中。根据瑞典气体中心(SGC)提供的报告，提纯后的沼气并人天然气管网还有很多其他优势，如沼气代替的那部分天然气实现了绿色化，这样沼气从生产到利用实现了绿色市场化；可以调节天然气的供需高峰，调节用气市场；管道输送的沼气也可以直接作为车用燃料，使用方式灵活^[12]。

d．其他用途

沼气经脱硫^[13]、脱碳、脱水等处理后，CH₄的体积分数可达80％左右。净化提纯后的沼气加压至20 MPa，充满1个50 L的车载气瓶，可得到常压下的生物天然气约10 m³(热值相当于16 m³沼气)。

沼气的主要成分是CH₄和C0₂，从沼气中提取出的CH₄和C0₂以及以沼气为原料制取的合成气(CO+H₂)是基本的化工原料，可进一步生产多种高附加值的液体燃料和化工产品。

大中型厌氧消化产沼气工程的沼气产量高，对后续沼气消纳途径要求高，特别是在难以并入天然气管网、发电并网等情况下，利用天然气液化技术将沼气液化供应给城镇居民作生活能源，服务于周边没有天然气管网的区域，也是实现沼气远距离输送和沼气商业化应用的一种方式。

近些年，沼气用作燃料电池的技术发展也很快。广州市番禺水门种猪场与日本通产省新能源产业技术综合开发机构合作建设200 kW的沼气燃料电池装置项目，为世界首例以养猪场粪尿产生的沼气作燃料的燃料电池发电项目^[14]。将沼气用于燃料电池发电，是有效利用沼气资源的一个重要途径，对我国沼气利用技术的发展具有重大意义。

2沼气经提纯混入天然气管网的使用现状

①国外现状

欧盟的一些国家在这方面走在世界前列。德国近年来意识到沼气直接用于热电联产浪费严重，开始重视生物天然气。2009年德国已经有l00个沼气工程的沼气并入天然气管网，还制订了2020年和2030年沼气产量分别达到60×10⁸ m³ (占天然气消费量的6％)和100×10⁸ m³的目标。2010年7月，法国经过建立工业标准，对应用生物天然气的安全性及对人体健康影响进行评估后，通过新环保法案(Grenelle 2 Law)．强制性收购生物天然气并给予并入天然气管网的优惠性补贴。瑞典政府通过财政补贴、免除税赋和政策引导等方式，鼓励产业沼气净化提纯后并入地区天然气管网或用作车用燃料^[1]。2009年，瑞典已经有4座沼气净化站，净化后的沼气输入天然气管网。

②国内现状

近年来，中国政府出台了一些鼓励沼气并入燃气管网的法律措施。如《中华人民共和国可再生能源法》第十六条规定，“国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料，鼓励发展能源作物。利用生物质资源生产的燃气和热力，符合城市燃气管网、热力管网的入网技术标准的，经营燃气管网、热力管网的企业应当接收其入网。”

2010年6月22日，郑州市王新庄污水处理厂将生产的沼气净化成达标的天然气，并入郑州市燃气管网，揭开了我国生物天然气并网的序幕。该厂2010年的沼气产量是2×10⁴ m³／d，2013年将达到6×10⁴ m³／d。该厂主要利用一个电压吸附分离装置，使污泥经过一系列反应产生大量沼气，经过净化提纯，达到国家天然气标准。提纯后的沼气是洁净能源，对市民的燃气灶、热水器等燃具不会有任何影响。

3 沼气不经提纯混入管网使用的可行性

沼气提纯后并入天然气管网极大地节约了运输成本，可以作为调峰气源，也可以直接作为车用燃料，有非常广阔的发展前景。但是在技术和效益方面，这一方案还存在一些问题。一些北欧国家对沼气是否应该提纯后并入天然气管网或用作车用燃料仍然存在争论。

沼气并入天然气管网或用作车用燃料依赖于气体纯化技术和车辆燃气技术，瑞典这方面的技术已经比较成熟，而我国在这方面才刚刚起步^[12]。大力发展沼气并网或用作车用燃料的技术，依赖于大中型沼气工程的规模化发展。而我国开始建设大中型沼气工程时，是以处理废弃物和生产能源为出发点，而不是以充分利用资源为出发点，产品利用率低，经济效益差^[15]。我国近些年在沼气纯化技术方面取得了一些成就。国内已经有一些厂家生产、销售沼气纯化设备，但设备造价过高，而且纯化效果不理想，特别是C0₂等杂质的去除不能达到预期效果，导致无利可图或者资金回收周期过长，使得沼气提纯后并网或用作车用燃料的实践进展缓慢。学习西方国家，鼓励和引导大中型沼气工程大力发展是解决这一问题的前提。而如何进一步提高沼气发动机的效率、降低沼气纯化成本及提高沼气纯化可靠性等应该成为科研工作者努力的目标。

在我国，无论是农村户用沼气池，还是大中型沼气工程，对沼气的净化只是采用简单的脱硫工艺，而对C0₂等杂质的去除仍停留在理论研究阶段^[16]。我围城镇燃气标准对C0₂含量有一定的允许范围。因此，可以将沼气只经脱硫等净化处理，而不进行脱碳或只进行浅度脱碳，然后按一定比例并入燃气管网。这样可以节省沼气脱碳的成本，更加方便沼气的利用，应优先采用。但其前提是：沼气掺混比例有一定限制，沼气使用量与其他燃气的热值、使用量等有关。例如对于深圳大鹏LNG工程，沼气与天然气掺混比例(体积分数)为7．5:92．5时，混合气满足国家标准要求^[17]。

4 沼气不经提纯混入管网使用存在的问题

沼气的平均组成大约为：CH₄体积分数为50％～70％，C0₂体积分数为30％～40％，还有少量的C0、H₂、0₂、H₂S、N₂等气体。其中，除C0₂以外的少量气体经一定的净化设备都可以去除，以达到城镇燃气标准。但是沼气不经提纯混入天然气管网使用存在以下问题：

①C0₂不具有热能利用价值，对燃气的热值、燃烧势等影响很大。如果沼气不脱碳(或只浅度脱碳)就混入天然气管网，需要控制其混合比例，需要研究沼气与天然气的混合气体与管网天然气的互换性问题。

②沼气如何混入天然气管网。日前常用的气体混合装置有文丘里混合器、比例混合阀和随动流量混合器等^[18]，但选用哪种混合装置最合适还需要进行实验研究。另外，还需要设置混合气体热值检测仪和安全连锁保护系统等，以确保产品质量和系统安全。

③沼气按一定比例混入天然气管网后，势必会对原有天然气的热值、燃烧势等造成影响。如何说服燃气管网经营企业接收沼气入网、重新合理地为燃气定价和说服消费者放心使用等，也需探讨。

④ 目前还没有沼气不经脱碳混入天然气管网使用的实例，可以先选择几个适宜的小区、城镇进行试点研究。

5 结论

我国沼气资源非常丰富，鼓励、引导大中型沼气工程大力发展是大量、合理利用沼气资源的前提。当前，我国大中型沼气工程的主要利用形式是热电联产，但发酵原料单一、沼气产气量小、并网发电困难等原因，导致我国的沼气发电比率很低，白白浪费掉很多沼气^[19]。而且沼渣沼液的综合利用不到位，运行和管理不专业等影响了沼气工程的效益。沼气净化提纯为生物天然气后并入燃气管网或用作车用燃料是高级利用形式，但我国当前沼气脱碳技术还不成熟而且成本很高，导致这一利用形式进展缓慢。沼气中的C0₂对燃气的热值、燃烧势等影响很大，如果要将沼气不经脱碳(或只浅度脱碳)混入城镇燃气管网使用，就需要对混合气与管网天然气的互换性等问题进行研究，得出最佳混合比例。如果沼气不经提纯就可混入天然气管网使用这一方案能付诸于实践，就可达到沼气低成本利用的目的，将会对我国局部地区废弃污染物利用和燃气管网调峰等作出很大贡献。

参考文献：

[1] 程序，朱万斌．欧盟国家新兴的生物天然气产业[J]．中外能源，201 1，16(6)：22-29．

[2] 戴万能，秦朝葵，杨贤潮，等．沼气中C0₂含量对沼气灶性能的影响及对策[J]．农业工程学报，2011，27(10)：261-265．

[3] 李景明，薛梅．中国生物质能利用现状与发展前景[J]．农业科技管理，2010，29(2)：1-4．

[4] 王钢，刘伟，王欣，等．我国沼气技术的利用现状与前景展望[J]．应用能源技术，2007(12)：31-33．

[5] 李景明．提升沼气在中国天然气产业发展中的战略地位[J]．天然气工业，2011，31(8)：120-123．

[6] 赵新波，祝诗平．沼气研究和利用的现状与发展趋势[C]//中国科学技术协会．自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集(2)．武汉：科协论坛杂志社，2009：1-6．

[7] 李维，杨向平，李建军，等．北京排水集团高碑店污水处理厂沼气热电联供情况介绍[C]//中国电机工程学会．中国电机工程学会热电专业委员会2003年团体会员大会暨学术交流会论文集．北京：中国电机工程学报杂志社，2003：142-147．

[8] MAKARUK A，MILTNER M，HARASEK M．Membrane biogas upgrading processes for the production of natural gas substitute[J]．Separation and Purification Technology，2010，74(1)：83-92．

[9] 张海东．城市生活垃圾厌氧发酵过程产生沼气的净化及利用(硕士学位论文)[D]．昆明：昆明理工大学，2005：60-63．

[10] 孟昭满，杨全斌．垃圾填埋场的沼气提取与利用[J]．燃料与化工，2007，38(4)：54-56．

[11] 谭洪艳，王建钊，王运阁．沼气汽车加气站的探讨[J]．煤气与热力，2004，24(5)：254-255．

[12] 刘京，刘志丹，袁宪正，等．沼气生产及利用——瑞典经验[J]．中国沼气，2008，26(6)：38-41．

[13] 李晓红．沼气脱硫技术的探讨[J]．煤气与热力，2010，30(6)：A40-A42．

[14] 刘英，胡启春，宋平，等．中国沼气技术研究与开发进展情况综述[J]．中国沼气，2003，21(增刊)：76-80

[15] 曹潇丹．我国沼气利用存在的问题及解决思路[J]．环境科学导刊，2010，29(增刊2)：51-53．

[16] 尹冰，陈路明，孔庆平．车用沼气提纯净化工艺技术研究[J]．现代化工，2009，29(11)：28-33．

[17] 罗东晓．垃圾填埋场沼气的合理利用途径[J]．天然气工业，2011，31(9)：128-130．

[18] 黄颂丽，郭全文，陈绍新，等．燃气掺混装置及其应用 [J]．煤气与热力，2011，31(9)：A33-A35．

[19] 李宝玉，毕于运，高春雨，等．我国农业大中型沼气工程发展现状、存在问题与对策措施[J]．中国农业资源与区划，2010，31(2)：57-61．

本文作者：赵伟  黄小美  谭顺民

作者单位：重庆大学城市建设与环境工程学院