我国生物天然气产业发展现状

白红春， 孙 清， 葛 慧， 郭志强， 杨 林

(1.中节能咨询有限公司， 北京 100082； 2.沈阳农业大学工程学院， 沈阳 110866)

我国生物天然气产业发展现状

白红春1， 孙 清2， 葛 慧1， 郭志强1， 杨 林1

(1.中节能咨询有限公司， 北京 100082； 2.沈阳农业大学工程学院， 沈阳 110866)

生物天然气是沼气通过净化提纯后得到的绿色、低碳、清洁环保的可再生燃气，与常规天然气成分、热值等基本一致。它的使用为传统沼气产业开辟了新的应用领域，提高了传统沼气工程的经济性，促进了沼气工程运营的持续性和稳定性，具有广阔的市场前景。文章分析了我国生物天然气产业政策的发展现状，指出现有政策侧重于项目建设环节，缺乏终端产品利用鼓励政策；对不同类型的沼气提纯技术进行了对比，从不同角度分析了各类技术的优缺点；通过分析原料供应市场和我国天然气市场现状，阐述了当前生物天然气产业面临的市场机遇与挑战，以期为我国生物天然气产业的发展提供一定的借鉴。

生物天然气； 提纯； 沼气； 天然气

生物天然气是指以畜禽粪便、农作物秸秆、城镇生活垃圾、工业有机废弃物等为原料，经厌氧发酵和净化提纯后与常规天然气成分、热值等基本一致的绿色低碳清洁环保可再生燃气[1]。生物天然气热值高，可作为车用燃气使用，也可并入天然气管网，作为工业或居民燃气使用，扩大了传统沼气的使用领域，提高了沼气工程的收益，促进了沼气工程运营的持续性和稳定性。另一方面，将生物天然气压缩成车用燃料(CNG)，相对汽油和柴油等化石能源，使用生物天然气不仅可以降低汽车尾气排放造成的空气污染，而且温室气体的净排放量减少75%～200%[2]，在资源节约和环境保护方面作用显著。

目前，在世界范围内，瑞典、德国、瑞士等欧洲国家的生物天然气产业已日趋成熟[3]。尤其是瑞典，早在1996年就开始将生物天然气作为车用燃料使用，并制定了相关标准[4]。瑞典计划到2020年，50%天然气将由生物天然气替代，预计到2060年，天然气将完全被生物天然气替代[3]。我国天然气资源紧缺、市场需求大，生物天然气产业正处于快速发展时期。

1 我国生物天然气政策背景

相对于瑞典、德国等欧洲国家，我国政府对生物天然气的关注相对较晚，但近年来，随着国家对可再生能源开发利用的逐渐重视，生物天然气产业出现了多项利好政策，大大促进了生物天然气产业的发展。

2011年，国家能源局在《可再生能源发展“十二五”规划》中首次提出，鼓励发展沼气等生物质气体净化提纯压缩，实现生物质燃气商品化和产业化发展。自此，我国开始逐步推进生物天然气产业发展。2016年10月，国家能源局发布《生物质能发展“十三五”规划》，提出到2020年初步形成一定规模的绿色低碳生物天然气产业，年产量达到80亿立方米，建设160个生物天然气示范县和循环农业示范县。2017年1月，国家发展改革委 农业部发布《全国农村沼气发展“十三五”规划》，在其发展目标中明确指出“十三五”期间将新建规模化生物天然气工程172个，并将“推动规模化生物天然气工程加快建设”列为重点任务之一。

除上述规划外，2015年至今，我国政府开始对生物天然气产业实施补贴政策，大力推动生物天然气产业的发展，出台的各项政策如表1所示。

表1 我国生物天然气产业政策一览表

从上述政策可以看出，现阶段我国政府对生物天然气工程的建设环节较为重视，通过补贴方式减轻业主的资金压力，补贴金额高达工程投资的40%，以引导社会资金投入建设生物天然气工程。但对终端产品，比如在生物天然气、沼肥的利用等方面，尚未出台鼓励政策。

从工程实际运行效果来看，部分工程解决了建设资金问题，但又面临产品销售问题，大部分工程运行情况并不乐观。原因有二：一是缺乏生物天然气收购、使用的鼓励政策。常规天然气供应稳定、成本相对较低，导致使用者没有动力去购买生物天然气。二是大部分生物天然气生产成本较高，若采用与常规天然气同样的销售价格，生物天然气工程经济效益相对较差。

2 沼气脱碳提纯技术现状及存在的问题

我国生物天然气技术发展至今，尤其在沼气提纯领域，发展迅速，在短短的2～3年时间，涌现出多技术并存、多厂家竞争的市场格局。

生物天然气工程一般可分为3大部分，即预处理及厌氧发酵单元、沼气提纯单元、沼肥生产单元。沼气提纯单元主要是去除沼气中的H2S和CO2，即脱硫和脱碳，以提高沼气中甲烷含量，达到天然气现相关标准。由于沼气工程预处理及厌氧发酵单元和沼肥生产单元均为传统沼气项目较为成熟的环节，在国内有众多研究；另外，在沼气提纯单元中，沼气脱硫技术主要有干法、湿法和生物脱硫三类，相关研究在国内已经很成熟且研究较多，鉴于此，本研究将重点对提纯单元的脱碳技术发展现状进行分析。目前，我国生物天然气领域应用较多的沼气提纯技术主要有胺洗法、水洗法、PSA法和膜法。

2.1 胺洗法

胺洗法主要采用胺基溶剂，在常温常压下与CO2发生化学反应，从而将CH4与CO2分离，以提高沼气中甲烷含量。常用的胺基溶剂有油乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)和甲基二乙醇胺(MEDA)[6]。在实际应用中，采用胺洗法的工程，往往有较高的甲烷回收率，可达到99%以上，且能耗相对较低；同时，胺洗法可吸收部分H2S，对原料沼气中的H2S含量要求相对较低。缺点主要实施工程应用中需定期补充胺基溶剂；另外，胺基溶液的泄露对环境会造成一定的污染。

目前，安阳中丹生物能源大型车用沼气示范项目、甘肃富民生态农业科技有限公司车用生物工程均采用该技术。

胺洗法适用于规模较大的沼气提纯工程(沼气处理量达到每小时万立方米)，相对而言，规模越大，经济性越好。

2.2 水洗法

水洗法根据一定压力下不同气体在水中的溶解度不同将CO2和CH4分离。在实际工程中，水洗法工艺甲烷回收率一般较高，可达到98%以上，能耗相对较低，也可吸收部分H2S，但需及时刮出水溶剂中的泡沫，定期补充水，同时要重视对泄露水溶剂进行处理后排放。另外，在水溶剂再生过程中，H2S将作为废气排出，需对其进行处理后排放。

目前，海南澄迈车用生物天然气示范项目、赤峰元易生物质科技有限公司生物天然气产业化示范项目、涿州生物天然气项目等采用了水洗工艺进行提纯。

同胺洗法一样，水洗法也适用于规模较大的沼气提纯工程。

2.3 PSA法

PSA法即变压吸附法。该方法根据不同压力下吸附剂对不同气体吸附能力的不同，实现沼气中CO2和CH4的分离。常用的吸附剂有活性炭、分子筛和硅胶等[7]。PSA法占地面积小，集成度高，运输、安装方便，其甲烷回收率一般为95%，但需要一定的压力，对原料气中H2S的含量也有一定要求(一般<50 ppm),且对控制元件及阀门的精度要求较大。

目前，鞍山羊耳峪垃圾填埋场项目采用了一套处理量为每小时1500 m3沼气的PSA提纯设备。

相比于胺洗法和水洗法，PSA法较为灵活，适用于小规模(沼气处理量为每小时百立方米)及中等规模(沼气处理量为每小时千立方米)的沼气提纯工程。

2.4 膜法

膜提纯工艺根据一定压力下，膜材质对不同分子的溶解度和扩散渗透速率的不同，将CO2和CH4分离。膜材质一般为中空纤维聚合物。

在实际应用中，膜提纯设备占地面积小、自动化程度较高，安装方便，其甲烷回收率一般在97%以上，甚至可达99.5%。但该方法能耗相对较高，且对原料气中H2S的含量有较高的要求(一般<10 ppm)。

目前，北京德青源沼气工程、中广核呼图壁种牛场生物天然气工程等工程采用膜提纯工艺进行沼气提纯。

膜提纯工艺对于规模较小和中等规模的沼气提纯工程较为实用，相对而言，对其扩容较易操作。

各种工艺优缺点对比如表2所示。

表2 沼气提纯各种工艺比较分析

从表2可以看出，各类技术各有优缺点，在实际应用上，需根据建设项目者自身的情况，比如占地面积、对回收率的要求、对产品中甲烷含量的要求等，来选择相应的技术，以达到最佳效果。

以沼气处理量1000 m3·h-1，H2S≤15 ppm的畜禽粪污生物天然气工程为例，当产品气(生物天然气)要求达到CH4≥95%，CO2≤3%，H2S≤15 mg·m-3，压力0.8～1.0 MPa，且CH4回收率≥95%时，电价按照0.5元·kWh-1计算，各种工艺投资(仅脱碳部分)及运营成本对比如表3所示。

表3 沼气提纯各种工艺经济性比较分析

注：1)由于实际工程采用设备的厂家、材质均可能有差异，且竞争环境较复杂(某些厂商会采取低价竞争的策略)，因此，该投资仅供参考;2)运行成本的影响因素较多，如人工价格、电价、不同厂家设备故障率、年运行时间等各不相同，因此，实际单位成本需根据工程的具体情况进行测算。

3 我国生物天然气市场前景

我国可用于生产生物天然气的生物质资源丰富，原料市场供应潜力巨大。据统计，我国每年产生约10亿吨鲜粪和8亿多吨农作物秸秆，若将其未利用部分进行能源转化，每年可生产约600亿立方米生物天然气[8]。

另一方面，我国对天然气的需求量较大，给生物天然气的发展创造了良好的市场条件。2015年，我国天然气产量1350亿立方米，同比增长5.6%；天然气进口量614亿立方米，增长6.3%；天然气消费量1932亿立方米，增长5.7%[9]。天然气进口量占天然气消费量的比例达到31.8%。如此大的市场需求将大力促进我国生物天然气的发展。

但是，在市场需求较大的背景下，天然气的价格并没有出现持续上升的局面，一定程度上制约了生物天然气产业的发展。2015年11月，国家发改委发出《关于降低非居民用天然气门站价格并进一步推进价格市场化改革的通知》(发改价格[2015]2688号)，决定将非居民用气最高门站价格每千立方米降低700元，降低后的门站价格作为基准门站价格，供需双方可在上浮20%,下浮不限的范围内协商确定具体门站价格[10]。天然气门站价格的下降势必会影响终端销售价格，在终端补贴及鼓励政策未出台之前，生物天然气项目的经济性可能会下降，进而影响整个产业的发展。

4 结语

近年来，国家出台了多个利好政策，促进生物天然气产业的发展，但目前的政策多为建设环节补贴，对终端产品利用的鼓励政策尚未出台。

我国生物天然气领域应用较多的沼气提纯技术主要有胺洗法、水洗法、PSA法和膜法。胺洗法和水洗法甲烷回收率高，能耗低，但需定期补充溶剂，并对污水排放有较高要求；PSA法和膜法集成度高，运输安装简单。胺洗法和水洗法适用于规模较大的工程，而膜法和PSA膜适用于中小规模的工程。在实际应用中，生物天然气工程还需根据自身的特点选择合适的技术。

我国生物天然气原料市场供应潜力巨大，生物天然气市场需求量较大，但近年来，天然气市场价格的下跌一定程度上制约了生物天然气产业的发展。

[1] 国家能源局.关于促进生物天然气产业化发展的指导意见(征求意见稿)[EB/OL].http://news.bjx.com.cn/html/20160905/769407.shtml, 2016-09-05.

[2] 邹雪娜，褚立强，徐徜徉.CO2/CH4分离膜技术在沼气提纯中的应用研究进展[J].膜科学与技术,2014，43(5)，125-132.

[3] 陈 祥，梁 芳，盛奎川，等，沼气净化提纯制取生物甲烷技术发展现状[J].农业工程，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] 农业部办公厅.关于抓紧申报2015年农村沼气工程中央预算内投资计划的通知[EB/OL].http://www.reea.agri.cn/sttzgg/201608/t20160831_5259853.htm, 2015-04-14.

[6] 黎良新.大中型沼气工程的沼气净化技术研究[D].广西：广西大学，2007.

[7] 赵 明，刘 林.国内外沼气净化提纯技术应用现状[M].北京：中国农业大学出版社，2012:283-289.

[8] 开梦丹，冯连勇.生物天然气：新能源产业发展顶梁柱[EB/OL].http://news.cnpc.com.cn/system/2016/08/16/001605710.shtml, 2016-08-16.

[9] 国家发展与改革委员会.2015年天然气运行简报[EB/OL].http://www.trqgy.cn/homeNews/201601/26088.html,2016-01-22.

[10] 国家发展与改革委员会.关于降低非居民用天然气门站价格并进一步推进价格市场化改革的通知[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

白红春(1984-)，男，湖北随州人，工程师，主要从事可再生能源技术研究与工程咨询等工作，E-mail:beijixing8415@163.com

S216.4;TE

A

1000-1166(2017)06-0033-04