常旭寧, 吳媛媛

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院， 北京 100011)

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(jī)廢棄物等為原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，進(jìn)一步提純凈化后得到的與常規(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]。進(jìn)入“十三五”以來，國家密集出臺(tái)了多項(xiàng)規(guī)劃政策，提出大力發(fā)展生物天然氣。國家能源局在2019年年初重新修訂發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展指導(dǎo)意見》，與2016年發(fā)布的同名文件相比，發(fā)展目標(biāo)更為務(wù)實(shí)，提出生物天然氣消費(fèi)發(fā)展目標(biāo)為2020年20億方，2025年150億方，2030年超過300億方[1]。

國務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用意見中，在提出發(fā)展規(guī)?；烊粴夤こ痰耐瑫r(shí)，還提出符合城市燃?xì)夤芫W(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的，燃?xì)馄髽I(yè)應(yīng)接收入網(wǎng)[2]。各地方政府也制定了有針對(duì)性的地方政策。然而，目前我國對(duì)生物天然氣尚未出臺(tái)統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于氣質(zhì)的要求多為供需雙方協(xié)商，不能適應(yīng)行業(yè)高速發(fā)展的需要。為此，本文對(duì)比分析了國外一些國家的生物天然氣不同利用方式的氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，及國內(nèi)部分城市燃?xì)獾臍赓|(zhì)要求，得出兩類入管網(wǎng)和車用生物天然氣的建議氣質(zhì)指標(biāo)。

1 生物天然氣入管網(wǎng)發(fā)熱量和甲烷濃度的氣質(zhì)分析

目前，國內(nèi)還沒有針對(duì)生物天然氣提純利用制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，美國、瑞士、德國先后出臺(tái)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)也涉及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)成熟完善的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)[3]，如表1所示。從表中可以看出，就甲烷濃度一項(xiàng)，荷蘭和比利時(shí)要求大于85%，法國要求大于86%，就可以進(jìn)入管網(wǎng)。但是，瑞典要求甲烷濃度達(dá)到97%才可以進(jìn)入管網(wǎng)。

表1 歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)對(duì)生物天然氣并入管網(wǎng)技術(shù)要求 (vol%)

沼氣在作為生物天然氣使用時(shí)，需要經(jīng)過提純凈化提高甲烷含量，達(dá)到天然氣的氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。國家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣》GB17820-2012中將天然氣氣質(zhì)分為一類氣和二類氣兩類，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。單從熱值考慮，沼氣提純制備的生物天然氣中無甲烷以上烴類，這使得生物天然氣的熱值較常規(guī)天然氣低，生物天然氣要達(dá)到一類氣熱值36 MJ·m-3的指標(biāo)，CH4含量必須達(dá)到97%以上。生物天然氣甲烷含量與提純工藝流程、甲烷回收率、工程造價(jià)及運(yùn)營費(fèi)用均有關(guān)系。CH4含量要求高于95%以上后，運(yùn)營成本則增加很快，成本過高對(duì)生物天然氣提純項(xiàng)目的實(shí)施是不利的[4]。因此，本文認(rèn)為不宜追求《天然氣》GB17820-2012中一類氣的熱值指標(biāo)，不宜要求生物天然氣必須達(dá)到97%的甲烷含量。參考《煤制合成天然氣》GB/T33445-2016，并結(jié)合《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50028-2006，建議規(guī)定一類生物天然氣產(chǎn)品氣的甲烷含量為≥95%，高位發(fā)熱量≥35 MJ·m-3；二類生物天然氣產(chǎn)品氣的甲烷含量為≥85%，高位發(fā)熱量>31.4 MJ·m-3。對(duì)比國外的情況，本文建議的二類氣指標(biāo)與法國、比利時(shí)和荷蘭的天然氣入網(wǎng)氣質(zhì)接近，一類氣與奧地利、瑞士和瑞典的氣質(zhì)接近。

表2 《天然氣》GB17820-2012中一類氣和二類氣的技術(shù)指標(biāo)

注：a為本標(biāo)準(zhǔn)中氣體體積的標(biāo)準(zhǔn)參比條件是101.325 Pa，20℃；b為在輸送條件下，當(dāng)管道管頂埋地溫度為0℃時(shí)，水露點(diǎn)不應(yīng)高于-5℃；c為進(jìn)入輸氣管道的天然氣，水露點(diǎn)的壓力應(yīng)是最高輸送壓力。

進(jìn)一步的，當(dāng)天然氣進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)時(shí)，根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴稧B/T13611-2018的分類，天然氣氣質(zhì)達(dá)到10T和12T的氣體是可以進(jìn)入管網(wǎng)的。而氣質(zhì)達(dá)到10T和12T的天然氣就包括生物天然氣。沼氣的高位華白數(shù)為23.14 MJ·m-3，屬于6Z類氣，提純凈化增加高位華白數(shù)以達(dá)到10 T和12 T的指標(biāo)時(shí)，就具備了作為天然氣進(jìn)入城市燃?xì)夤喙芫W(wǎng)的基本條件。

華白數(shù)是表征氣體能量密度的一種單位，華白數(shù)越大，能量密度越高，相應(yīng)的要求生物燃?xì)庵械募淄楹恳簿驮礁?。生物天然氣主要成分為甲烷，燃燒特性與常規(guī)的化石天然氣類似。一般燃具(家用灶具、熱水器、商用燃具、大部分鍋爐和工業(yè)燃燒器、大部分燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)等)對(duì)燃?xì)獍l(fā)熱量和組分波動(dòng)不敏感，允許華白數(shù)波動(dòng)±10%；玻璃、陶瓷等精細(xì)化工用天然氣，以及天然氣發(fā)電用大型燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)天然氣氣質(zhì)要求較高，《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》建議留有±3%～5%的余量。GB/T13611標(biāo)準(zhǔn)中以及城鎮(zhèn)燃?xì)馍唐窔庵?0T和12T天然氣華白數(shù)的波動(dòng)范圍如表3所示。

表3 10 T和12 T天然氣華白數(shù)波動(dòng)范圍

注：華白數(shù)和熱值單位均為MJ·m-3，下同。

出于天然氣供應(yīng)的穩(wěn)定性考慮，城鎮(zhèn)天然氣通常會(huì)有多個(gè)氣源。例如北京、深圳和上海天然氣各氣源的組分及燃燒特性[5-7]見表4。

除常規(guī)氣田氣、煤制氣和LNG外，我國天然氣的種類還包括煤層氣和頁巖氣。除某些煤層氣氣田的類別為10 T，大部分以常規(guī)氣田氣、煤制氣、LNG和頁巖氣為主要?dú)庠吹某擎?zhèn)燃?xì)忸悇e為12 T。因此并入城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)和壓縮天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的生物天然氣一般情況下應(yīng)該符合12 T的熱值和華白數(shù)；對(duì)于城鎮(zhèn)燃?xì)獗旧聿粷M足12 T的情況，生物天然氣在并入時(shí)需要滿足10 T并滿足與城鎮(zhèn)燃?xì)饣Q；對(duì)于獨(dú)立的生物天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，則需要根據(jù)區(qū)域的燃?xì)鈿庠唇尤胗?jì)劃或與用氣方共同商定確定生物天然氣的氣質(zhì)要求。通過計(jì)算得出，滿足10 T和12 T的生物天然氣甲烷含量和熱值見表5。從表中可以看出，生物天然氣要達(dá)到10 T氣質(zhì)時(shí)的甲烷含量需要在85%以上，達(dá)到12 T的氣質(zhì)時(shí)甲烷含量需要達(dá)到94%以上。

表4 部分城市各氣源組分及燃燒特性

表5 滿足10 T和12 T的生物天然氣甲烷含量和熱值

綜合《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》GB50028-2006和《壓縮天然氣供應(yīng)站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB51102-2016，城鎮(zhèn)燃?xì)鈱?duì)天然氣的質(zhì)量要求為：

(1)天然氣發(fā)熱量和組分的波動(dòng)應(yīng)符合城鎮(zhèn)燃?xì)饣Q的要求，天然氣偏離基準(zhǔn)氣的波動(dòng)范圍宜按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴稧B/T13611-2018的規(guī)定采用，并應(yīng)適當(dāng)留有余地；

(2)天然氣發(fā)熱量、總硫和硫化氫含量、水露點(diǎn)指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣》GB17820-2012中一類氣或二類氣的規(guī)定。壓縮天然氣的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《車用壓縮天然氣》GB18047-2017的有關(guān)規(guī)定。

(3)在交接點(diǎn)的天然氣壓力和溫度條件下，天然氣的烴露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5℃；天然氣中不應(yīng)有固態(tài)、液態(tài)或膠狀物質(zhì)。

2 生物天然氣其他氣質(zhì)指標(biāo)分析

沼氣提純制生物天然氣氣質(zhì)中，除甲烷含量外，其它組分的影響也比較重要。

2.1 總硫和硫化氫含量

總硫和硫化氫含量也是天然氣產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。一般來說，常規(guī)天然氣含有相當(dāng)高的各種硫化物，既有硫化氫，也有其它硫化物，需要進(jìn)行凈化處理。與化石天然氣不同的是，沼氣中總硫含量通常遠(yuǎn)低于化石天然氣，而硫化氫含量通常高于化石天然氣，基于管道輸送(酸腐蝕)和用戶安全(燃燒產(chǎn)生有害氣體)考慮，建議硫化氫與GB17820-2012《天然氣》的技術(shù)指標(biāo)一致，即一、二類氣分別≤6 mg·m-3，20 mg·m-3；同時(shí)也滿足GB18047-2017《車用壓縮天然氣》要求，≤ 15 mg·m-3。

2.2 水露點(diǎn)

生物天然氣提純制氣工藝過程首先為預(yù)處理工藝，預(yù)處理工藝對(duì)原料氣進(jìn)行初步過濾、脫水，并在后續(xù)脫硫、壓縮和提純工藝中根據(jù)工藝要求和產(chǎn)品氣露點(diǎn)要求除塵、除油和脫水。提純工藝中PSA法和膜法產(chǎn)品均為干燥氣體，露點(diǎn)溫度可達(dá)-20℃或更低，可直接進(jìn)入天然氣管網(wǎng)或CNG壓縮機(jī)；水洗法提純后的產(chǎn)品氣處于飽和狀態(tài)，需要進(jìn)行干燥處理。因此生物天然氣采用GB17820-2012《天然氣》比環(huán)境溫度低5℃，用于車用時(shí)還要滿足GB18047-2017《車用壓縮天然氣》中環(huán)境溫度大于-13℃時(shí)水含量不大于30 mg·m-3的要求。

2.3 CO2

一類、二類天然氣對(duì)二氧化碳的要求分別為不大于2%，3%(體積分?jǐn)?shù))，對(duì)于生物天然氣該指標(biāo)偏高。該指標(biāo)是為防止對(duì)長輸管道腐蝕而制定的，雖然生物天然氣產(chǎn)量相對(duì)于管輸天然氣量是很小的，但不能因此降低生物天然氣中CO2含量要求，增大輸氣管網(wǎng)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 O2

在中性或堿性條件下，碳鋼的腐蝕主要受溶解氧的影響，溶解氧含量越高，腐蝕越嚴(yán)重。但只要保持氣體水露點(diǎn)的要求，從防腐的目的出發(fā)，可不用限制氧含量。但任何時(shí)刻氧氣在氣體混合物中的含量應(yīng)低于燃?xì)獾谋舛认孪?。因此《天然氣》GB17820-2012無O2含量要求，而《車用壓縮天然氣》GB18047-2017要求氧含量<0.5%，建議生物天然氣用于車用也按此要求執(zhí)行，目前還沒有關(guān)于生物天然氣并入燃?xì)夤芫W(wǎng)中的O2含量多少對(duì)管網(wǎng)造成腐蝕的研究，由于生物天然氣量通常只占管網(wǎng)輸氣量的小部分，建議一方面初步控制生物天然氣中O2含量小于1%，具體含量可待有相關(guān)研究結(jié)果后調(diào)整；另一方面由于城鎮(zhèn)燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)已大量采用聚乙烯管道，耐腐蝕性強(qiáng)，因此建議將生物天然氣輸送到中壓管網(wǎng)中。

2.5 其他雜質(zhì)

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)目前沒有針對(duì)硅氧烷、揮發(fā)性有機(jī)物的含量要求，由于生物天然氣總量很小，并且出于對(duì)生物天然氣行業(yè)的推動(dòng)，不建議制定與國外一致的嚴(yán)格要求。但針對(duì)垃圾填埋氣和污泥沼氣硅氧烷、揮發(fā)性有機(jī)物的含量高的生物質(zhì)燃?xì)猓ㄗh制氣流程中采取相應(yīng)的脫除工藝。

3 生物天然氣氣質(zhì)建議指標(biāo)

根據(jù)以上對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)鈿赓|(zhì)指標(biāo)與生物天然氣特性的分析，對(duì)于生物天然氣的氣質(zhì)要求，技術(shù)指標(biāo)建議分為兩類，一類氣滿足12 T天然氣，二類氣滿足10 T天然氣，并根據(jù)利用方式分為用戶和車用，如表6所示。

表6 生物天然氣建議的技術(shù)指標(biāo)

注：氣體體積的標(biāo)準(zhǔn)參比條件是101.325 kPa，20℃。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，生物天然氣并入城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)或壓縮天然氣供應(yīng)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)符合一類氣質(zhì)量要求。對(duì)于獨(dú)立的生物天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，則需要根據(jù)區(qū)域的燃?xì)鈿庠唇尤胗?jì)劃或與用氣方共同協(xié)商確定生物天然氣的氣質(zhì)要求。

4 結(jié)語

生物天然氣的發(fā)展能實(shí)現(xiàn)廢棄物的循環(huán)利用和減少二氧化碳的排放。作為一項(xiàng)新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，亟待科學(xué)合理、完整有效的標(biāo)準(zhǔn)的支持，而生物質(zhì)氣氣質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)一要求更為迫切。建議管理部門盡快將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定納入計(jì)劃并盡快實(shí)施，促進(jìn)行業(yè)的快速與良性發(fā)展。