頭條 | 沼氣加氫甲烷化制備生物天然氣技術(shù)及其應(yīng)用前景研究

河南沼氣設(shè)備廠家之沼氣作為厭氧消化的重要產(chǎn)物，由于其與天然氣成分和性質(zhì)相近，成為具開發(fā)潛力的可再生能源，沼氣提純?yōu)樯锾烊粴馀c傳統(tǒng)天然氣聯(lián)合供給逐步成為了沼氣高效利用的發(fā)展方向。國家能源局印發(fā)了《關(guān)于促進生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，《意見》提出：要統(tǒng)籌可再生能源和天然氣產(chǎn)供儲銷支持政策，將生物天然氣融入大能源，以工業(yè)化、市場化方式推動生物天然氣加快發(fā)展。根據(jù)指導(dǎo)意見，預(yù)計從2020年到2030年，生物天然氣產(chǎn)量將從20億立方米增加到300億立方米。
沼氣的成分主要為甲烷（50%~60%）和二氧化碳（40%~50%），沼氣提純技術(shù)通過去除沼氣中雜質(zhì)成分，可以提高沼氣中甲烷含量和能量密度，進而制得高品質(zhì)生物天然氣。精制后的生物天然氣通過加壓調(diào)制后可以用作汽車和火車燃料。在德國和瑞典，新建沼氣工程多配有相應(yīng)沼氣精制設(shè)備，沼氣提純技術(shù)已成為目前沼氣能源應(yīng)用方面的研究熱點。

目前工業(yè)應(yīng)用的沼氣脫碳制備生物天然氣的工藝主要有高壓水洗、物理吸收、化學(xué)吸收、變壓吸附、膜分離等。這些方法的本質(zhì)是將二氧化碳從沼氣中分離出并排放到大氣中，是一種拋棄式脫碳，這不僅造成溫室氣體排放，而且極大地浪費了二氧化碳資源。

如果進行二氧化碳加氫甲烷化脫碳，則可以利用二氧化碳資源提高生物天然氣產(chǎn)量，是一種利用式脫碳。
根據(jù)加氫方式的不同，沼氣提純方式可分為原位加氫提純和異位加氫提純。所謂原位加氫提純方式，是將外源氫氣直接通入真實的沼氣發(fā)酵體系中，在原位把沼氣中的CO2轉(zhuǎn)化成CH4，達到純化升級沼氣的目的，國外學(xué)者針對加氫提純技術(shù)做了一系列探索性研究：

1 原位加氫提純

以畜禽糞便和絮狀污泥等固體廢物的發(fā)酵體系為研究對象，實驗證明通入外源氫氣確實可以有效地提高沼氣的生成速率和甲烷濃度，而沼氣中的二氧化碳含量由對比實驗中的38%降至12%，初步取得了沼氣提純效果。

此外為了解決原位沼氣提純中pH值升高的問題，他們開展了與酸性廢物共發(fā)酵實驗研究，把發(fā)酵體系的pH值有效地控制在8.0以下；針對氣液傳質(zhì)速率低這一難點，采用中空纖維膜（HFM）組件曝氣來代替?zhèn)鹘y(tǒng)微孔曝氣方式，提高了H2在發(fā)酵液界面處的氣液傳質(zhì)。

結(jié)果表明，在55℃發(fā)酵溫度和150r/min攪拌強度下，當(dāng)以1440mL/（L?d）的速率持續(xù)通氣時，H2會被消耗完全，CH4的濃度達到90.2%，而在不通氫的發(fā)酵體系中，產(chǎn)生的沼氣只含有55.4%的CH4，CO2的比重占44.6%。

2異位加氫提純

異位沼氣提純實驗中，富集有嗜氫甲烷菌的厭氧反應(yīng)器被作為單獨的沼氣提純單元，經(jīng)提純處理后，沼氣中CH4達到95%左右，成功實現(xiàn)沼氣提純。

在氫氣來源方面，除了利用可再生電能電解水制氫外，還可用焦?fàn)t氣代替純氫氣，同步實現(xiàn)沼氣提純和焦?fàn)t氣資源化雙重目的。

三、國內(nèi)加氫提純技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近期，中國科學(xué)院成都生物研究所開展了高溫原位加氫甲烷化制備生物天然氣的研究，直接將氫氣通入豬糞厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)，平均甲烷產(chǎn)率從未加氫階段的222 L/kg VS提高至292 L/kg VS，平均相對甲烷含量從66%提高至83%。
通過微生物多樣性分析表明，嚴格氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanoculleus、Methanobrevibacter、Methanobacterium是高溫原位加氫甲烷化系統(tǒng)的主要產(chǎn)甲烷菌，且外源氫氣的加入會弱化同型產(chǎn)乙酸菌與氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌之間的互營協(xié)作關(guān)系，而作為種間電子傳遞載體的甲酸鈉的加入有助丙酸降解產(chǎn)乙酸，從而**系統(tǒng)的穩(wěn)定。

四、生物天然氣在我國的應(yīng)用前景

目前國內(nèi)已建成多個沼氣提純生物天然氣示范項目，如煙臺雙塔4萬方沼氣提純項目、龍口煙臺環(huán)能公司3萬方沼氣提純車用燃氣示范項目、南陽天冠10萬方沼氣提純項目等，目前運轉(zhuǎn)良好，產(chǎn)品氣供給車用或燃氣管網(wǎng)。

煙臺雙塔和南陽天冠沼氣提純項目均被列入國家科技支撐計劃“管道并網(wǎng)高純生物燃氣技術(shù)集成研究與模式示范”項目。南陽天冠10萬方沼氣提純項目目前為國內(nèi)較大的項目。

據(jù)有關(guān)部門預(yù)測，截止2020年我國的天然氣汽車保有量將達到1000萬輛，而CNG汽車加氣站的數(shù)量也將以每年20%的速度飛速遞增。

建設(shè)沼氣提純項目，產(chǎn)品氣可以送入燃氣管網(wǎng)或送至加氣站供給車用，既可以生產(chǎn)清潔能源，緩解項目所在地區(qū)的環(huán)保壓力，改善環(huán)境狀況，又是企業(yè)一個新增長點，可以很好地形成社會、環(huán)境，企業(yè)經(jīng)濟、形象的雙重結(jié)合。也可減少社會發(fā)展對石油等化石能源的依賴，并對節(jié)能減排做出貢獻。

結(jié)語
甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，沼氣提純生物天然氣可高值化利用沼氣，有效減少沼氣工程因沼氣利用不充分而排空，進一步降低碳排放。使用二氧化碳加氫甲烷化脫碳的方法提純沼氣，在提高生物天然氣產(chǎn)量的同時也可降低碳排放量，減少污染，具有環(huán)保和能源的雙重效益。
此外，沼氣提純生物天然氣的發(fā)展除了技術(shù)的進步和裝置提升外，還應(yīng)有財政和稅收方面的政策支持來刺激其發(fā)展，從終端產(chǎn)品來給予支持，進一步推動生物天然氣的快速發(fā)展。
來源：@沼氣圈
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