頭條 | 沼氣加氫甲烷化制備生物天然氣技術及其應用前景研究

河南沼氣設備廠家之沼氣作為厭氧消化的重要產物，由于其與天然氣成分和性質相近，成為具開發潛力的可再生能源，沼氣提純為生物天然氣與傳統天然氣聯合供給逐步成為了沼氣高效利用的發展方向。國家能源局印發了《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見（征求意見稿）》，《意見》提出：要統籌可再生能源和天然氣產供儲銷支持政策，將生物天然氣融入大能源，以工業化、市場化方式推動生物天然氣加快發展。根據指導意見，預計從2020年到2030年，生物天然氣產量將從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%），沼氣提純技術通過去除沼氣中雜質成分，可以提高沼氣中甲烷含量和能量密度，進而制得高品質生物天然氣。精制后的生物天然氣通過加壓調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沼氣精制設備，沼氣提純技術已成為目前沼氣能源應用方面的研究熱點。

目前工業應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、化學吸收、變壓吸附、膜分離等。這些方法的本質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量，是一種利用式脫碳。
根據加氫方式的不同，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酵體系中，在原位把沼氣中的CO2轉化成CH4，達到純化升級沼氣的目的，國外學者針對加氫提純技術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酵實驗研究，把發酵體系的pH值有效地控制在8.0以下；針對氣液傳質速率低這一難點，采用中空纖維膜（HFM）組件曝氣來代替傳統微孔曝氣方式，提高了H2在發酵液界面處的氣液傳質。

結果表明，在55℃發酵溫度和150r/min攪拌強度下，當以1440mL/（L?d）的速率持續通氣時，H2會被消耗完全，CH4的濃度達到90.2%，而在不通氫的發酵體系中，產生的沼氣只含有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器被作為單獨的沼氣提純單元，經提純處理后，沼氣中CH4達到95%左右，成功實現沼氣提純。

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

三、國內加氫提純技術發展現狀

近期，中國科學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器內，平均甲烷產率從未加氫階段的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，嚴格氫營養型產甲烷菌Methanoculleus、Methanobrevibacter、Methanobacterium是高溫原位加氫甲烷化系統的主要產甲烷菌，且外源氫氣的加入會弱化同型產乙酸菌與氫營養型產甲烷菌之間的互營協作關系，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乙酸，從而**系統的穩定。

四、生物天然氣在我國的應用前景

目前國內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，目前運轉良好，產品氣供給車用或燃氣管網。

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“管道并網高純生物燃氣技術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較大的項目。

據有關部門預測，截止2020年我國的天然氣汽車保有量將達到1000萬輛，而CNG汽車加氣站的數量也將以每年20%的速度飛速遞增。

建設沼氣提純項目，產品氣可以送入燃氣管網或送至加氣站供給車用，既可以生產清潔能源，緩解項目所在地區的環保壓力，改善環境狀況，又是企業一個新增長點，可以很好地形成社會、環境，企業經濟、形象的雙重結合。也可減少社會發展對石油等化石能源的依賴，并對節能減排做出貢獻。

結語
甲烷的溫室效應是二氧化碳的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量的同時也可降低碳排放量，減少污染，具有環保和能源的雙重效益。
此外，沼氣提純生物天然氣的發展除了技術的進步和裝置提升外，還應有財政和稅收方面的政策支持來刺激其發展，從終端產品來給予支持，進一步推動生物天然氣的快速發展。
來源：@沼氣圈
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