沼气与城镇燃气综合利用的可行性探讨

宿州中燃城市燃气发展有限公司 寇玉林 张阳东 卢铁玲

宿州市农村农业局 高 飞

安徽省宿州市是宿淮城市组群的区域中心城市之一，襟连沿海、背倚中原，是安徽省的北大门。全市常住人口568.14万人，其中埇桥区人口180万人，辖15个乡镇、11个街道办事处、325个行政村、43个社区，是国内人口最多的市辖区(县级)；全市平均城市化率40%左右。伴随着国家“气代煤”政策的大力推广，宿州城市化建设的迅速提升和乡镇燃气市场的增长，多种气源方式和非常规气源的开发是解决城镇燃气气源紧张问题的有利方向。

1 沼气项目概况

沼气是一些有机物质(如秸秆、杂草、树叶、人畜粪便等废弃物)在一定的温度、湿度、酸度条件下，隔绝空气，经微生物作用(发酵)而产生的可燃性气体。沼气在自然界可再生，属于可再生能源。

沼气的生产是甲烷菌在厌氧环境中产生的。沼气的产量因菌种、菌株、菌群和环境、湿度、温度的不同，产量会有波动；沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷50%～70%，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。其特性与天然气相似，是优质的非常规气源。

宿州市是农业和养殖大市，乡镇养殖和农业秸秆等有机质回收量巨大，是生产沼气的良好资源。

宿州市埇桥区与泗县的相关沼气企业和中燃公司，联合探讨了沼气和城镇燃气利用的课题；共同在宿州市埇桥区朱仙庄镇进行“沼气和天然气开发利用研发试点项目”，针对沼气和天然气联合供气可行性试点，并逐步总结经验，探讨沼气综合利用的新途径。

泗县某沼气项目，规划建设日产10万m3沼气，包括5 000 m3厌氧反应器12台，3 000 m3柔性储气柜2台，沼气生物脱硫净化系统1套，沼气发电系统和提纯系统各1套，沼液处理系统1套，有机肥生产系统1套及相应的配套设施和辅助用房等。项目利用畜禽粪便和秸秆，进行厌氧发酵，产生沼气、沼渣和沼液；再用沼气发电，沼渣制取固体有机肥，沼液制取水溶性叶面肥，变废为宝，形成生态循环农业产业链；清除畜禽粪便污染，为养殖业长期、健康、稳定发展提供强有力的保障，为广大农村贫困居民通过发展养殖业达到脱贫致富提供保障，为彻底解决宿州市的畜禽粪污染对养殖业的制约积累经验。

埇桥区的规模养殖业主要分布在灰古、朱仙庄、芦岭镇的农业产业园和循环经济园区，上述园区和乡镇区域城镇燃气管网已基本覆盖，具备与沼气生产设施互联互通的基础设施。

2 沼气掺混天然气使用的互换性

2.1 宿州天然气利用现状

宿州中燃宿固路门站具备PNG、CNG、LNG、LPG/Air(空混气)等多气源联合供气能力和运营管理经验，但上游省天然气公司管网输气能力的限制，气源紧张和应急调峰能力不足，仍是城市燃气企业必须面对的问题。

随着宿州市城镇化进程的加快，天然气的用户和用量也日益增加。目前宿州市现最大日供气量32万m3，年销气量7 000万m3以上，应急气源和调峰能力相对不足；另一方面，随着大中规模养殖场的兴起，禽畜粪便、工业废水等难以处理。如果能利用人畜粪便、工业废水等制取沼气，与管网天然气、LNG等进行掺混，作为调峰气源使用，不但能增加一种城镇气源，还实现了废物利用，响应了国家可持续发展战略的国策。相比于其他非常规气源，我市沼气资源原料来源丰富，发展潜力巨大，可以循环利用，规模可大可小。根据这些特点和优势，将其与其他燃气掺混利用，可以弥补天然气的消费缺口，作为燃气调峰的手段和实现城乡建设统筹发展。

2.2 沼气掺混天然气使用的互换性

重庆大学做过课题研究，将沼气组分简化为60% CH4和 40%CO2，以不同的比例与重庆天然气掺混后进行燃烧特性实验，包括测试燃烧火焰特性、热效率、热负荷和烟气成分等各项指标。研究结果表明：当沼气的掺混比例不超过16%时，各项指标都在国家标准允许的范围内[1]。

据此，将沼气掺混进入城市燃气管网试验项目的上线定为10%，沼气混入城镇燃气管网后的生物天然气应符合NB/T 10136－2019《生物天然气产品质量标准》规定，对应GB/T 13611－2018《城镇燃气分类和基本特性》规定的10T天然气的二类气的标准，即甲烷物质的量分数至少为95%，其他应为二氧化碳、氧气、硫化物以及其他杂质等。

3 沼气与城镇燃气利用方案

宿州市埇桥区朱仙庄镇某养殖企业，采取沼气直供方式，对周边200余户居民用户供气，实际使用住户100户左右。但是因企业调峰储气不足，以及冬季沼气产量过低，所以致使沼气用户发展规模受限。现受宿州农业局和中燃公司委托，来论证城镇燃气和沼气联合供气和沼气混入城镇燃气管网的可行性。

3.1 城镇燃气和沼气低压联合供气

城镇燃气和沼气低压联合供气方案如图 1所示。平时乡村管网采用沼气低压直供方式，用气高峰时，城镇燃气通过小型文丘里混气装置混合30%空气后，调压至沼气低压管网，由此保证沼气用户冬季的正常用气。

图1 城镇燃气和沼气低压联合供气

其中，小型文丘里混气装置是以文丘里管引射空气的方式将天然气与空气按定比例混合后向用户供气的装置。装置包括文丘里混气装置、喷射嘴压力调压器、混合调节器、空气吸引单向阀、空气总阀、混合罐、燃气减压阀、压力计、三通阀等装置。小型文丘里混气装置单体分30 m3/h和100 m3/h两种规格。

低压管网供气方案适用于日产气量1 000 m3、最大小时供气200～500 m3的中、小型养殖企业；同时建议配置1 000～3 000 m3双膜储气柜，用于缓冲和储存沼气，保障用户稳定用气。

本方案可以满足200～300户的乡镇小区或新农村建设的用气需求。它的优点是仅有低压一级供气管网，不设立用户端调压器，依靠储气设施维持管网压力和系统运行，系统运营和维护工作量较小；相对于湿式螺旋气柜和干式气柜，本方案采用的双膜储气柜投资小，建设工期短，具有较强的经济性和实用性。

3.2 城镇燃气和沼气中压联合供气

城镇燃气和沼气中压联合供气方案如图 2所示。采用沼气中压B两级管网供气方式，沼气站产生的沼气加压后进入中压B管网，产气高峰和用气低峰时，可以适量进入乡镇中压A管网，总掺入量控制在10%以内；沼气产气量不足时，采用小型文丘里混气装置，混合30%空气后减压至中压B管网。这样能保障沼气用户高峰时段和冬季正常用气。

图2 城镇燃气和沼气中压联合供气

该方案适用于日产气量5 000～50 000 m3，小时供气2 000～5 000 m3的大、中型养殖企业；沼气企业需建设双膜储气柜、湿式螺旋气柜和干式气柜，经压缩机加压输入中压管网，或按最大10%的比例掺混，进入城镇燃气管网。

本方案中沼气系统储气设施完备，中压管网供气更加稳定，可以全面回收沼气企业的产气量，最大可以满足5 000～10 000户的中心镇区规模的用气需求。同时也有利于将来与城市燃气主管网的置换和对接。

4 沼气与城市燃气综合利用

4.1 沼气提纯及液化工程

沼气提纯是指由生产装置产出后经过净化装置，除去水分、二氧化碳、硫化氢等，成为净化沼气。经过水露点检测仪和气相色谱分析仪进行检测分析合格，基本符合GB/T 13611－2018《城镇燃气分类和基本特性》规定的12T一类气的标准。然后可通过调压、计量、加臭后直接进入城镇天然气管网，或者经LNG液化储备后由LNG撬车外运或气化后输入城市燃气管网。流程如图3所示。

图3 沼气提纯及液化流程

本方案适合与 LNG储备站联合建设，便于产生规模效应。但由于沼气净化、提纯设备和 LNG液化、储存设施投资较大，操作管理复杂，建议由专业燃气储运企业建设、管理。

4.2 沼气作为燃气发电

沼气发电项目是随着大型沼气池建设和沼气综合利用的发展而出现的一项沼气利用技术。它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，因此，它是产生电能和热能的新兴能源项目。

沼气发电也是沼气综合利用的重要方式之一。沼气发电系统技术难度较高，项目前期投资较大，同时对运营管理的技术要求较高。鉴于电网对发电稳定性要求较高，因此需要有足够的沼气发酵原料好和稳定的气源产量。

相对城市电网，燃气管网的调峰能力较强。就目前而言，中小型沼气企业和城燃企业合作空间较大，发展前景较为乐观。

5 项目实施的可行性分析

朱仙庄镇试点项目的实施，实现了沼气的回收和利用，避免了资源浪费和甲烷CH4等温室气体的排放。宿州市是农业城市，养殖业排放和农村秸秆资源丰富，沼气项目的开发，有助于解决乡村的环境问题，改善、提升村民生活质量，具有较高社会效益和经济收益。

沼气接入城镇燃气管网，相对于沼气发电项目，市场和经济效益较为突出，具备在市场环境下，产能逐步提升、经济循环和持续发展的条件。可以先期用于市区周边灰古、芦岭、朱仙庄等镇区居民和商户使用，获得局部使用经验后，全市范围内逐步推广。至于沼气的净化和提纯项目，以及 LNG的液化、储存，是沼气利用项目的发展方向，有助于大型沼气项目规模效益。

6 结语

沼气是非化石燃料，属于可再生的清洁能源。沼气接入天然气管网的供气方案，是新兴的合作供气模式，环保效益和综合收益明显。同时，沼气作为非传统气源的开发，不仅城市燃气企业气源引进提供了新的思路，也为沼气的生产提供了稳定的销售渠道。当然，在此过程中，还需考虑到沼气的生产因菌种、菌群的不同，产量还受到环境、湿度、温度条件的影响，产气量存在波动等因素，尤其是要平衡生物沼气的连续生产和城市燃气的峰谷差，这些都是需要养殖企业和燃气公司双方共同解决的问题。