头条 | 沼气加氢甲烷化制备生物天然气技术及其应用前景研究

河南沼气设备厂家之沼气作为厌氧消化的重要产物，由于其与天然气成分和性质相近，成为具开发潜力的可再生能源，沼气提纯为生物天然气与传统天然气联合供给逐步成为了沼气高效利用的发展方向。国家能源局印发了《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见（征求意见稿）》，《意见》提出：要统筹可再生能源和天然气产供储销支持政策，将生物天然气融入大能源，以工业化、市场化方式推动生物天然气加快发展。根据指导意见，预计从2020年到2030年，生物天然气产量将从20亿立方米增加到300亿立方米。
沼气的成分主要为甲烷（50%~60%）和二氧化碳（40%~50%），沼气提纯技术通过去除沼气中杂质成分，可以提高沼气中甲烷含量和能量密度，进而制得高品质生物天然气。精制后的生物天然气通过加压调制后可以用作汽车和火车燃料。在德国和瑞典，新建沼气工程多配有相应沼气精制设备，沼气提纯技术已成为目前沼气能源应用方面的研究热点。

目前工业应用的沼气脱碳制备生物天然气的工艺主要有高压水洗、物理吸收、化学吸收、变压吸附、膜分离等。这些方法的本质是将二氧化碳从沼气中分离出并排放到大气中，是一种抛弃式脱碳，这不仅造成温室气体排放，而且极大地浪费了二氧化碳资源。

如果进行二氧化碳加氢甲烷化脱碳，则可以利用二氧化碳资源提高生物天然气产量，是一种利用式脱碳。
根据加氢方式的不同，沼气提纯方式可分为原位加氢提纯和异位加氢提纯。所谓原位加氢提纯方式，是将外源氢气直接通入真实的沼气发酵体系中，在原位把沼气中的CO2转化成CH4，达到纯化升级沼气的目的，国外学者针对加氢提纯技术做了一系列探索性研究：

1 原位加氢提纯

以畜禽粪便和絮状污泥等固体废物的发酵体系为研究对象，实验证明通入外源氢气确实可以有效地提高沼气的生成速率和甲烷浓度，而沼气中的二氧化碳含量由对比实验中的38%降至12%，初步取得了沼气提纯效果。

此外为了解决原位沼气提纯中pH值升高的问题，他们开展了与酸性废物共发酵实验研究，把发酵体系的pH值有效地控制在8.0以下；针对气液传质速率低这一难点，采用中空纤维膜（HFM）组件曝气来代替传统微孔曝气方式，提高了H2在发酵液界面处的气液传质。

结果表明，在55℃发酵温度和150r/min搅拌强度下，当以1440mL/（L?d）的速率持续通气时，H2会被消耗完全，CH4的浓度达到90.2%，而在不通氢的发酵体系中，产生的沼气只含有55.4%的CH4，CO2的比重占44.6%。

2异位加氢提纯

异位沼气提纯实验中，富集有嗜氢甲烷菌的厌氧反应器被作为单独的沼气提纯单元，经提纯处理后，沼气中CH4达到95%左右，成功实现沼气提纯。

在氢气来源方面，除了利用可再生电能电解水制氢外，还可用焦炉气代替纯氢气，同步实现沼气提纯和焦炉气资源化双重目的。

三、国内加氢提纯技术发展现状

近期，中国科学院成都生物研究所开展了高温原位加氢甲烷化制备生物天然气的研究，直接将氢气通入猪粪厌氧消化反应器内，平均甲烷产率从未加氢阶段的222 L/kg VS提高至292 L/kg VS，平均相对甲烷含量从66%提高至83%。
通过微生物多样性分析表明，严格氢营养型产甲烷菌Methanoculleus、Methanobrevibacter、Methanobacterium是高温原位加氢甲烷化系统的主要产甲烷菌，且外源氢气的加入会弱化同型产乙酸菌与氢营养型产甲烷菌之间的互营协作关系，而作为种间电子传递载体的甲酸钠的加入有助丙酸降解产乙酸，从而**系统的稳定。

四、生物天然气在我国的应用前景

目前国内已建成多个沼气提纯生物天然气示范项目，如烟台双塔4万方沼气提纯项目、龙口烟台环能公司3万方沼气提纯车用燃气示范项目、南阳天冠10万方沼气提纯项目等，目前运转良好，产品气供给车用或燃气管网。

烟台双塔和南阳天冠沼气提纯项目均被列入国家科技支撑计划“管道并网高纯生物燃气技术集成研究与模式示范”项目。南阳天冠10万方沼气提纯项目目前为国内较大的项目。

据有关部门预测，截止2020年我国的天然气汽车保有量将达到1000万辆，而CNG汽车加气站的数量也将以每年20%的速度飞速递增。

建设沼气提纯项目，产品气可以送入燃气管网或送至加气站供给车用，既可以生产清洁能源，缓解项目所在地区的环保压力，改善环境状况，又是企业一个新增长点，可以很好地形成社会、环境，企业经济、形象的双重结合。也可减少社会发展对石油等化石能源的依赖，并对节能减排做出贡献。

结语
甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍，沼气提纯生物天然气可高值化利用沼气，有效减少沼气工程因沼气利用不充分而排空，进一步降低碳排放。使用二氧化碳加氢甲烷化脱碳的方法提纯沼气，在提高生物天然气产量的同时也可降低碳排放量，减少污染，具有环保和能源的双重效益。
此外，沼气提纯生物天然气的发展除了技术的进步和装置提升外，还应有财政和税收方面的政策支持来刺激其发展，从终端产品来给予支持，进一步推动生物天然气的快速发展。
来源：@沼气圈
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