沼气提纯制生物质天然气与制氢方案比较
摘 要：碳中和的实质问题是能源的问题，根据贯彻“绿水青山就是金山银山”的理念，国务院在2021年10月发布了《关于2030年前碳达峰行动方案的通知》明确了行动方案。作为清洁能源的替代品生物质天然和可再生氢能作为重要组成部分摆在了所有环卫设施建设人的面前。如何选择这两种能源是项目建设的关键问题，也是实现碳达峰落地的实质性问题。以实际项目案例进行沼气制生物天然气和可再生氢能对比，对其他项目选择做出参考。
1 前言
天然气和氢气均被认定为清洁能源，我国在当前主要是使用煤炭、石油作为能源，也是第一大碳排放的原料。为了实现碳达峰、碳中和，需要加快使用清洁能源替代传统能源。我国承诺在2030年实现碳达峰，主要途径是对产业结构、能源结构进行调整。在2060年实现碳中和，主要是通过能源过程、工业生产过程、农业、土地利用等全口径全流程实现零排放。我国承诺实现上述目标的时间远远短于发达国家所用的时间，做出的努力必将远远大于这些国家。
同样作为可再生能源和清洁能源，国家相关部委从2019年至今一直密集发布天然气和氢气作为可再生能源产业的指导意见。国家发改委等10大部委在2019年发布《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》中要求构建生物天然气发展规划体系，组织编制生物天然气中长期发展规划。而2022年国家发改委和能源局联合研究制定《氢能产业发展中长期规划（2021~2035年）》“十四五”时期，我国将初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系。
同样的产业发展指导意见和发展规划，均明确了无论是生物天然气还是氢能作为可再生能源的属性。目前可再生能源主要原材料为农作物秸秆、畜禽粪污、城市餐饮垃圾、城市生活垃圾填埋场等。结合目前我国实行的生活垃圾分类收集处置的方针，规模化和产业化的生物天然气主要来源是城市湿垃圾处理设施。
2 项目情况介绍
位于某市的湿垃圾处理项目，处理规模为500吨/日，其中厨余垃圾300t/d，餐饮垃圾200t/d。主要工艺采用厌氧发酵方式产生沼气。经过计算沼气量约为32000m3/d，这些沼气是经过厌氧发酵产生，主要成分是CH4、CO2和H2S。沼气的成分如表1所示：
分析后可以看出，经过厌氧发酵后的沼气在热值、华白指数等指标，与我国现行国标天然气相差甚远，不能直接输送至天然气管道。需要对CO2、O2以及其他杂质进行脱除。
3 生物质天然气工艺流程及产品指标
前端工艺产生的沼气进入气柜储存、均质、稳压，稳压后经沼气风机升压至20~25kPa后送入湿法脱硫系统将硫化氢脱至50mg/m3以下。湿法脱硫后气体含大量水分，经气液分离之后送入干法脱硫系统将硫化氢脱至10mg/Nm3以内。脱硫后沼气经预处理系统除尘、除水、调温后，由沼气压缩机增压至变压吸附工作压力0.5MPa。压缩后沼气经除油、除水后进入挥发性有机化合物（VOC）脱除塔吸附除臭，进一步预处理净化原料气。原料气最终进入变压吸附装置进行脱碳精制，精制得到的天然气产品经调压计量及加臭后送入市政燃气管网。变压吸附顺放气高压部分顺放至沼气螺杆压缩机，低压部分顺放至预处理沼气罗茨风机入口，吸附提纯解析气部分回流至沼气罗茨风机入口，其余大部分解析气送至火炬系统燃烧或直接排空。具体工艺流程如图1生物质天然气工程流程图和表2生物质天然气指标表所示。
4 氢气工艺流程及产品指标
工艺流程由制氢装置和二氧化碳液化装置组成。制氢装置以沼气为原料，采用的工艺路线为沼气湿法甲基二乙醇胺（MDEA）脱碳→蒸汽转化→合成气湿法MDEA脱碳→变压吸附（PSA）分离得到产品氢气。二氧化碳液化装置以制氢装置中产生的二氧化碳尾气作为原料，采用的工艺路线为CO2压缩→预冷却→分子筛干燥/净化→液化精馏得到食品级CO2产品。工艺流程如图2PSA制氢工艺流程图和表3产品氢气指标表所示。
5 方案对比
从湿垃圾处理项目本身作为市政基础的稳定运行考虑，对沼气制天然气和氢气从安全性、经济性进行比较。
首先我们对天然气和氢气在物化性质与危险特性进行对比，详见表4天然气和氢气的物化性质与危险特性对比表。
从特比可以看出，氢气的爆炸极限远大于天然气。同时氢气在遇到超过400℃的热源或明火后会爆炸，与天然气比较有较大的活性。在中等规模项目中较难控制。
从项目本身的经济性进行比较，如表5所示为生物质天然气与制氢经济比较：
考虑本项目选址的周边条件考虑。项目选址附近有市政天然气管道，可以加压后直接输送。而氢气输送有两种方法，分别是与天然气并网输送和加压至20MPa采用拖车运输。第一种与天然气并网输送技术并不成熟，而采用加压后拖车运输费用较高。
根据上述比较，本项目最终选择厌氧发酵沼气PSA工艺制生物质天然气。
6 结束语
碳达峰、碳中和的目标是可再生能源的革命，同时推动能源结构多元化进程。在生物质能源中利用厌氧技术产生的生物质气体作为可再生能源回收利用，是可循环经济的重要议题之一。然而在相关配套设施上仍然存在差距，如相较于天然气管道，氢气管道配套建设仍不完善，目前国内仍没有适用于氢气长输管道的设计、建造和验收标准。需要加快对于氢气产业的终端用户的扶持力度，如氢能汽车等。生物质可再生能源取代传统化石能源是必然之路，对于节能减排的效果立竿见影。
