有机废弃物厌氧发酵（消化）未来路之：沼气利用

我在  《有机废弃物厌氧发酵（消化）未来路之：初识沼气》  中介绍了目前沼气的4种利用方式，沼气烧锅炉、沼气发电、沼气提纯生物天然气和沼气重整制氢，也说了各种利用方式的优缺点。但还是有很多人不清楚到底竟如何选择。

不知如何选择，最根本的原因是不知道选择标准是什么。一般选择标准有两点，首先是产品出路稳定可靠，这是是最重要的，也就是说产品要能出的去，才有生产的价值。

产品能否出去应进行调研。如项目想供热，就需要调研项目周边是否有稳定的用热客户，还要确认对方可以接收；如项目想发电并网，就要去落实项目有无并网条件，且能否拿到并网许可证；如果想提纯天然气，就要去调研当地天然气市场情况。

另一个选择标准是投资收益最大化。如经过调研，项目周边条件较好，多种方式均可采用，那就需要核算项目的投资收益情况，择优选择。

根据这两个标准，我列了一个选择建议表，供大家参考。

 

（1）有机废弃物沼气发电工艺设计思路

典型有机废弃物厌氧发酵产项目，沼气发电工艺流程可参见图2。厌氧发酵产出沼气之后，先进行净化和储存，再进入沼气发电系统产生电能，同时回收余热返回预处理系统和厌氧发酵系统。如果余热不够，还需要配套沼气锅炉进行产热（即使余热够用，一般锅炉也都是要上的，用于调试期间及发电机检修期间供热）。同时还应设置应急火炬，用于沼气净化系统或者沼气利用系统故障时，沼气的应急处理。

沼气发电技术较为成熟，发电机组有进口的，也有国产的。国产机组相对投资较低，但是发电效率也较低（进口发电机发电效率35%~40%，国产发电机组发电效率25%~35%）。如果发电量较大，电能可成为项目主要收益来源，建议选择进口发电机组。如果项目投资紧张，且发电量较小，可以选择国产发电机组。

沼气发电系统主要由沼气发电机组、余热回收装置、烟气净化装置组成。发电机以沼气为燃料，一部分热能转化成电能输出，可以用于项目自身或并入电网。还有一部分热能，会通过发动机机体和烟气散发出来（约为总热量的50%~60%），因此可对这部分热能进行回收。回收的热量可用于前端工艺（预处理加热和厌氧罐保温），如果热量不够，可通过沼气锅炉进行补充。发电机组产生的烟气回收完热量之后，进入烟气净化系统，去除烟气中的氮氧化合物，净化后的烟气进行高空排放。

 图1  有机废弃物沼气发电工艺流程图

（2）沼气发电机选型建议

沼气发电机设计及选型可参考《中大功率沼气发电机组》(GBT29488-2013)、《沼气发电机组》（NY/T 1223-2006）、《沼气电站技术规范》(NY/T1704-2009) 等标准和规范，本文不展开论述。大家最关心的装机功率计算方法可参考下列公式：

注：本公式引自《沼气电站技术规范》(NY/T1704-2009)；沼气低热值，可用纯甲烷低热值与沼气甲烷含量相乘进行粗略推算；发电机组热效率需要询问发电机厂家。

（1）有机废弃物沼气提纯工艺设计思路

另一种常见的沼气利用方式是提纯天然气。该方式是把沼气中CO ₂ 通过高压水洗、变压吸附、膜分离等技术进行去除，从而将沼气制成CH ₄ 纯度更高的生物天然气。制出的生物天然气可经过压力调节后接入城市输气网，也可以压缩后制成车用燃料（CNG），或者制成液化天然气（LNG）出售。

由于厌氧项目肯定需要热量，所以项目一般还要配套沼气锅炉，一部分沼气用于锅炉，剩余沼气可全部用于沼气提纯。同时还应设置应急火炬，用于沼气净化系统或者沼气利用系统故障时，沼气的应急处理。

图2  有机废弃物沼气提纯工艺流程图

 （2）沼气提纯技术比较

我给出了常用的沼气提纯脱碳的方法原理及优缺点（详见图3），同时摘取了《生物天然气工程技术规范》（NYT3896-2021）中，对各种方法的参数对比表，大家可以参考。

目前这些技术在国外都有较多应用，国内应用比较多主要是变压吸附和膜法。         

 图3  常用的沼气脱碳提纯的方法原理及优缺点

注：此表引自《生物天然气工程技术规范》（NYT3896-2021）

（3）产品标准

产品气应符合《生物天然气》（GB/T41328-2022）中的要求。如压缩制CNG，还需符合《车用压缩天然气》（GB 18047-2017）。

（1）有机废弃物沼气重整制氢工艺思路

随着我国双碳计划的提出，氢能变得越来越热，因此沼气重整制氢近几年也被越来越多的提出，同时也有部分项目开始实践。

沼气重整制氢，也有多种技术。目前用的最多的还是先将沼气进行脱碳提纯，提纯后的气体再进行重整制氢，重整后的混合气体再进行提纯，最终得到纯度较高的氢气。

也有学者提出沼气直接重整制氢，即省去沼气脱碳提纯这一步，从技术层面说也是可以的。不过目前我国氢能的应用场景还未构建完全，直接用沼气重整制氢，具有一定的市场风险。从项目规划的角度看，如果是沼气提纯后再制氢，可以先预留制氢场地，后期等氢能有应用场景了再上。

锅炉和应急火炬设计思路同沼气提纯工艺。

图4    有机废弃物沼气提纯工艺流程图

（2）沼气重整制氢技术简介

沼气重整制氢技术主要有水蒸气重制氢法、干重整法、部分氧化重整法、自热重整法、催化裂解法、化学链重整法等，目前最常用的是蒸汽重整法。

由于我对沼气重整制氢技术了解也不够深入，因此本文只能做一个粗略总结，供各位参考。

图5  主要沼气重整制氢技术原理及优缺点