生物質氣體燃料標準化研究進展

摘要：生物質能源是清潔可再生能源，本系列講座以生物質能源主要產(chǎn)品為對象，以產(chǎn)品的物理形態(tài)為分類依據(jù)，在分析研究國際主要產(chǎn)品標準化的基礎上進行我國生物質能源標準體系的構建。本講在對國內(nèi)外生物質氣體燃料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展狀況進行深入剖析的基礎上，重點介紹了沼氣、生物質氣化可燃氣等氣體燃料標準化情況。我國在沼氣方面已經(jīng)形成了比較完善的標準體系，應及時建立和完善生物質氣化氣質量及相關技術和裝備標準，形成氣體燃料生產(chǎn)、氣化裝置、燃氣發(fā)電供熱裝備、性能評價等完善的技術標準體系。 　　能源多元化和尋求可再生的清潔能源已成世界發(fā)展之大勢。已經(jīng)市場化的生物質能源產(chǎn)品主要包括液態(tài)(燃料乙醇、生物柴油)、固態(tài)(成型燃料)和氣態(tài)(沼氣、生物質氣化可燃氣等)燃料及燃燒產(chǎn)生的電能和熱能，它不僅可做化石能源的一種替代，而且是石油化工產(chǎn)品的替代，更具有環(huán)境友好、可再生和資源豐富的優(yōu)勢。 　　生物質氣體燃料主要包括沼氣、生物質氣化、生物質制氫等方面，沼氣和生物質氣化已實現(xiàn)規(guī)?；茝V應用，為規(guī)范生物質氣體燃料的生產(chǎn)和使用，先后陸續(xù)制訂了沼氣、氣化、燃氣發(fā)電機裝備等系列產(chǎn)品標準和使用規(guī)范，形成了完善的產(chǎn)品生產(chǎn)、供應一體化的市場和標準體系。 　　近年來，我國生物質氣體燃料產(chǎn)業(yè)亦呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢，特別是沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已形成了比較完善的標準體系;生物質氣化技術已開始推廣應用，但缺乏相關標準和技術規(guī)范，因此，及時建立和完善生物質氣化燃氣質量及相關技術、裝備標準，形成氣體燃料生產(chǎn)、氣化裝置、燃氣發(fā)電供熱裝備、性能評價等完善的技術標準體系，顯得尤為重要。 　　1國外生物質氣體燃料技術及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀 　　1.1沼氣 　　歐洲是工業(yè)化沼氣生產(chǎn)技術發(fā)展較快的地區(qū)，主要采用干式厭氧發(fā)酵工藝，主要有車庫型、氣袋型、滲出液存儲桶型和干濕聯(lián)合型等4種類型。德國于20世紀90年代起，開始進行干式厭氧發(fā)酵技術及工業(yè)級裝備的研發(fā)。2002年，BEKON公司等廠家生產(chǎn)的車庫型工業(yè)級厭氧干發(fā)酵裝備已投入實際運行，在運行、控制、安全等方面均較完備，但所需投資巨大。瑞典利用動物加工副產(chǎn)品、動物糞便、食物廢棄物生產(chǎn)沼氣，并專門培育了用于產(chǎn)沼氣的麥類植物，產(chǎn)氣率達每公斤底物300升，沼氣中含甲烷64%以上。 　　除沼氣被用做運輸燃料外，所產(chǎn)生的沼肥又被用于種植。瑞典Lund大學開發(fā)了“二步法”秸稈類生物質制沼氣技術，并已進行中間試驗;還開發(fā)了低溫高產(chǎn)沼氣技術，可于10℃條件下產(chǎn)氣，產(chǎn)氣率大于每公斤底物200升。沼氣經(jīng)凈化、壓縮后可作為運輸燃料替代天然氣，到2005年底，瑞典全國有5000多輛沼氣汽車，加油(氣)站逐年成倍增加，已達70余座，還有1列斯德哥爾摩至海濱的火車使用沼氣燃料。目前，全球有410萬輛壓縮天然氣汽車，8300座加油(氣)站。 　　在沼氣發(fā)電方面，國外用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機主要使用Otto發(fā)動機和Diesel發(fā)動機，其單位質量的功率約為27kW/t。汽輪機中燃氣發(fā)動機和蒸汽發(fā)動機均有使用，燃氣發(fā)動機的優(yōu)點是單位質量的功率大，一般為70～140kW/t;蒸汽發(fā)動機一般為10kW/t。美國在沼氣發(fā)電領域有許多成熟的技術和工程，處于世界領先水平，目前擁有61個填埋場，使用內(nèi)燃機發(fā)電，加上汽輪機發(fā)電的裝機，總裝機容量已達340MW。歐洲用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機，較大的單機容量在0.4～2MW，填埋氣的發(fā)電效率約為1.68～2kWh/m3。 　　1.2生物質氣化可燃氣 　　生物質氣化可燃氣是生物質在氣化介質和高溫條件下通過熱化學反應轉化為可燃性氣體，主要成分為CO、H2、CH4等，可用于供熱、供氣或利用可燃氣推動燃氣發(fā)電設備進行發(fā)電。目前，利用氣化技術制備合成氣，進而生產(chǎn)生物液體燃料正成為氣化研究的熱點。發(fā)達國家如奧地利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和美國等比較關注的是生物質氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(BIGCC)，BIGCC技術主要基于增壓流化床技術和高溫燃氣凈化技術，可望成為生物質能轉化的主導技術之一。 　　意大利12MW的生物質BIGCC示范項目的發(fā)電效率約為31.7%，但建設成本高達25000元/kWh，發(fā)電成本達1.2元/kWh。全球環(huán)境基金(GEF)/世界銀行在巴西進行30MW發(fā)電項目的示范;在英國和美國進行6～10MW規(guī)模的3個項目的示范。第一代BIGCC投資較高，3500～5000美元/kW。近年來，發(fā)達國家也進行了其它技術路線的研究，如比利時和奧地利的生物質氣化-外燃式燃氣輪機發(fā)電技術，美國的史特林循環(huán)發(fā)電技術等，在提高發(fā)電效率的前提下降低生產(chǎn)成本。 　　1.3生物質制氫 　　氫氣是一種可再生、高熱值的清潔能源。以生物質為原料制取氫氣是生物質產(chǎn)氫的重要發(fā)展方向。意大利開發(fā)了生物質直接氣化制氫技術，過程簡單，產(chǎn)氫速率快，成本顯著低于電解制氫、乙醇制氫等，目前主要處于研究階段，歐洲正在積極推進這項技術的開發(fā)。 　　2國外生物質氣體燃料標準化現(xiàn)狀 　　2.1沼氣標準 　　美國在沼氣計劃中列入了沼氣有關器具標準，如沼氣爐、沼氣閥、沼氣廢水排放、沼氣管路、沼氣管路轉接器等，主要包含規(guī)格、型號、材料配件清單、原材料、構造、推薦的制造工藝、加工質量控制、性能測試、產(chǎn)品取樣檢測、包裝等方面。瑞典是生物質能源發(fā)展最為迅速的國家，地方供熱系統(tǒng)中生物質能占42.3%以上，沼氣的凈產(chǎn)量約為1400GWh(1.4×109kWh)，主要產(chǎn)自于200多家市政污水處理廠的污泥消化池，其產(chǎn)量約占沼氣總產(chǎn)量的60%;其余為垃圾填埋場(產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的30%)以及工業(yè)污水處理廠和混合消化廠產(chǎn)生的沼氣(產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的10%)。 　　一般情況下，沼氣可用作熱源和發(fā)電，也作為汽車燃料。通常采取直接用管路輸送、借助于天然氣管道或用壓力容器運送等3種途徑被輸送到加油(氣)站。沼氣凈化后的車用甲烷燃料標準號為SS155438，將產(chǎn)品分為A、B兩級，主要包含甲烷含量，水分，氧、二氧化碳、氮氣總含量，氧氣含量，氨氣含量，總硫含量等指標，見表1。 　　2.2生物質氣化可燃氣標準 　　生物質氣化可燃氣尚處于規(guī)模化應用初期，2003年歐盟標準化協(xié)會(CEN)啟動了焦油分析測試標準項目，包含氣相色譜法和稱重法，由氣體預處理，顆粒過濾，焦油收集、氣體計量、焦油組分分析等部分組成，其中煙道氣等動力取樣參考了國際標準ISO9096或VDI2066。美國國家標準化組織(ANSI)PTC16-1974針對氣體生產(chǎn)和連續(xù)氣體發(fā)電機的電力測試法規(guī)是唯一的氣化器法規(guī)。 　　此外還有，英國的BS-995氣體生產(chǎn)測試法規(guī)(Test Code for Gas Producer)，德國的DIN1942蒸汽發(fā)電機測試法規(guī)以及美國機械工程協(xié)會(ASME)PTC4.1蒸汽發(fā)電機單元電力測試法規(guī)。最近，美國機械工程協(xié)會編寫了BIGCC電廠性能測試法規(guī)(PTC47)，該法規(guī)包含整個BIGCC工廠組成、輸入、輸出以及效力的定義，凈化后的燃氣指標包含取樣點壓力、溫度，標準流量，循環(huán)氣量，CO、H2、CH4、C2H6、CO2、H2O、N2、NH3、HCN、H2S、COS、C6H6、C7H8、C8H10、焦油等組分的含量，氣體顆粒含量，燃氣密度等。 　　3中國生物質氣體燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況與標準制訂 　　我國生物質氣體燃料發(fā)展迅速。在沼氣方面，基本分為小型能源-生態(tài)組合型和大中型沼氣工程。2003年我國戶用沼氣池新增210萬戶，年末累計1289萬戶，北方能源生態(tài)模式應用達43.42萬戶，南方生態(tài)模式應用達391.27萬戶，總產(chǎn)氣量45.80億m3，相當于300多萬噸標準煤，提高了農(nóng)民生活質量，減少了環(huán)境污染。與此同時，截至2005年底，全國共建成3764座工業(yè)廢水和畜禽糞便沼氣工程，年產(chǎn)沼氣3.4億m3，利用沼氣年發(fā)電量40000萬kWh，供氣138.36萬戶。 　　沼氣發(fā)動機主要為兩類，即雙燃料式和全燒式。如：中國農(nóng)機研究院與四川綿陽新華內(nèi)燃機廠共同研制開發(fā)的S195-1型雙燃料發(fā)動機：上海新中動力機廠研制的20/27G雙燃料機等;濰坊柴油機廠研制出功率為120kW的6160A-3型全燒式沼氣發(fā)動機，貴州柴油機廠和四川農(nóng)業(yè)機械研究所共同開發(fā)出60的6135AD(Q)型全燒沼氣發(fā)動機發(fā)電機組。 　　在生物質氣化方面，在20世紀60年代就開發(fā)了60kW的農(nóng)林生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)，已開發(fā)出多種固定床和流化床小型氣化爐，以秸稈、木屑、稻殼、樹枝等為原料，生產(chǎn)燃料氣，熱值為4～10MJ/m3。目前村鎮(zhèn)級農(nóng)林廢棄物氣化集中供氣系統(tǒng)近300處，供氣戶數(shù)3萬余戶。160和200kW的生物質氣化發(fā)電設備在我國已得到小規(guī)模應用，顯示出一定的經(jīng)濟效益。1MW的生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)已推廣應用20多套，4MW規(guī)模生物質氣化發(fā)電已建成示范工程。 　　在標準化方面，我國生物質氣體燃料標準主要集中在沼氣上，形成了從戶用沼氣工程及器具，畜禽養(yǎng)殖廠沼氣工程等系列標準，已頒布實施了《沼氣工程規(guī)模分類》、《農(nóng)村家用水壓式沼氣池施工操作規(guī)程》、《農(nóng)村家用沼氣發(fā)酵工藝規(guī)程》、《家用沼氣灶》、《家用沼氣燈》、《農(nóng)村家用水壓式沼氣池標準圖集》、《戶用沼氣池標準圖集》、《農(nóng)村家用水壓式沼氣池質量檢查驗收標準》、《戶用沼氣池質量檢查驗收規(guī)范》、《戶用沼氣池施工操作規(guī)程》、《農(nóng)村家用沼氣管路設計規(guī)范》、《農(nóng)村家用沼氣管路施工安裝操作規(guī)程》等12項國家及行業(yè)標準，形成了一定的體系。近年來，針對大型沼氣工程，將陸續(xù)制定和頒布《規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場沼氣工程設計規(guī)范》、《規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場沼氣工程運行、維護及其安全技術規(guī)程》、《沼氣工程技術規(guī)范》(包括工藝設計、供氣設計、施工及驗收、運行管理、質量評價)等標準。 　　在氣化可燃氣標準方面，山東省先后出臺了《常壓固定床生物質氣化機組制造技術條件》、《農(nóng)村生物質燃氣供應系統(tǒng)設計規(guī)范》、《農(nóng)村生物質燃氣供應系統(tǒng)施工和驗收規(guī)范》、《農(nóng)村生物質燃氣供應系統(tǒng)運行維護規(guī)范》等4項地方標準。2001年農(nóng)業(yè)部頒布了第一個生物質氣化方面的行業(yè)標準《秸稈氣化供氣系統(tǒng)技術條件及驗收規(guī)范》(NY/T443-2001)，而焦油及灰塵的分析方法主要參考《城市燃氣中焦油及灰塵含量的測定方法》(GB12208-1990)，即將頒布的城鎮(zhèn)燃氣規(guī)范只適用于煤、油(包括輕油、重油)、液化石油氣或天然氣等，并未包含生物質原料。 　　為規(guī)范生物質氣體燃料大規(guī)模生產(chǎn)與應用，加強氣體燃料的生產(chǎn)和使用管理，在現(xiàn)有標準的基礎上及時制訂生物質氣體燃料的基礎標準，生產(chǎn)過程、工藝控制規(guī)程等標準就顯得極為迫切。 　　可考慮分步實施的原則，參考國內(nèi)其它相關領域成熟的經(jīng)驗，根據(jù)用途制訂既符合中國國情又與現(xiàn)行國際標準接軌的標準，在分析檢測方法上可參考或借鑒國內(nèi)或國際相關標準，加快氣體燃料的標準化進程。為此，建議制訂的生物質氣體燃料標準有：生物質原料分析、燃氣質量控制方法、生物質可燃氣凈化、燃氣組分分析包括焦油和灰塵、燃氣使用、燃氣發(fā)電設備評估指南和方法、供熱燃燒器具等標準。(劉軍利，蔣劍春　中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所，國家林業(yè)局林產(chǎn)化學工程重點實驗室)