生物質(zhì)氣體燃料標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展

摘要：生物質(zhì)能源是清潔可再生能源，本系列講座以生物質(zhì)能源主要產(chǎn)品為對(duì)象，以產(chǎn)品的物理形態(tài)為分類依據(jù)，在分析研究國(guó)際主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行我國(guó)生物質(zhì)能源標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建。本講在對(duì)國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)氣體燃料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行深入剖析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了沼氣、生物質(zhì)氣化可燃?xì)獾葰怏w燃料標(biāo)準(zhǔn)化情況。我國(guó)在沼氣方面已經(jīng)形成了比較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，應(yīng)及時(shí)建立和完善生物質(zhì)氣化氣質(zhì)量及相關(guān)技術(shù)和裝備標(biāo)準(zhǔn)，形成氣體燃料生產(chǎn)、氣化裝置、燃?xì)獍l(fā)電供熱裝備、性能評(píng)價(jià)等完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shì)。已經(jīng)市場(chǎng)化的生物質(zhì)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(zhì)氣化可燃?xì)獾?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(shì)。 　　生物質(zhì)氣體燃料主要包括沼氣、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)制氫等方面，沼氣和生物質(zhì)氣化已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V應(yīng)用，為規(guī)范生物質(zhì)氣體燃料的生產(chǎn)和使用，先后陸續(xù)制訂了沼氣、氣化、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)裝備等系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和使用規(guī)范，形成了完善的產(chǎn)品生產(chǎn)、供應(yīng)一體化的市場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)體系。 　　近年來(lái)，我國(guó)生物質(zhì)氣體燃料產(chǎn)業(yè)亦呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，特別是沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已形成了比較完善的標(biāo)準(zhǔn)體系;生物質(zhì)氣化技術(shù)已開(kāi)始推廣應(yīng)用，但缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，因此，及時(shí)建立和完善生物質(zhì)氣化燃?xì)赓|(zhì)量及相關(guān)技術(shù)、裝備標(biāo)準(zhǔn)，形成氣體燃料生產(chǎn)、氣化裝置、燃?xì)獍l(fā)電供熱裝備、性能評(píng)價(jià)等完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，顯得尤為重要。 　　1國(guó)外生物質(zhì)氣體燃料技術(shù)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(shù)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(kù)型、氣袋型、滲出液存儲(chǔ)桶型和干濕聯(lián)合型等4種類型。德國(guó)于20世紀(jì)90年代起，開(kāi)始進(jìn)行干式厭氧發(fā)酵技術(shù)及工業(yè)級(jí)裝備的研發(fā)。2002年，BEKON公司等廠家生產(chǎn)的車庫(kù)型工業(yè)級(jí)厭氧干發(fā)酵裝備已投入實(shí)際運(yùn)行，在運(yùn)行、控制、安全等方面均較完備，但所需投資巨大。瑞典利用動(dòng)物加工副產(chǎn)品、動(dòng)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(dá)每公斤底物300升，沼氣中含甲烷64%以上。 　　除沼氣被用做運(yùn)輸燃料外，所產(chǎn)生的沼肥又被用于種植。瑞典Lund大學(xué)開(kāi)發(fā)了“二步法”秸稈類生物質(zhì)制沼氣技術(shù)，并已進(jìn)行中間試驗(yàn);還開(kāi)發(fā)了低溫高產(chǎn)沼氣技術(shù)，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(yùn)輸燃料替代天然氣，到2005年底，瑞典全國(guó)有5000多輛沼氣汽車，加油(氣)站逐年成倍增加，已達(dá)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(wàn)輛壓縮天然氣汽車，8300座加油(氣)站。 　　在沼氣發(fā)電方面，國(guó)外用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機(jī)主要使用Otto發(fā)動(dòng)機(jī)和Diesel發(fā)動(dòng)機(jī)，其單位質(zhì)量的功率約為27kW/t。汽輪機(jī)中燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)均有使用，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是單位質(zhì)量的功率大，一般為70～140kW/t;蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)一般為10kW/t。美國(guó)在沼氣發(fā)電領(lǐng)域有許多成熟的技術(shù)和工程，處于世界領(lǐng)先水平，目前擁有61個(gè)填埋場(chǎng)，使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，加上汽輪機(jī)發(fā)電的裝機(jī)，總裝機(jī)容量已達(dá)340MW。歐洲用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機(jī)，較大的單機(jī)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(zhì)氣化可燃?xì)? 　　生物質(zhì)氣化可燃?xì)馐巧镔|(zhì)在氣化介質(zhì)和高溫條件下通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)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?xì)馔苿?dòng)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備進(jìn)行發(fā)電。目前，利用氣化技術(shù)制備合成氣，進(jìn)而生產(chǎn)生物液體燃料正成為氣化研究的熱點(diǎn)。發(fā)達(dá)國(guó)家如奧地利、丹麥、芬蘭、法國(guó)、挪威、瑞典和美國(guó)等比較關(guān)注的是生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(BIGCC)，BIGCC技術(shù)主要基于增壓流化床技術(shù)和高溫燃?xì)鈨艋夹g(shù)，可望成為生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的主導(dǎo)技術(shù)之一。 　　意大利12MW的生物質(zhì)BIGCC示范項(xiàng)目的發(fā)電效率約為31.7%，但建設(shè)成本高達(dá)25000元/kWh，發(fā)電成本達(dá)1.2元/kWh。全球環(huán)境基金(GEF)/世界銀行在巴西進(jìn)行30MW發(fā)電項(xiàng)目的示范;在英國(guó)和美國(guó)進(jìn)行6～10MW規(guī)模的3個(gè)項(xiàng)目的示范。第一代BIGCC投資較高，3500～5000美元/kW。近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家也進(jìn)行了其它技術(shù)路線的研究，如比利時(shí)和奧地利的生物質(zhì)氣化-外燃式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，美國(guó)的史特林循環(huán)發(fā)電技術(shù)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(zhì)制氫 　　氫氣是一種可再生、高熱值的清潔能源。以生物質(zhì)為原料制取氫氣是生物質(zhì)產(chǎn)氫的重要發(fā)展方向。意大利開(kāi)發(fā)了生物質(zhì)直接氣化制氫技術(shù)，過(guò)程簡(jiǎn)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(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。 　　2國(guó)外生物質(zhì)氣體燃料標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀 　　2.1沼氣標(biāo)準(zhǔn) 　　美國(guó)在沼氣計(jì)劃中列入了沼氣有關(guān)器具標(biāo)準(zhǔn)，如沼氣爐、沼氣閥、沼氣廢水排放、沼氣管路、沼氣管路轉(zhuǎn)接器等，主要包含規(guī)格、型號(hào)、材料配件清單、原材料、構(gòu)造、推薦的制造工藝、加工質(zhì)量控制、性能測(cè)試、產(chǎn)品取樣檢測(cè)、包裝等方面。瑞典是生物質(zhì)能源發(fā)展最為迅速的國(guó)家，地方供熱系統(tǒng)中生物質(zhì)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(chǎng)(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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)號(hào)為SS155438，將產(chǎn)品分為A、B兩級(jí)，主要包含甲烷含量，水分，氧、二氧化碳、氮?dú)饪偤?，氧氣含量，氨氣含量，總硫含量等指?biāo)，見(jiàn)表1。 　　2.2生物質(zhì)氣化可燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn) 　　生物質(zhì)氣化可燃?xì)馍刑幱谝?guī)?；瘧?yīng)用初期，2003年歐盟標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CEN)啟動(dòng)了焦油分析測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，包含氣相色譜法和稱重法，由氣體預(yù)處理，顆粒過(guò)濾，焦油收集、氣體計(jì)量、焦油組分分析等部分組成，其中煙道氣等動(dòng)力取樣參考了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9096或VDI2066。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織(ANSI)PTC16-1974針對(duì)氣體生產(chǎn)和連續(xù)氣體發(fā)電機(jī)的電力測(cè)試法規(guī)是唯一的氣化器法規(guī)。 　　此外還有，英國(guó)的BS-995氣體生產(chǎn)測(cè)試法規(guī)(Test Code for Gas Producer)，德國(guó)的DIN1942蒸汽發(fā)電機(jī)測(cè)試法規(guī)以及美國(guó)機(jī)械工程協(xié)會(huì)(ASME)PTC4.1蒸汽發(fā)電機(jī)單元電力測(cè)試法規(guī)。最近，美國(guó)機(jī)械工程協(xié)會(huì)編寫了BIGCC電廠性能測(cè)試法規(guī)(PTC47)，該法規(guī)包含整個(gè)BIGCC工廠組成、輸入、輸出以及效力的定義，凈化后的燃?xì)庵笜?biāo)包含取樣點(diǎn)壓力、溫度，標(biāo)準(zhǔn)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?xì)饷芏鹊取? 　　3中國(guó)生物質(zhì)氣體燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與標(biāo)準(zhǔn)制訂 　　我國(guó)生物質(zhì)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(guó)戶用沼氣池新增210萬(wàn)戶，年末累計(jì)1289萬(wàn)戶，北方能源生態(tài)模式應(yīng)用達(dá)43.42萬(wàn)戶，南方生態(tài)模式應(yīng)用達(dá)391.27萬(wàn)戶，總產(chǎn)氣量45.80億m3，相當(dāng)于300多萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，提高了農(nóng)民生活質(zhì)量，減少了環(huán)境污染。與此同時(shí)，截至2005年底，全國(guó)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(wàn)kWh，供氣138.36萬(wàn)戶。 　　沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要為兩類，即雙燃料式和全燒式。如：中國(guó)農(nóng)機(jī)研究院與四川綿陽(yáng)新華內(nèi)燃機(jī)廠共同研制開(kāi)發(fā)的S195-1型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)：上海新中動(dòng)力機(jī)廠研制的20/27G雙燃料機(jī)等;濰坊柴油機(jī)廠研制出功率為120kW的6160A-3型全燒式沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)，貴州柴油機(jī)廠和四川農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所共同開(kāi)發(fā)出60的6135AD(Q)型全燒沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組。 　　在生物質(zhì)氣化方面，在20世紀(jì)60年代就開(kāi)發(fā)了60kW的農(nóng)林生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)，已開(kāi)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(shù)枝等為原料，生產(chǎn)燃料氣，熱值為4～10MJ/m3。目前村鎮(zhèn)級(jí)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(wàn)余戶。160和200kW的生物質(zhì)氣化發(fā)電設(shè)備在我國(guó)已得到小規(guī)模應(yīng)用，顯示出一定的經(jīng)濟(jì)效益。1MW的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)已推廣應(yīng)用20多套，4MW規(guī)模生物質(zhì)氣化發(fā)電已建成示范工程。 　　在標(biāo)準(zhǔn)化方面，我國(guó)生物質(zhì)氣體燃料標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，已頒布實(shí)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(biāo)準(zhǔn)圖集》、《戶用沼氣池標(biāo)準(zhǔn)圖集》、《農(nóng)村家用水壓式沼氣池質(zhì)量檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、《戶用沼氣池質(zhì)量檢查驗(yàn)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(shè)計(jì)規(guī)范》、《農(nóng)村家用沼氣管路施工安裝操作規(guī)程》等12項(xiàng)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形成了一定的體系。近年來(lái)，針對(duì)大型沼氣工程，將陸續(xù)制定和頒布《規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、《規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程運(yùn)行、維護(hù)及其安全技術(shù)規(guī)程》、《沼氣工程技術(shù)規(guī)范》(包括工藝設(shè)計(jì)、供氣設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收、運(yùn)行管理、質(zhì)量評(píng)價(jià))等標(biāo)準(zhǔn)。 　　在氣化可燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)方面，山東省先后出臺(tái)了《常壓固定床生物質(zhì)氣化機(jī)組制造技術(shù)條件》、《農(nóng)村生物質(zhì)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《農(nóng)村生物質(zhì)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)施工和驗(yàn)收規(guī)范》、《農(nóng)村生物質(zhì)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)范》等4項(xiàng)地方標(biāo)準(zhǔn)。2001年農(nóng)業(yè)部頒布了第一個(gè)生物質(zhì)氣化方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《秸稈氣化供氣系統(tǒng)技術(shù)條件及驗(yàn)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?xì)庵薪褂图盎覊m含量的測(cè)定方法》(GB12208-1990)，即將頒布的城鎮(zhèn)燃?xì)庖?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(zhì)原料。 　　為規(guī)范生物質(zhì)氣體燃料大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用，加強(qiáng)氣體燃料的生產(chǎn)和使用管理，在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上及時(shí)制訂生物質(zhì)氣體燃料的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)過(guò)程、工藝控制規(guī)程等標(biāo)準(zhǔn)就顯得極為迫切。 　　可考慮分步實(shí)施的原則，參考國(guó)內(nèi)其它相關(guān)領(lǐng)域成熟的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)用途制訂既符合中國(guó)國(guó)情又與現(xiàn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌的標(biāo)準(zhǔn)，在分析檢測(cè)方法上可參考或借鑒國(guó)內(nèi)或國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加快氣體燃料的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。為此，建議制訂的生物質(zhì)氣體燃料標(biāo)準(zhǔn)有：生物質(zhì)原料分析、燃?xì)赓|(zhì)量控制方法、生物質(zhì)可燃?xì)鈨艋?、燃?xì)饨M分分析包括焦油和灰塵、燃?xì)馐褂?、燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備評(píng)估指南和方法、供熱燃燒器具等標(biāo)準(zhǔn)。(劉軍利，蔣劍春　中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)