摘  要：碳中和的實(shí)質(zhì)問題是能源的問題，根據(jù)貫徹“綠水青山就是金山銀山”的理念，國(guó)務(wù)院在2021年10月發(fā)布了《關(guān)于2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》明確了行動(dòng)方案。作為清潔能源的替代品生物質(zhì)天然和可再生氫能作為重要組成部分?jǐn)[在了所有環(huán)衛(wèi)設(shè)施建設(shè)人的面前。如何選擇這兩種能源是項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵問題，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰落地的實(shí)質(zhì)性問題。以實(shí)際項(xiàng)目案例進(jìn)行沼氣制生物天然氣和可再生氫能對(duì)比，對(duì)其他項(xiàng)目選擇做出參考。

1 前言

天然氣和氫氣均被認(rèn)定為清潔能源，我國(guó)在當(dāng)前主要是使用煤炭、石油作為能源，也是第一大碳排放的原料。為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，需要加快使用清潔能源替代傳統(tǒng)能源。我國(guó)承諾在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，主要途徑是對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，主要是通過能源過程、工業(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)業(yè)、土地利用等全口徑全流程實(shí)現(xiàn)零排放。我國(guó)承諾實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于發(fā)達(dá)國(guó)家所用的時(shí)間，做出的努力必將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些國(guó)家。

同樣作為可再生能源和清潔能源，國(guó)家相關(guān)部委從2019年至今一直密集發(fā)布天然氣和氫氣作為可再生能源產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見。國(guó)家發(fā)改委等10大部委在2019年發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中要求構(gòu)建生物天然氣發(fā)展規(guī)劃體系，組織編制生物天然氣中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。而2022年國(guó)家發(fā)改委和能源局聯(lián)合研究制定《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021~2035年）》“十四五”時(shí)期，我國(guó)將初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系。

同樣的產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見和發(fā)展規(guī)劃，均明確了無論是生物天然氣還是氫能作為可再生能源的屬性。目前可再生能源主要原材料為農(nóng)作物秸稈、畜禽糞污、城市餐飲垃圾、城市生活垃圾填埋場(chǎng)等。結(jié)合目前我國(guó)實(shí)行的生活垃圾分類收集處置的方針，規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的生物天然氣主要來源是城市濕垃圾處理設(shè)施。

2 項(xiàng)目情況介紹

位于某市的濕垃圾處理項(xiàng)目，處理規(guī)模為500噸/日，其中廚余垃圾300t/d，餐飲垃圾200t/d。主要工藝采用厭氧發(fā)酵方式產(chǎn)生沼氣。經(jīng)過計(jì)算沼氣量約為32000m³/d，這些沼氣是經(jīng)過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生，主要成分是CH4、CO2和H2S。沼氣的成分如表1所示：

分析后可以看出，經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的沼氣在熱值、華白指數(shù)等指標(biāo)，與我國(guó)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)天然氣相差甚遠(yuǎn)，不能直接輸送至天然氣管道。需要對(duì)CO2、O2以及其他雜質(zhì)進(jìn)行脫除。

3 生物質(zhì)天然氣工藝流程及產(chǎn)品指標(biāo)

前端工藝產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入氣柜儲(chǔ)存、均質(zhì)、穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后經(jīng)沼氣風(fēng)機(jī)升壓至20~25kPa后送入濕法脫硫系統(tǒng)將硫化氫脫至50mg/m³以下。濕法脫硫后氣體含大量水分，經(jīng)氣液分離之后送入干法脫硫系統(tǒng)將硫化氫脫至10mg/Nm³以內(nèi)。脫硫后沼氣經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)除塵、除水、調(diào)溫后，由沼氣壓縮機(jī)增壓至變壓吸附工作壓力0.5MPa。壓縮后沼氣經(jīng)除油、除水后進(jìn)入揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）脫除塔吸附除臭，進(jìn)一步預(yù)處理凈化原料氣。原料氣最終進(jìn)入變壓吸附裝置進(jìn)行脫碳精制，精制得到的天然氣產(chǎn)品經(jīng)調(diào)壓計(jì)量及加臭后送入市政燃?xì)夤芫W(wǎng)。變壓吸附順放氣高壓部分順放至沼氣螺桿壓縮機(jī)，低壓部分順放至預(yù)處理沼氣羅茨風(fēng)機(jī)入口，吸附提純解析氣部分回流至沼氣羅茨風(fēng)機(jī)入口，其余大部分解析氣送至火炬系統(tǒng)燃燒或直接排空。具體工藝流程如圖1生物質(zhì)天然氣工程流程圖和表2生物質(zhì)天然氣指標(biāo)表所示。

4 氫氣工藝流程及產(chǎn)品指標(biāo)

工藝流程由制氫裝置和二氧化碳液化裝置組成。制氫裝置以沼氣為原料，采用的工藝路線為沼氣濕法甲基二乙醇胺（MDEA）脫碳→蒸汽轉(zhuǎn)化→合成氣濕法MDEA脫碳→變壓吸附（PSA）分離得到產(chǎn)品氫氣。二氧化碳液化裝置以制氫裝置中產(chǎn)生的二氧化碳尾氣作為原料，采用的工藝路線為CO2壓縮→預(yù)冷卻→分子篩干燥/凈化→液化精餾得到食品級(jí)CO2產(chǎn)品。工藝流程如圖2PSA制氫工藝流程圖和表3產(chǎn)品氫氣指標(biāo)表所示。

5 方案對(duì)比

從濕垃圾處理項(xiàng)目本身作為市政基礎(chǔ)的穩(wěn)定運(yùn)行考慮，對(duì)沼氣制天然氣和氫氣從安全性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。

首先我們對(duì)天然氣和氫氣在物化性質(zhì)與危險(xiǎn)特性進(jìn)行對(duì)比，詳見表4天然氣和氫氣的物化性質(zhì)與危險(xiǎn)特性對(duì)比表。

從特比可以看出，氫氣的爆炸極限遠(yuǎn)大于天然氣。同時(shí)氫氣在遇到超過400℃的熱源或明火后會(huì)爆炸，與天然氣比較有較大的活性。在中等規(guī)模項(xiàng)目中較難控制。

從項(xiàng)目本身的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，如表5所示為生物質(zhì)天然氣與制氫經(jīng)濟(jì)比較：

考慮本項(xiàng)目選址的周邊條件考慮。項(xiàng)目選址附近有市政天然氣管道，可以加壓后直接輸送。而氫氣輸送有兩種方法，分別是與天然氣并網(wǎng)輸送和加壓至20MPa采用拖車運(yùn)輸。第一種與天然氣并網(wǎng)輸送技術(shù)并不成熟，而采用加壓后拖車運(yùn)輸費(fèi)用較高。

根據(jù)上述比較，本項(xiàng)目最終選擇厭氧發(fā)酵沼氣PSA工藝制生物質(zhì)天然氣。

6 結(jié)束語

碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)是可再生能源的革命，同時(shí)推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)多元化進(jìn)程。在生物質(zhì)能源中利用厭氧技術(shù)產(chǎn)生的生物質(zhì)氣體作為可再生能源回收利用，是可循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要議題之一。然而在相關(guān)配套設(shè)施上仍然存在差距，如相較于天然氣管道，氫氣管道配套建設(shè)仍不完善，目前國(guó)內(nèi)仍沒有適用于氫氣長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)、建造和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。需要加快對(duì)于氫氣產(chǎn)業(yè)的終端用戶的扶持力度，如氫能汽車等。生物質(zhì)可再生能源取代傳統(tǒng)化石能源是必然之路，對(duì)于節(jié)能減排的效果立竿見影。