生物天然氣混入城鎮燃氣管網的條件

吳媛媛， 張佳維， 常旭寧

(北京市燃氣集團研究院，北京100011)

1 概述

生物天然氣是指以農作物秸稈、畜禽糞便、生活垃圾、工業有機廢水等各類城鄉有機廢棄物為原料，經轉化和凈化提純產生的綠色低碳清潔可再生的非常規天然氣，重要組分為甲烷。作為綠色低碳的可再生氣源，在改善生態環境、促進可持續發展的同時，也成為了城鎮燃氣的補充氣源，在一定程度上緩解部分地區天然氣用氣緊張問題。

為促進生物天然氣的發展，降低我國天然氣的對外依存度，國家將生物天然氣納入國家能源體系中，并出臺了相關政策和技術標準以支持生物天然氣發展。目前，國內已建和在建的生物天然氣項目主要以生產CNG車用氣為主，少部分為獨立管網直接供周邊用戶，混入城鎮燃氣管網的項目和氣量并不多，主要原因是生物天然氣混入現有城鎮燃氣管網是否會對用戶用氣安全帶來影響有待商榷。本文分析混入城鎮燃氣管網生物天然氣的質量要求及互換性，探討生物天然氣中的雜質和污染物對燃具使用安全和人員身體健康的影響。

2 質量要求及互換性分析

① 質量要求

GB 50028—2016《城鎮燃氣設計規范》第3.2.1條、3.2.2條第1款對城鎮燃氣質量進行了規定：城鎮燃氣(應按基準氣分類)的熱值和組分的波動應符合城鎮燃氣互換的要求；城鎮燃氣偏離基準氣的波動范圍宜按現行的國家標準GB/T 13611《城市燃氣分類》的規定采用，并應適當留有余地；天然氣熱值、總硫和硫化氫含量、水露點指標應符合現行國家標準GB 17820《天然氣》的一類氣或二類氣的規定；在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣的烴露點應比最低環境溫度低5 ℃；天然氣中不應有固態、液態或膠狀物質。

在標準參比條件下(101.325 kPa，20 ℃)，GB 17820—2018《天然氣》按高熱值、總硫(以硫計)質量濃度、硫化氫質量濃度、二氧化碳物質的量分數將天然氣分為一類、二類。對水露點、烴露點進行了規定：在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣中不應存在液態水和液態烴。GB 17820—2018對天然氣的質量要求見表1。

表1 GB 17820—2018對天然氣的質量要求

NB/T 10136—2019《生物天然氣產品質量標準》在相同標準參比條件下，對生物天然氣進行了分類(見表2)。對水露點進行了規定：水露點應比輸送條件下最低環境溫度低5 ℃。由表2可知，與GB 17820—2018不同的是，除表1技術指標外，NB/T 10136—2019還對不同等級生物天然氣的甲烷物質的量分數、氧物質的量分數進行了規定。

根據NB/T 10136—2019對生物天然氣質量的規定，為符合GB 17820—2018對二類天然氣的質量要求，進入城鎮燃氣管網的生物天然氣至少應符合NB/T 10136—2019規定的二類氣的標準。同時，還應滿足在交接點的壓力和溫度條件下，生物天然氣中不存在液態水和液態烴。

表2 NB/T 10136—2019對生物天然氣的質量要求

② 互換性分析

燃具是按一定的燃氣組成和熱負荷設計的，對于在用的燃具，當燃氣組成變動超過一定范圍時，燃具將出現不適應，造成燃燒不穩定，出現回火、黃焰等問題。居民、商業、供暖鍋爐等用戶一般對天然氣質量的要求較低，而玻璃、陶瓷等精細化工用戶以及大型燃氣輪機發電廠對天然氣質量的穩定性要求較高。

NB/T 10136—2019規定的二類氣技術指標對應GB/T 13611—2018《城鎮燃氣分類和基本特性》規定的10T天然氣。在混入城鎮燃氣管網前，應進行互換性評價工作，以適應在用燃具的要求[1]。

3 雜質和污染物的影響

由以上分析可知，混入城鎮燃氣管網的生物天然氣應符合NB/T 10136—2019規定的二類氣的標準。即甲烷物質的量分數至少為95%，其他應為二氧化碳、氧氣、硫化物以及其他雜質等。由于生物天然氣原料種類較多，原料氣主要分為畜禽糞污、秸稈和餐廚垃圾制沼氣、垃圾填埋氣、污水污泥制氣以及工業有機廢水制氣。由于原料的不同，產生的生物天然氣的質量也有差異。特別是垃圾填埋氣、污水污泥制氣，由于原料來源復雜，氣體中會含有較多雜質，如VOCs(揮發性有機物)、揮發性硅等。在使用中，VOCs等污染物會對人體健康產生危害。長期燃用含有揮發性硅的燃氣，易對鍋爐、燃氣內燃機、燃氣輪機以及燃氣汽車發動機的燃燒室、火花塞、閥門等造成嚴重的損壞[2]。

由于生物天然氣混入城鎮燃氣管網的項目比較少且運行時間短，國內目前該方面的研究以及技術標準不足。NB/T 10136—2019對雜質和污染物未作規定。國外特別是歐洲，生物天然氣混入城鎮燃氣管網的應用已經有了相對豐富的經驗和技術積累，制定了相關技術標準與衛生標準，對混入城鎮燃氣管網的生物天然氣的組成，特別是雜質、污染物的質量濃度進行嚴格控制。如荷蘭規定生物天然氣中氯化物質量濃度不能超過50 mg/m3，氟化物質量濃度不能超過25 mg/m3。瑞士規定生物天然氣中鹵化物的質量濃度不能超過1 mg/m3。

歐盟標準BS EN 16723.1-2016《運輸用天然氣和生物甲烷以及天然氣管網充注生物甲烷：天然氣管網充注生物甲烷的規格》對混入管網的生物天然氣中的各類雜質和污染物的限值進行了規定，主要包括揮發性硅、一氧化碳、氨、胺、氟化物、氯化物等物質。歐洲標準化委員會頒布的CEN/TR 17238-2018《基于健康評價標準的生物甲烷污染物建議限值》技術報告中給出了基于衛生評價的對生物天然氣中雜質和污染物限值的評估方法，以確定雜質、污染物在生物天然氣中的可接受質量濃度。