城市交通如何利用沼气能源
Li Kangmin, CN
公交车虽冒黑烟少，但其碳氧化合物、硫化物扥指标均高于DO公交车，其中碳氢化合物的排放量比Diesel oil bus 高出127倍。深圳、北京
和上海先后试用后弃用，发出“为什么只有广州独行的？”
城市交通如何利用沼气能源
李康民
以沼气为纽带的中国农村生态能源建设日新月异，目前已有超过1800多万户的中国农户正享受着生态农业带来的好处。一些以农业为主的东盟国家未来也将面
临和中国同样的问题：人均资源日趋减少，环境污染、生态恶化。来自东盟国家的农林官员表示，中国农村发生的这一革命性变化为东盟国家的农村建设提供有益
借鉴。但是，放眼世界，天外有天，我们切不可固步自封。例如把沼气用作运输燃料，其潜在的效率是利用沼气取暖甚至于发电效率的10倍。
今天50%的欧洲能源是欧洲生产的。由于能源需求增加，到2020年欧洲恐怕只能生产需求的30%，在更大程度上要依赖进口，欧盟将依靠发展当地的再生
能源来避免那种尴尬局面。欧洲没有额外的土地来耕种能源作物，进口能源作物又太昂贵。因此欧洲和日本选择潜在的生物燃料对二甲醚的兴趣更浓。对二甲醚是
一种在室温和5个巴的条件下液化的天然气。其能源密度约为柴油的60%。不过引擎需要重新设计才能应用。
欧洲发展沼气的关键动力来自对环境友好且可持续的废物处理、逐步淘汰核电、减少温室气体排放、有效利用生物资源、减少对进口石油的依赖以及为采用氢能开
辟道路的需要。从2005年开始，欧洲不允许在垃圾填埋场填埋有机废物，替代方法是采用堆肥、焚烧或厌氧发酵，从废物产生能源。由于北海的石油资源接近
枯竭，欧洲人十分关切对进口石油的依赖。目前欧洲沼气车用的唯一两个国家是瑞典和瑞士。
欧洲有过一场讨论，讨论沼气能否满足欧洲不同国家对车用燃料的需求。拥有大片森林的芬兰和瑞典沼气的潜力最大，车用燃料的50%以上可以由沼气提供。大
多数欧洲国家25%的车用燃料可以靠沼气供应。
按欧盟有关燃气的条例要求，只要符合国家燃气质量标准，沼气被允许接入天然气管网。瑞典的国家燃气质量标准要求沼气中甲烷含量应大于97%。关于沼渣、
沼液的利用，在疯牛病之后，瑞典和丹麦牛奶委员会不允许把奶牛屠宰场废物生产的生物肥料用来生产饲料，但允许用来种谷类作物。
瑞典的沼气产业
美国在2004年6月组团去瑞典考察了沼气产业，访问团代表了商界、大学、非政府机构和政府官员，包括加州能源委员会长官在内。目的是学习瑞典沼气产业
化的经验，特别是把沼气用作车辆燃料方面的经验，确定哪部分瑞典模式可以在加州和其他目前沼气产业发展不够好的地方得以应用。
近十年来，瑞典在运输业利用沼气作燃料方面走在世界前列。瑞典目前约有4,500辆烧天然气的车辆（CNG），包括主要城市的公交车约45%的燃料来自
沼气，55%来自天然气。加油的基础设施包括24个沼气加油站和20个天然气加油站。到2007年预计使用压缩天然气/沼气的车辆达到7,000辆和天
然气/沼气的加油站35座。尽管沼气目前只占瑞典运输燃料年消耗量的1%不到，沼气生产能力、沼气车辆的数量和沼气加油站的基础设施全都在快速增长。到
2020年，预计将拥有20万辆沼气车辆和150座沼气加油站。瑞典约有20%的运输燃料最终要由当地生产的沼气来满足。
瑞典现在的沼气采用多种分配方案，但其长远目标却是把沼气注入国家天然气管网。在边远地方与天然气管网相接的沼气加油站就能把沼气提供给需用的车辆。因
为在天然气管网中沼气和天然气相混，实际上供应给车辆的燃料是混合气体。瑞典承诺在运输部门对生物燃料的利用从2005年的2%到2010年的
5.75%，2020年将提高到8%。瑞典估计地方生产的沼气可能满足运输燃料需求的20%。使用沼气还有其它好处包括：
(1) 减少污染物对人们健康和环境的负面影响，如氮氧化合物、碳氢化合物和颗粒物。
(2) 沼气是一种可持续废物处理系统的副产品，有机垃圾变成了能源和生物肥料。
(3) 采用沼气燃料是将来迈向以氢能源技术和基础设施的重要一步。
瑞典能源过去50%靠水电、50%靠核电。出于公众对核电的担心（切尔诺贝利和三里岛的核事故），现正逐步淘汰核电，依靠风能和生物燃料来补偿减少的核
电。短期目标是乙醇、沼气和菜籽甲基酯（RME）；长远目标可再生能源是合成气体，其次是沼气。瑞典政府计划2010年比1990年减少温室气体排放约
4%，瑞典政府对产生的二氧化碳上税（0.12美元/公斤）。瑞典环保局拨出12,000万美元减少温室气体，25%用在沼气项目上。
瑞典国家公路管理局认为合成气体（syngas）将是能源供应的主角。目前的合成气项目包括黑液（造纸厂的副产品）的消化和纤维素的消化。在瑞典燃料里
允许有5%的乙醇以减少氮氧化合物，瑞典政府支持沼气项目但并不期待满足车辆燃料需求的1%以上，沼气工厂的甲烷流失是主要关切，因为重大泄露将抵消沼
气作为运输燃料带来二氧化碳减排的好处。
瑞典沼气的特点
沼气用作车辆燃料的想法并不新鲜，但在美国它从来就没有像在瑞典那样成功地实施过。以下所见被认为是瑞典获得成功至关重要的领域，也是与美国有重大不同
之处，美国缺少鼓励把沼气应用到运输部门的政策。
（1） 政策支持 在瑞典沼气产业过程中，在开始阶段和后续行动中，政策支持起关键作用。政府承担减排的责任和增加非石化燃料的使用导致对沼气项目的
大力支持。
（2） 高水平的产业合作 在涉及沼气的各产业部门包括农业、垃圾运输、沼气技术、沼气分配、沼气转运、能源供应、车辆制造商和消费者之间紧密合作，
由哥徳堡商业区管理的沼气大项目是一个成功地协调有关机构的范例。
（3） 多种废物流的联合消化 利用联合消化技术成功地同时消化多种类型的有机废物，利用多种给料提供了重大机遇来增加沼气产量和提高效率，改善沼气
的商业利用。
（4） 沼气提纯技术 今天瑞典采用多种沼气提纯技术。尽管有些沼气提纯技术曾在美国展示过，却从未被广泛使用和成功地商业化。
（5） 沼气分配系统 瑞典成功地显示了沼气分配的多种可能性，包括沼气工厂和沼气加油站之间专用沼气管道、把‘部分清洁的’沼气注入‘城镇沼气’管
网供居民使用以及把提纯沼气输入全国天然气管网。
（6） 双燃料车辆 双燃料车辆（压缩天然气/汽油）在美国少见。而在瑞典到处都是，车辆功能、性能毫无别致，这大大帮助天然气车辆拓宽了市场，包括
私家车。
（7） 公交大巴是沼气工厂的‘固定客户’ 使用压缩天然气的大巴车队是沼气工厂的‘固定客户’。鉴于它们燃料使用率高、运行路线固定和加油设施集
中，是沼气消费的最佳候选。
沼气产业外延
瑞典涉及沼气、能效、温室气体减排以及运输业等其它环境方面所作的努力：
（1） 低热消毒法增加沼气产量 研究表明低热消毒动物下腳 （用70°C加热一小时），热处理后脂肪增多，产出的沼气4倍于未加热的动物下腳。牛屠
宰厂废物所产的甲烷量9倍于猪（1300MJ对140MJ/头）。假如低热消毒法处理其它富含脂肪的废物得到相似的结果，这足以证明它是一种简单、有效
提高沼气产量的方法，再加其它生物量给料的消化或联合消化可大幅度提高产气率。
（2） 改进电动液压系统 瑞典现有一项示范项目是有关混合型垃圾车采用不同的动力源来推进车辆和压实垃圾的。车队有15辆车用压缩天然气引擎，由沼
气作推进动力，液压系统则采用电池组作电源。这种动力的分离消除了推进引擎在压实垃圾期间的空转现象，减少了燃料的消耗和废气的排放，也大大降低了压实
时发出的噪声，这对操作手和社区居民都是好事。涉及压实系统用环境友好的水压替代油压，使用水（70%）、抗冷冻剂（20%）和抗腐蚀剂（3%）的混合
物替代油，初步结果显示性能与非石油为基础的液压相当。该项技术有非凡的潜力，能在卡车工业上解决如何处理废油的问题，瑞典每年必须处理40吨油压废
油，无论从经济还是环保角度看都是有益的。
（3） 用水平钻替代深沟挖掘 － 在瑞典，水平钻挖掘与常规开沟方法相比可以减少埋管道的费用达75%。这一技术也许对今后沼气项目铺设管道在经济上
产生重大影响。
沼气工厂和厌氧发酵
伦德大学正研究发酵罐的最优化设计、实时过程监控给料成分。发酵罐的设计包括农户的和大规模的作业。建造发酵罐的费用占沼气工厂总成本的80%以上，通
过在线对pH、碱度、温度等的监测，有利于提高产量。
阿碧沼气工厂是欧洲生产车用沼气的最大厂家。年处理有机废物54,000吨，其中43,000吨来自肉联厂（75%），其余来自动物粪肥（10%）、农
业残留（15%）。年生产4百万立方车用沼气，50,000吨沼肥，不含人粪尿，因为瑞典法律不允许人粪尿进入田间。两只沼气罐，每只3,700立方。
每天往沼气罐加入150立方、总固体浓度为10-14%。加入铁氟酸盐以减少沼气中的硫化氢含量。水力滞留时间是50天。
拉霍姆沼气工厂是瑞典把提纯的沼气输入天然气管网的唯一工厂。欧洲沼气罐标准要求所有废物进入混料池前必须切碎，其直径不得超过12毫米。每天接受
150立方废物：33%猪粪、27%牛粪、40%屠宰场废物，总固体浓度为10%。一立方废物可产约60立方沼气（70%甲烷），沼气流量为400立
方/小时。提纯后，在注入天然气管网前，加入8%丙烷以提高其热值来满足天然气管道的需要。最终提纯沼气流量为350立方/小时。经后处理的生物肥料和
沼液运回农场由土地利用。作业要素和设备：混料池：700立方；巴氏消毒池：2 x 30立方；巴氏消毒时间：70°C一小时；发酵池：2 x
2200立方；水力滞留时间：35°C（中温）发酵21天；产出池：700 立方 + 2000 立方。沼气工厂人员强调说有一项‘除臭计划’，控制臭
味是整个设计和选址的关键。沼气工厂的成本预计在2,000万美元，年运转费用约180万美元。
埃普沙拉沼气工厂则采用高温发酵法： 固体废物浆化；70°C 低温消毒一小时；完全混合发酵； 55°C（高温）发酵；水力滞留时间20天；沼气池容
积2,800立方。
某种基质所产生的沼气多少依赖基质的成份，例如碳水化合物、蛋白质和脂肪的相对百分比。林柯坪大学对瑞典沼气工厂9种不同的沼气罐的效能作了比较。一立
方被消化的废物所产原沼气的量从18立方到146立方不等，平均63立方。原料基质类型起主要作用，该大学主要用屠宰场高脂肪的废物为基质，产出的沼气
大大高出相同数量的粪肥。不同废物的甲烷产量如下：动物副产品（低温消毒）225立方/吨，动物副产品（不经低温消毒）56立方/吨，屠宰场废物混合物
160立方/吨，源头分拣住房垃圾130立方/吨，粪肥13立方/吨。产气多的原因有三：脂肪含量多；固体含量多；水力滞留时间长，如30-50天，一
般只有20-21天。
瑞典曾进行过一次试验，拥有700公顷土地的农场年使用7万升柴油生产能源作物，再拿作物生产沼气，年生产150万立方沼气（1立方沼气相当于1升柴
油），其经济利益大于种农产品。利用农作物残留做基质，其优越性在：有机物密度高；不需要消毒；基质质量统一；与当地农业系统结合。某种基质的产气数量
决定于基质的成份。
沼气、沼液和沼渣的利用
原沼气（水和杂质最小去除）并入城镇燃气网（与天然气管网分开的）主要供居民烧饭。哥德堡是瑞典唯一原沼气并入‘城镇燃气’网的地方。‘城镇燃气’是一
种混合气体，其成分约一半为甲烷一半为空气。
沼气供应双燃料汽车作燃料。双燃料车辆采用压缩天然气/沼气模式，其主要优点压缩天然气能减少25%的二氧化碳排放，沼气则减少100%的二氧化碳。沃
尔伏汽车制造厂从1996年开始一直在生产双燃料车辆，既可用汽油又可用压缩天然气或沼气作燃料，沃尔伏是沼气大项目的长期支持者。双燃料汽车以汽油或
压缩天然气和沼气作缺损燃料，在天然气或沼气用尽时自动开关转向汽油。不过，也可只用汽油，有手动开关。沃尔伏的轻型客车用压缩天然气的里程约为150
英里，后备用汽油里程150英里。此外，压缩天然气油箱现在可置于车架下，货位不受损失。沃尔伏指出压缩天然气的密度只有柴油的1/3，而其典型的储油
系统成本高达25,000美元。沃尔伏提到与噪声大的柴油引擎相比驾驶员喜欢噪声较小的天然气引擎。沃尔伏压缩天然气/沼气大巴长60英尺，乘坐是一种
享受，现代、舒适和安静。6只压缩天然气引擎汽缸水平按放。
法鲁托噶的沼气加油站，其固定用户是市政压缩天然气/沼气大巴，每年向公交大巴和垃圾车出售250万立升沼气，向私人出售50万立升沼气。每小时加
1,100立方米，一晚上相当70辆车，最快为一辆大巴加油约需10分钟。该站贮存4,000立升沼气250巴作后备。在哥德堡约有100辆压缩天然气
大巴，但并不是每天夜晚需要加气，车上能源贮存为150/200立方200巴，行程约500公里。
在瑞典车用沼气不上税，这一点对沼气商用意义极大。Fordonsgas Vast公司销售的沼气比汽油便宜约30%。压缩沼气大约一加仑3.5美元，
瑞典汽油价格每加仑5美元。Fordonsgas Vast在1995年开始营业，去年收入700万美元，利润率10%。
雷诺佛是哥德堡及其附近最大的废物运输商。也是沼气项目的关键利益攸关者之一。它的125辆垃圾车约有40%现在使用沼气。它还有15辆电油混合垃圾
车，具有独特的、非推进用的电池向液压系统提供动力。这些车还有嵌入式反空转特性，能在驾驶员离开车子后30秒内关闭引擎。
沼肥运回农田利用。沼肥中氮的含量比粪肥高，但磷、钾低。沼肥液多渣少，易于施用、效速。
沼气的提纯
把沼气用作运输燃料，其潜在的效率是利用沼气取暖甚至于发电效率的10倍。因此减少沼气提纯的费用是当务之急。用沼气替代车用汽油能取得重大的环境效
应。不过，通过合适的手段来处理有机废物和其他农业废弃物，间接的环境效益（温室气体和其他污染的减排）甚至大于直接效益。利用沼气作车用燃料是减少温
室气体排放的一个关键因子。在提纯过程中使甲烷的损失最小化。因为甲烷造成的温室效应21倍于二氧化碳。今天的技术可以使甲烷损失小于1 – 2%。
提纯技术方法多种：水洗法，需要用不锈钢管避免水中硫化氢的腐蚀；压力摆吸附(PSA)使用活性炭作吸附剂；乙二醇（Selexol）、甘醇洗，有腐蚀
问题；膜分离，但常碰到物理堵塞问题；化学吸收（用胺），甲烷零损失，能在常压下工作。
1）阿碧沼气工厂采用水洗技术提纯，每小时处理1,360立方沼气，提纯设备成本210万美元，单元成本约0.26美元/立方，在提纯过程中，甲烷的损
失率约为1%，产出沼气的最终甲烷含量为97%。沼气接入专用管道输送到当地的沼气加油站去之前，干燥至露点–80 到 –100°C。
2）格斯罗萨采用低压二氧化碳吸收技术（COOAB），由荷兰公司Cirmac国际制造。低压二氧化碳吸收技术基于二氧化碳胺的吸收，技术相对较新，甲
烷的损失小于0.1%。 低压二氧化碳吸收技术在37°C吸收二氧化碳，在105°C去掉二氧化碳，系统可以再生。格斯罗萨目前是世界唯一利用低压二氧
化碳吸收技术的沼气设施。其基本纯化程序如下：鼓风机把原沼气从贮存箱推出加压到4 – 5巴（1个巴=14.5 磅/平方英寸），使之与低压二氧化碳
吸收技术系统的要求相匹配。让沼气通过两床活性炭系统去掉硫化氢和氨，下一步在二氧化碳吸收接触器上去掉二氧化碳。吸满二氧化碳的吸收装置再送往二氧化
碳剥离器再生，然后再利用。（二氧化碳吸收装置每五年必须更换一次）。使用热转换达到二氧化碳吸收和剥离必需的温度。从满载二氧化碳的吸收装置上剥离的
二氧化碳没有被很好的利用，如用在农业生产上，当然也可提纯用于食品加工等。二氧化碳吸收装置接触器上的甲烷气体含水率高，加压到5-8巴，然后加以干
燥处理，除去水分（露点-80°C）。当沼气压缩成高压气用作车辆燃料时必须干燥以避免水的凝结。在把提纯干燥的沼气注入传输系统之前。最后一步是在沼
气中加THT的臭气（类似于在天然气中相同的臭气），对气体的最后质量进行自动分析。假如沼气不符合质量标准（例如，H2S/O2/CH4/NH3浓
度、热值和露点）沼气会自动转回提纯系统进行再处理。二氧化碳吸收装置的成本约为150万美元，388立方/小时。提纯和设备折旧费成本为0.2美元一
立方提纯沼气。
3）拉霍姆的沼气提纯设备利用乙二醇作二氧化碳的吸收剂。来气含甲烷70%，出气含甲烷97%。在合适的压力和温度下，强迫二氧化碳气流通过吸收柱中的
乙二醇而被去除。（请注意,此处最容易发生甲烷损失）。另外，去除二氧化碳外，提纯设备也去除硫化氢。硫化氢从200 – 2000 ppm降到小于
50 ppm.。（在混料池的污泥中加入锰也可限制硫化氢的产生。）在把提纯的沼气输入天然气管网前，沼气还要去湿（露点减少到约 -50°C ），再
加8%的丙烷以提高其热值（Wobbe指数）满足天然气管道的需要，并压缩到4 个巴（标准的天然气分配管道压力）。来气容积约为每小时500立方，产
气容积约为每小时350立方。沼气提纯设备的总成本为120万美元。提纯沼气的成本一立方为0.16美元。
SWECO认为将来的沼气提纯技术是把原沼气通过低温精炼生产液化天然气(LNG)。这是一个长远的解决办法，它能满足甲烷零损失、沼气有效贮存和运输
的需求。（瑞典现在还没有这么做，美国有好几家公司有现成的沼气-液化天然气系统可买到）。在这一过程中捕获的二氧化碳作为副产品也有市场前景供冷冻车
使用。