可再生能源制生物天然气技术

涂扬举，国能大渡河流域水电开发有限公司，党委书记、董事长/教授级高 级工程师，福州大学本科毕业，四川大学工学博士,四川大学客座教授,教授级高 级工程师，享受国务院政府特殊津贴待遇专家。从事工程建设和管理三十余年。曾参加国家自然科学基金等重点科研生产项目10余项，获得省部级以上科技成果奖励20余项。对智慧企业建设有深入研究，在业界首次系统提出了建设智慧企业的思路，首次系统阐述了智慧企业理论体系和框架，首次在大型国有企业应用实践。荣获第24届管理创新成果一等奖，2018年产学研合作创新成果一等奖、2018年度“发明创业成果奖”一等奖、四川省科学技术进步一等奖等,荣获全国劳模、四川省杰出企业家、全国优 秀企业家等称号。

生物质厌氧发酵产沼气技术、固体氧化物电解池技术、二氧化碳甲烷化技术以及沼气-SOEC电制甲烷系统

天然气是全球经济的主要燃料，其燃烧所产生的氮氧化物、一氧化碳以及可吸入悬浮微粒极少，产生的二氧化碳也少于其他化石燃料，造成的温室效应相对较低。然而，我国天然气只占能源消费总量的8.1%，约为全球平均水平的1/3。在“3060碳达峰 碳中和”两大目标的约束下，以及国家能源结构迫切需要向清洁低碳高效转型的情形下，天然气作为传统化石能源中最具潜力的清洁能源，正成为我国能源结构深度调整的主要抓手和低碳转型发展的重点任务。

生物天然气一般来源于餐厨垃圾、畜禽粪便、农林废弃物等有机质厌氧发酵产生的沼气。沼气经过分离净化后所得的生物天然气，是重要的绿色清洁燃料。2019年12月，国家发改委、生态环境部、农业农村部等十部委联合发布《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》，提出积极发展新的生物天然气可再生能源产业，制定了到2030年生物天然气年产量达到200亿立方米的目标。

通过电解水制氢技术将富余清洁电力转化得到氢能，然后与沼气中的CO2进行甲烷化得到生物天然气，不仅能够实现生物天然气制备的碳减排，还能提升生物天然气的产量，实现沼气资源化利用，以及大规模消纳富余清洁能源，更有望部分缓解我国天然气产量不足的难题。其中，以固体氧化物电解池（SOEC）技术为核心的电制生物天然气，由于其高能效的特点，是国际科技竞争的焦点。目前丹麦Topsoe已经建立了50 kW的SOEC电制生物天然气装置，并正在筹建更大规模的示范案例；国内尚无相关的示范案例。为了进一步推动电制生物天然气技术研发与示范，国能大渡河流域水电开发有限公司组织并联合清华四川能源互联网研究院、四川大学等有关专家编写了《可再生能源制生物天然气技术》一书。

本书共分5章，主要对电制生物天然气技术背景和产业发展、生物质厌氧消化产沼气技术、固体氧化物电解池技术、二氧化碳甲烷化技术以及沼气-SOEC电制甲烷系统集成等进行阐述，可为电制生物天然气相关领域研发的科技工作者、政府部门管理人员、企业管理人员和工程示范专家提供参考。

本书在编著过程中得到了四川省科技厅、成都市科技局、国家能源投资集团有限责任公司，以及四川省各地政府和有关部门的大力支持，得到了有关协会与机构的大力帮助，特此致谢！

由于时间仓促，不足之处敬请指正。

著 者

2021年12月

第1章 绪论 1
1．1 天然气产业的发展方向与应用 1
1．1．1　天然气在我国能源结构中的地位与前景 1
1．1．2　生物天然气发展的战略意义 2
1．1．3　碳中和下可再生能源制天然气的发展机遇 3
1．2 国内外可再生能源制天然气现状 5
1．2．1　沼气提纯制生物天然气现状 5
1．2．2　可再生能源电力制天然气 8
1．3 我国发展可再生能源制天然气的意义 12
1．3．1　缓解天然气供需矛盾，保障能源安全 12
1．3．2　保护生态环境，促进沼气规模化开发 14
1．3．3　促进可再生能源电力消纳，助力能源健康发展 15
1．4 本章小结 16
参考文献 17

第2章 生物质厌氧消化产沼气技术研究 19
2．1 生物质厌氧消化概述 19
2．1．1　生物质资源概况 19
2．1．2　厌氧消化代谢过程 20
2．1．3　厌氧消化过程的影响因素 22
2．1．4　厌氧消化工艺发展 24
2．2 厌氧消化中微生物的工作原理 26
2．2．1　厌氧消化体系的微生物群落 26
2．2．2 厌氧消化微生物代谢的影响因素 36
2．3 厌氧消化产沼气的工艺过程 39
2．3．1 理化性质随负荷变化 39
2．3．2 生物炭和负载铁生物炭对厌氧消化的影响 41
2．3．3 生物炭对厌氧消化的影响机制 48
2．4 本章小结 50
参考文献 50

第3章 固体氧化物电解池技术开发 52
3．1 SOEC概述 52
3．1．1 SOEC基本原理和组成 53
3．1．2 SOEC电解的热力学和其他基本概念 55
3．1．3 SOEC的分类 58
3．1．4 SOEC特点及应用 59
3．1．5 SOEC研究现状 59
3．2 SOEC阳极材料 61
3．2．1 阳极材料的基本要求 61
3．2．2 阳极材料的种类 62
3．2．3 阳极材料的老化衰减 63
3．3 SOEC阴极材料 64
3．3．1 阴极材料的基本要求 64
3．3．2　阴极材料的种类 65
3．3．3　阴极材料的制备方法 66
3．3．4　阴极材料的老化衰减 67
3．4 SOEC电解质 68
3．4．1　电解质特性 68
3．4．2　电解质类型 69
3．4．3　电解质烧结 70
3．5 SOEC连接体 71
3．5．1　连接体及其分类 71
3．5．2　陶瓷连接体及其改性 72
3．5．3　金属连接体及其改性 72
3．6 SOEC电芯及电池堆 73
3．6．1　SOEC分类 73
3．6．2　管式SOEC 74
3．6．3　平板式SOEC 75
3．6．4　扁管式SOEC 76
3．7 扁管式SOEC的研究 77
3．7．1　单体电池制备工艺 77
3．7．2　单体电池设计及优化 78
3．7．3　单体电池的充电性能 78
3．7．4　电池堆的制备及优化 79
3．8 本章小结 79
参考文献 80

第4章 CO2催化甲烷化及反应机理研究 81
4．1 CO2催化甲烷化概述 81
4．1．1　CO2转化与利用 81
4．1．2　CO2加氢甲烷化的意义 83
4．1．3　CO2加氢甲烷化反应过程面临的问题与挑战 84
4．2 CO2甲烷化机理与催化剂设计 85
4．2．1　CO2分子活化与转移机理 85
4．2．2　CO2加氢制甲烷催化剂体系 86
4．2．3　硅酸镍纳米管催化剂 88
4．2．4 石墨烯插层Ni基催化剂 97
4．3 CO2甲烷化装置与运行稳定性 113
4．3．1 甲烷化装置 113
4．3．2 甲烷化稳定性 123
4．4 CO2甲烷化系统工艺优化与能耗 125
4．4．1 甲烷化工艺 125
4．4．2 工艺优化与能耗分析 132
4．5 本章小结 138
参考文献 139

第5章 基于沼气-SOEC的电制甲烷系统集成研究 141
5．1 沼气-SOEC制甲烷整体集成方案 141
5．1．1 工艺流程 141
5．1．2 测试系统 142
5．1．3 集成方案设计 143
5．1．4 集成应用方案 147
5．2 可再生能源制生物天然气能耗分析 148
5．3 可再生能源制生物天然气经济性分析 151
5．3．1 投资成本分析 151
5．3．2 投资收益边界分析 154
5．4 可再生能源制天然气的综合效益 157
5．5 本章小结 158
参考文献 159