本文關(guān)鍵詞：可再生能源雜志，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《可再生能源雜志》2016年第一期

摘要：

采用PROII8.0電解質(zhì)模型模擬了壓力水洗法沼氣脫碳單元的運(yùn)行成本和CH4回收率，要求凈化氣CO2濃度<3.0%，CH4收率>96%。通過(guò)改變進(jìn)口濃度、吸收塔理論板數(shù)、吸收壓力、吸收溫度、閃蒸壓力和再生氣-液比，模擬對(duì)運(yùn)行成本和收率的影響。結(jié)果表明：高理論板數(shù)、低溫、高壓、高閃蒸壓力有利于降低運(yùn)行成本。吸收壓力為0.8MPa，吸收溫度為5℃，閃蒸壓力為0.35MPa時(shí)，沼氣壓力水洗脫碳單元的運(yùn)行成本為14.4分/m3，CH4回收率可以達(dá)到98.4%。

關(guān)鍵詞：

沼氣凈化；低溫水；吸收；模擬

經(jīng)過(guò)脫硫后的沼氣，需要脫除CO2，然后脫水，最后壓縮到25MPa后，才能作為車用燃?xì)獗还扪b、輸送，提供給用戶使用[1]，[2]。沼氣脫碳工藝的方法眾多，選擇合適的路線是降低生產(chǎn)成本和提高CH4收率的關(guān)鍵[3]。壓力水洗法是利用CO2和CH4在水中溶解度的差異，選擇性地溶解大部分CO2和少量甲烷，然后在閃蒸塔內(nèi)回收大部分溶解的CH4，吸收液通過(guò)常壓解吸再生后循環(huán)使用[4]，[5]。水洗法的優(yōu)點(diǎn)是不需要再生蒸汽，適合沼氣生產(chǎn)廠的特點(diǎn)；生產(chǎn)過(guò)程環(huán)保，不消耗化學(xué)試劑，幾乎無(wú)污染物排放，CH4回收率可以達(dá)到96%以上[6]，[7]。目前，壓力水洗法、變壓吸附法和膜分離法是歐洲工業(yè)化使用最多的沼氣脫碳方法。脫碳單元的成本主要集中在沼氣的一級(jí)壓縮機(jī)、增壓離心泵、制冷機(jī)、再生風(fēng)機(jī)等設(shè)備的電能消耗上。影響這些設(shè)備的工藝條件包括沼氣初始CO2濃度、吸收塔理論板數(shù)、吸收壓力、吸收溫度、閃蒸壓力、再生氣-液比等。本文通過(guò)模擬工藝條件的改變，核算單個(gè)設(shè)備的電功率，從而獲得脫碳單元的電耗、生產(chǎn)成本和CH4收率。通過(guò)研究，有利于確定最佳的沼氣脫碳工藝生產(chǎn)條件，指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。

1壓力水洗沼氣脫碳工藝

本研究中脫碳單元工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。從脫硫單元出來(lái)的沼氣，與閃蒸解吸氣混合后進(jìn)入一級(jí)壓縮機(jī)，將氣體升壓到一定的壓力，以便增大在水中的溶解度。然后進(jìn)入水吸收塔底部，塔頂部噴淋水，經(jīng)過(guò)多次相平衡后，沼氣中的大部分CO2和少量CH4被水溶解，帶出吸收塔。吸收液進(jìn)入閃蒸塔，經(jīng)過(guò)一級(jí)壓力釋放，將溶解的大部分CH4和部分CO2解吸出來(lái)，進(jìn)入壓縮機(jī)前混合器，回收大部分CH4。閃蒸后的吸收液，依靠自身壓力進(jìn)入解吸塔頂部，釋放到常壓。解吸塔底部用羅茨風(fēng)機(jī)鼓入新鮮空氣，將吸收液中殘留的大部分CO2解吸出來(lái)。經(jīng)過(guò)吸收、解吸和增壓后，吸收液溫度升高，需要制冷機(jī)降溫，以便循環(huán)使用。脫碳后的沼氣，CO2體積濃度降低到3.0%以下，可以直接進(jìn)入下一級(jí)脫水單元，最后二次壓縮到250kg后灌裝和輸送。

2壓力水洗過(guò)程模擬

2.1設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)料條件如表1所示，沼氣按100m3/h流量計(jì)算。經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓和冷卻后，沼氣溫度按40℃計(jì)算。模擬過(guò)程中輸入的設(shè)備效率如表1所示。設(shè)計(jì)要求：吸收塔出口氣體中CO2體積濃度<3%，CH4體積濃度>96%，CH4回收率>96%。對(duì)于沼氣處理量為100m3/h的中試脫碳裝置，吸收塔塔徑約為400mm，可以使用散堆填料或規(guī)整填料。考慮克服管路阻力和輸送高度，離心泵的出口壓力要比吸收壓力高0.2MPa。工業(yè)電價(jià)按0.75元/kWh計(jì)算運(yùn)行成本。本文主要計(jì)算工藝條件改變對(duì)設(shè)備功率的影響，不考慮設(shè)備與外界熱交換損失冷量造成的功率增加。影響沼氣脫碳過(guò)程的因素主要有：進(jìn)口CO2體積濃度、吸收塔理論板數(shù)、吸收壓力、吸收溫度、閃蒸壓力和再生空氣-吸收液體積比（簡(jiǎn)稱再生氣-液比）。模擬條件如表2所示。當(dāng)改變一個(gè)條件時(shí)，其它條件固定不變（表3），以便獲得單個(gè)條件對(duì)能耗和收率的影響規(guī)律。

2.2模擬方法采用PROII8.0流程模擬軟件和Electrolyse系統(tǒng)中的SourWater數(shù)據(jù)包，選擇SW04電解質(zhì)模型，用于模擬CO2，H2S等酸性氣體在水中的溶解平衡。氣體壓縮和輸送，采用PR模型。

3模擬結(jié)果

3.1沼氣CO2體積濃度的影響由于發(fā)酵原料和過(guò)程的不同，沼氣中的CO2體積濃度為0.2～0.4。通過(guò)改變進(jìn)口體積濃度，模擬需要的吸收液流量、運(yùn)行成本和CH4回收率，結(jié)果如圖2所示。由于沼氣和吸收液是逆流接觸，所以出口吸收液中的CO2體積濃度與沼氣中CO2體積濃度呈線性相關(guān)，即沼氣中CO2體積濃度越高，吸收液中CO2體積濃度相應(yīng)增高，表現(xiàn)為吸收液用量只是隨沼氣中CO2體積濃度增高而輕微增加。沼氣的凈化成本從13.4分/m3少量增加到14.8分/m3，但是由于CH4含量的減少，會(huì)造成每立方米凈化氣運(yùn)行成本的顯著增加。由于吸收液量變化不大，對(duì)應(yīng)的CH4收率無(wú)顯著變化，基本維持在98.4%左右。

3.2吸收塔理論板數(shù)的影響增加吸收塔的理論板數(shù)，可以使氣液接觸更充分，提高吸收率，減少吸收液的用量。當(dāng)理論板數(shù)為2塊時(shí)，需要25m3/h的吸收液流量；當(dāng)理論板數(shù)增加到4塊時(shí)，吸收液用量降到12.5m3/h。從圖3可見(jiàn)，相應(yīng)的沼氣凈化成本從19.1分/m3降低到14.4分/m3。再增加理論板數(shù)時(shí)，對(duì)吸收液流量的降低量不再顯著。研究表明，理論板數(shù)為4塊時(shí)，已經(jīng)能夠達(dá)到比較好的逆流接觸，且不會(huì)顯著增加吸收塔的高度。此外，理論板數(shù)越多，CH4損失越少，CH4收率從理論板數(shù)為2塊時(shí)的95.1%，增加到理論板數(shù)為7塊時(shí)的99.2%。

3.3吸收溫度的影響CO2在水中的溶解度隨溫度增加而降低，水對(duì)CO2的選擇性溶解隨溫度降低而增加，因而，低溫有利于吸收和分離CO2。圖4的模擬結(jié)果表明，吸收溫度為5~25℃時(shí)，沼氣運(yùn)行成本從14.4分/m3增加到17.8分/m3。CH4回收率從98.4%降低到97.9%。與常溫脫碳相比，低溫脫碳需要增加制冷成本，水用量卻大幅度下降，離心泵的能耗下降幅度大于制冷增加的能耗。因而，采用低溫壓力水洗脫碳有利于減少設(shè)備投資和降低運(yùn)行成本。

3.4吸收壓力的影響當(dāng)CO2分壓較低時(shí)，其在水中的溶解度幾乎成一條直線，說(shuō)明增大CO2分壓，能夠減少吸收液用量。模擬結(jié)果如圖5所示，當(dāng)吸收壓力為0.2MPa（閃蒸壓力為0.15MPa）時(shí)，沼氣運(yùn)行成本最低（11.2分/m3）。原因是沼氣的一級(jí)壓縮負(fù)荷下降，不用將大量CO2增壓到0.8MPa的壓力，節(jié)省了壓縮二氧化碳消耗的能量。但是，低壓吸收，需要增大吸收液用量，會(huì)溶解更多CH4從解吸塔排放，使CH4收率下降。離心泵的流量和設(shè)備尺寸需要增大。綜合考慮，0.8MPa壓力可以作為比較經(jīng)濟(jì)的吸收條件。

3.5閃蒸壓力的影響吸收液攜帶部分CH4，需要閃蒸回收，閃蒸壓力是關(guān)鍵。從圖6可以看出，當(dāng)閃蒸壓力從0.5MPa降低到0.2MPa后，CH4回收率從97.2%上升到99.6%。但是，低壓閃蒸，造成更多的CO2解吸，重新進(jìn)入吸收塔吸收，使沼氣能耗從14分/m3增加到16.2分/m3，并且增大了設(shè)備負(fù)荷。選用0.35MPa的閃蒸壓力比較經(jīng)濟(jì)，沼氣能耗和CH4回收率分別為14.4分/m3和98.4%。3.6再生氣-液比的影響吸收液在解吸塔頂泄壓后，塔底空氣進(jìn)行吹脫CO2。由于低溫水和常溫空氣接觸后，溫度略微升高會(huì)增加制冷機(jī)負(fù)荷。當(dāng)再生氣-液比達(dá)到20時(shí)，沼氣運(yùn)行成本增加到15.1分/m3。再生氣-液比對(duì)CH4回收率幾乎無(wú)影響（圖7）。當(dāng)再生氣-液比從20降低到3時(shí)，吸收液殘留的CO2體積濃度從1×10-6增加到60×10-6，不利于貧液的循環(huán)吸收。因此，選擇10作為比較合適的再生氣-液比。

4結(jié)論

采用PROII8.0電解質(zhì)模型模擬了工藝條件對(duì)壓力水洗沼氣脫碳的影響。模擬結(jié)果表明，當(dāng)吸收壓力為0.8MPa、吸收溫度為5℃、閃蒸壓力為0.35MPa和再生氣-液比為10，沼氣CO2體積濃度為0.35，不考慮冷量損失時(shí)，沼氣脫碳單元的運(yùn)行成本為14.4分/m3，CH4回收率可以達(dá)到98.4%。壓力水洗工藝清潔，不需蒸汽再生，適合沼氣工廠采用，制備出的車用燃?xì)饪梢詼p少化石能源的消耗。

參考文獻(xiàn)：

[1]李艷，魏淼，賈紅華，等．高壓水洗沼氣凈化吸收塔的模擬研究[J]．可再生能源，2011，29（5）：71-74．

[1]LiYan，WeiMiao，JiaHonghua，etal.AspenPlussimulationonhighpressurewaterscrubbingabsorberforbiogaspurifying[J].RenewableEnergyResources，2011，29（5）：71-74.

[2]毛薛剛，徐慧芬，毛正余，等．二乙醇胺活化熱鉀堿脫碳塔模擬計(jì)算及優(yōu)化[J]．現(xiàn)代化工，2007，27（2）：491-493．

[2]MaoXuegang，XueHuifen，MaoZhengyu，etal．SimulationofCO2removalprocesswithdiethanolaminje-promotedcarbonatesolvents[J]．ModernChemicalIndustry，2007，27（2）：491-493.

[3]孫劍，夏劍忠，施云海．MDEA—MEA混合醇胺脫硫脫碳的模擬計(jì)算[J]．化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2007，23（3）：279-283．

[3]SunJian，XiaJianzhong，ShiYunhai.ModeIlingofH2SandC02insolutionofMDEA-MEA[J]．ChemicalReactionEngineeringandTechnology，2007，23（3）：279-283.

[4]孫姣，李果，陳振斌．沼氣凈化提純制備車用燃?xì)饧夹g(shù)[J]．現(xiàn)代化工，2014，34（4）：141-146．

[4]SunJiao，LiGuo，ChenZhenbin.Biogaspurificationtechnologyforproducingvehiclegas[J].ModernChemicalIndustry，2014，34（4）：141-146.

[5]尹冰，陳路明，孔慶平．車用沼氣提純凈化工藝技術(shù)研究[J]．現(xiàn)代化工，2009，29（11）：28-33．

[5]YinBing，ChenLuming，KongQingping.Researchonpurificationtechnologyforvehiclebiogas[J].ModernChemicalIndustry，2009，29（11）：28-33.

[6]陳祥，梁芳，盛奎川，，等．沼氣凈化提純制取生物甲烷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]．農(nóng)業(yè)工程，2012，7（2）：21-34．

[6]ChenXiang，LiangFang，ShengKuichuan，etal.Developmentofbiogaspurificationandupgradingtechnologiesforproducingbio-methane[J]．AgriculturalEngineering，2012，7（2）：21-34.

[7]甄峰，李東，孫永明，等．沼氣高值化利用與凈化提純技術(shù)[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35（11）：103-107．

[7]ZhenFeng，LiDong，SunYongming，etal.Highvalueapplicationandpurificationtechnologyofbiogas[J].EnvironmentalScience&Technology，2012，35（11）：103-107。

作者：孔望欣 王紅衛(wèi) 劉學(xué)軍 黃 進(jìn) 林紹杰 齊學(xué)振 盧美貞 單位：浙江醫(yī)藥股份有限公司 昌海生物分公司 浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 浙江省生物燃料利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

  本文關(guān)鍵詞：可再生能源雜志，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。