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《可再生能源雜志》2016年第一期

摘要：

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

關鍵詞：

沼氣凈化；低溫水；吸收；模擬

經過脫硫后的沼氣，需要脫除CO2，然后脫水，最后壓縮到25MPa后，才能作為車用燃氣被罐裝、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成本和提高CH4收率的關鍵[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，然后在閃蒸塔內回收大部分溶解的CH4，吸收液通過常壓解吸再生后循環使用[4]，[5]。水洗法的優點是不需要再生蒸汽，適合沼氣生產廠的特點；生產過程環保，不消耗化學試劑，幾乎無污染物排放，CH4回收率可以達到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壓縮機、增壓離心泵、制冷機、再生風機等設備的電能消耗上。影響這些設備的工藝條件包括沼氣初始CO2濃度、吸收塔理論板數、吸收壓力、吸收溫度、閃蒸壓力、再生氣-液比等。本文通過模擬工藝條件的改變，核算單個設備的電功率，從而獲得脫碳單元的電耗、生產成本和CH4收率。通過研究，有利于確定最佳的沼氣脫碳工藝生產條件，指導工業生產。

1壓力水洗沼氣脫碳工藝

本研究中脫碳單元工藝流程簡圖如圖1所示。從脫硫單元出來的沼氣，與閃蒸解吸氣混合后進入一級壓縮機，將氣體升壓到一定的壓力，以便增大在水中的溶解度。然后進入水吸收塔底部，塔頂部噴淋水，經過多次相平衡后，沼氣中的大部分CO2和少量CH4被水溶解，帶出吸收塔。吸收液進入閃蒸塔，經過一級壓力釋放，將溶解的大部分CH4和部分CO2解吸出來，進入壓縮機前混合器，回收大部分CH4。閃蒸后的吸收液，依靠自身壓力進入解吸塔頂部，釋放到常壓。解吸塔底部用羅茨風機鼓入新鮮空氣，將吸收液中殘留的大部分CO2解吸出來。經過吸收、解吸和增壓后，吸收液溫度升高，需要制冷機降溫，以便循環使用。脫碳后的沼氣，CO2體積濃度降低到3.0%以下，可以直接進入下一級脫水單元，最后二次壓縮到250kg后灌裝和輸送。

2壓力水洗過程模擬

2.1設計依據進料條件如表1所示，沼氣按100m3/h流量計算。經過壓縮機增壓和冷卻后，沼氣溫度按40℃計算。模擬過程中輸入的設備效率如表1所示。設計要求：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。工業電價按0.75元/kWh計算運行成本。本文主要計算工藝條件改變對設備功率的影響，不考慮設備與外界熱交換損失冷量造成的功率增加。影響沼氣脫碳過程的因素主要有：進口CO2體積濃度、吸收塔理論板數、吸收壓力、吸收溫度、閃蒸壓力和再生空氣-吸收液體積比（簡稱再生氣-液比）。模擬條件如表2所示。當改變一個條件時，其它條件固定不變（表3），以便獲得單個條件對能耗和收率的影響規律。

2.2模擬方法采用PROII8.0流程模擬軟件和Electrolyse系統中的SourWater數據包，選擇SW04電解質模型，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模擬結果

3.1沼氣CO2體積濃度的影響由于發酵原料和過程的不同，沼氣中的CO2體積濃度為0.2～0.4。通過改變進口體積濃度，模擬需要的吸收液流量、運行成本和CH4回收率，結果如圖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，即沼氣中CO2體積濃度越高，吸收液中CO2體積濃度相應增高，表現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，會造成每立方米凈化氣運行成本的顯著增加。由于吸收液量變化不大，對應的CH4收率無顯著變化，基本維持在98.4%左右。

3.2吸收塔理論板數的影響增加吸收塔的理論板數，可以使氣液接觸更充分，提高吸收率，減少吸收液的用量。當理論板數為2塊時，需要25m3/h的吸收液流量；當理論板數增加到4塊時，吸收液用量降到12.5m3/h。從圖3可見，相應的沼氣凈化成本從19.1分/m3降低到14.4分/m3。再增加理論板數時，對吸收液流量的降低量不再顯著。研究表明，理論板數為4塊時，已經能夠達到比較好的逆流接觸，且不會顯著增加吸收塔的高度。此外，理論板數越多，CH4損失越少，CH4收率從理論板數為2塊時的95.1%，增加到理論板數為7塊時的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的模擬結果表明，吸收溫度為5~25℃時，沼氣運行成本從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備投資和降低運行成本。

3.4吸收壓力的影響當CO2分壓較低時，其在水中的溶解度幾乎成一條直線，說明增大CO2分壓，能夠減少吸收液用量。模擬結果如圖5所示，當吸收壓力為0.2MPa（閃蒸壓力為0.15MPa）時，沼氣運行成本最低（11.2分/m3）。原因是沼氣的一級壓縮負荷下降，不用將大量CO2增壓到0.8MPa的壓力，節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。離心泵的流量和設備尺寸需要增大。綜合考慮，0.8MPa壓力可以作為比較經濟的吸收條件。

3.5閃蒸壓力的影響吸收液攜帶部分CH4，需要閃蒸回收，閃蒸壓力是關鍵。從圖6可以看出，當閃蒸壓力從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，并且增大了設備負荷。選用0.35MPa的閃蒸壓力比較經濟，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，塔底空氣進行吹脫CO2。由于低溫水和常溫空氣接觸后，溫度略微升高會增加制冷機負荷。當再生氣-液比達到20時，沼氣運行成本增加到15.1分/m3。再生氣-液比對CH4回收率幾乎無影響（圖7）。當再生氣-液比從20降低到3時，吸收液殘留的CO2體積濃度從1×10-6增加到60×10-6，不利于貧液的循環吸收。因此，選擇10作為比較合適的再生氣-液比。

4結論

采用PROII8.0電解質模型模擬了工藝條件對壓力水洗沼氣脫碳的影響。模擬結果表明，當吸收壓力為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，沼氣脫碳單元的運行成本為14.4分/m3，CH4回收率可以達到98.4%。壓力水洗工藝清潔，不需蒸汽再生，適合沼氣工廠采用，制備出的車用燃氣可以減少化石能源的消耗。

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作者：孔望欣 王紅衛 劉學軍 黃 進 林紹杰 齊學振 盧美貞 單位：浙江醫藥股份有限公司 昌海生物分公司 浙江工業大學 化學工程學院 浙江省生物燃料利用技術研究重點實驗室