http://www.gasheat.cn/Periodical/index.html
作
者：
任瑞凯，黄小美，苏文戟，刘一辛，左鑫，赵义
第一作者单位：重庆大学土 木工程学院
摘自《煤气与热力》2022年3月刊
任瑞凯，黄小美，苏文戟，
等
.
基于天然气压力能利用的沼气提纯并网方法
［J］.
煤气与热力，
2022，42（3）
：B30-B35.
沼气需要经过净化提纯，达到天然气的气质标准后才可并入天然气管网，根据分离原理的不同，沼气提纯方法可分为：吸附法、吸收法、膜分离法、低温分离法等
［
1
］
。当前加压水洗法、化学吸收法、
PSA
法和膜分离法等技术已经实现了商业化应用。水洗法是最常见的沼气净化方法
［
2
］
，该方法的原理是利用
CO
2
和
H
2
S
在水中的溶解度远大于甲烷而实现分离。采用高压水洗涤所获得的甲烷纯度可以达到
96
％以上
［
3
］
。水洗法的突出优势是在整个过程中不需要化学品。胺洗法是一种化学吸收方法，该方法的原理是将
CO
2
和
H
2
S
的化学键合到有机洗涤剂上。在化学吸收过程中，通常使用不同的链烷醇胺溶液和乙醇胺水混合物作为吸收剂来分离
CO
2
。
PSA
法即变压吸附法，根据不同压力下吸附剂对不同气体吸附能力的不同，实现沼气中
CO
2
和
CH
4
的分离，常用的吸附剂有活性炭、分子筛和硅胶等。
这些方法中，胺洗法和水洗法甲烷回收率高，能耗低，但需定期补充溶剂，并对污水排放有较高要求；
PSA
法和膜分离法集成度高，运输安装简单。胺洗法和水洗法适用于规模较大的工程，而膜分离法和
PSA
法适用于中小规模的工程。在实际应用中，生物天然气工程还需根据自身的特点选择合适的技术。低温分离法
［
4
］
是利用沼气中甲烷和二氧化碳沸点的显著差异，在低温条件下将二氧化碳转变为液体或固体，并使甲烷依然保持为气相，从而实现二者的分离。低温分离法可以得到纯度极高的二氧化碳和甲烷，但是将沼气冷却到
-80
℃以下，需要消耗大量的能量，能耗高，所以一般不采用。
另一方面，天然气的
长输管道
均采用高压输送，高压天然气管道中蕴藏着巨大的压力能。在输送给城市配气管网时，需要降压，目前通常采用调压器降压，当压降较大时，为了弥补焦耳
-
汤姆逊效应带来的温降，还需要在调压前对输送介质加热，不仅高压管道的压力能被浪费了，还需要额外消耗能源。在降压过程中，天然气温度降低，产生冷能。目前常用的压力能回收利用方式包括压力能发电及压力能制冷两大类，
主要用于发电、制冰、冷水空调、燃气轮机进气冷却、天然气脱水及其液化、制取干冰及液态
CO
2
、轻烃分离、
LNG
及天然气水合物（
NGH
）
调峰、橡胶粉碎和冷库等领域
［
5
］
。现代化城市天然气基础设施完善，城区及周边一般都建有许多天然气调压设施，在需要将城市有机废弃物发酵产生的沼气提纯成生物天然气且并入天然气管网的情况下，恰好可以利用高压天然气中蕴含的压力能，在调压站完成沼气提纯和并网过程。
本文提出了一种利用高压天然气
管道
压力能提纯沼气的工艺，使用
HYSYS
软件进行了模拟及敏感性分析，解决了沼气低温法提纯成本高、能量消耗大以及高压天然气调压过程能源浪费的问题。
本文所提流量均为压力为
101.3 kPa
，温度为
0
℃的标准状态下的流量。文中压力均指绝对压力。
假定通过管道从沼气厂输送而来的待处理沼气压力为
0.2 MPa
，温度为
25
℃，流量为
30
×
10
4
m
3
/d
。待处理沼气的
CH
4
、
CO
2
、
N
2
摩尔分数分别为
0
.
635
、
0
.
350
、
0
.
015
。天然气调压站进口压力为
4 MPa
，出口压力为
0
.
4 MPa
，进口温度为
15
℃，流量为
100
×
10
4
m
3
/d
。天然气组成见表
1
。
利用高压天然气管道压力能提纯沼气的工艺流程见图
1
。高压管道天然气经第
1
台天然气膨胀机
K-100
膨胀至
1.6 MPa
后，进入第
2
台天然气膨胀机
K-101
膨胀至
0.4 MPa
。接着分别流经换热器
HE-106
、
HE-104
和
HE102
与待处理物流进行热量交换，为其提供冷量。最后，天然气进入后续流程。待处理低压沼气先储存于储罐中，实际操作时根据高压天然气的流量调节从储罐流入工艺装置待处理低压沼气的流量。
图
1
利用高压天然气管道压力能提纯沼气的工艺流程
E.
冷却器
HE.
换热器
C.
压缩机
K.
膨胀机
VLV.
节流阀
S.
分离器
待处理低压沼气首先经过
3
台沼气压缩机加压至
5 MPa
，然后进入
换热器
HE-100
预冷，来自第
1
台分离器
S-100
下方出口的物流为其提供冷量。接着进入换热器
HE-101
和
HE-102
进行换热，温度降至
-45
℃，物流
9
进入第
1
台分离器进行初次提纯。分离后，提纯后的沼气从上方出口流出。物流
11
则流入用于冷却高温沼气流的换热器
HE-100
。为了让物流
10
满足第
2
分离阶段的要求，使其经过换热器
HE-103
后，温度达到
-52
℃。物流
13
经换热器
HE-104
降温至
-61
℃，然后物流
14
进入节流阀
VLV-100
，将压力和温度降至
4 MPa
和
-67.01
℃。达到上述压力和温度后，沼气进入第
2
个分离器
S-101
。之后物流
18
从上方出口流出。随后依次经过换热器
HE-105
、
HE-106
，然后流经节流阀
VLV-101
后，其压力和温度分别为
0.4 MPa
和
-120
℃。在最后阶段，物流
21
进入第
3
分离阶段。分离器
S-102
的残留物从底部流出，进入换热器
HE-103
，以降低物流
10
的温度，物流
26
经收集后可用于制作干冰等。提纯后的沼气从分离器
S-102
的顶部排出，并通过换热器
HE-105
和换热器
HE-101
，以利用其冷量，最后经缓冲罐，物流
28
进入
0.4 MPa
的天然气管网，物流
27
、
29
均为沼气储罐下方排出废料，集中处理。工艺流程中各物流参数见表
2
。
压缩机
C-100
、
C-101
、
C-102
的输入功率分别为
774.5
、
643.0
、
360.4 kW
，膨胀机
K-100
、
K-101
的输出功率分别为
744.0
、
904.2 kW
。
上述的工艺流程中，为了解决天然气压力流量与待处理沼气压力流量不相匹配的问题，在待处理沼气侧设置双膜储罐。整个流程以高压天然气能够提纯的沼气流量为基准，处理不了的沼气储存于双膜储罐中。两台天然气膨胀机产生的功用于发电，电能优先用于驱动沼气压缩机压缩沼气，多余的电量上网，驱动压缩机电量不足时从电网取电。
低温分离法是利用沼气中甲烷和二氧化碳组分沸点的显著差异，在低温条件下将二氧化碳转变为液体或固体，并使甲烷依然保持为气相，从而实现二者的分离。甲烷及二氧化碳的饱和温度和饱和压力曲线见图
2
。
图
2
甲烷及二氧化碳的饱和温度和饱和压力
［
6
］
由图
2
可知，在压力相同的条件下，二氧化碳的饱和温度与甲烷饱和温度相比较高。因此，当沼气温度降低时，二氧化碳被优先液化。
相平衡方程是计算液化过程物理参数的基础
［
7
］
。模拟流程采用
Peng-Robinson
方程
［
7
］
对物流热物性进行计算。流程中的物料流运算均满足质量守恒方程，能量流运算均满足能量守恒方程。
经过软件模拟计算，天然气体积流量为
100
×
10
4
m
3
/d
、进口压力为
4 MPa
、出口压力为
0.4 MPa
的情况下，可以将体积流量为
30
×
10
4
m
3
/d
、压力为
200 kPa
、甲烷摩尔分数为
63.5%
的沼气提纯至甲烷摩尔分数为
95.4%
，单位能耗为
0.010 4 kW
·
h/m
3
。
在高压管道天然气体积流量一定的情况下，分析天然气进口压力、天然气出口压力、待处理沼气的流量、待处理沼气压力对单位能耗的影响。
在待处理沼气体积流量为
30
×
10
4
m
3
/d
、压力为
0.2 MPa
，天然气体积流量为
100
×
10
4
m
3
/d
、出口压力为
0.4 MPa
的情况下，天然气进口压力对单位能耗的影响见图
3
。可以看出，随着天然气进口压力的升高，由于天然气出口压力一定，天然气进出口压差增大，高压天然气通过膨胀机产生的输出功越多，而压缩沼气所消耗的功不变，单位能耗随之下降。
在待处理沼气体积流量为
30
×
10
4
m
3
/d
、压力为
0.2 MPa
，天然气体积流量为
100
×
10
4
m
3
/d
、进口压力为
4 MPa
的情况下，天然气出口压力对单位能耗的影响见图
4
。可以看出，随着天然气出口压力的升高，由于天然气进口压力一定，天然气进出口压差减小，高压天然气通过膨胀机产生的输出功越少，而压缩沼气所消耗的功不变，单位能耗随之升高。
在待处理沼气压力为
0.2 MPa
，天然气体积流量为
100
×
10
4
m
3
/d
、进口压力为
4 MPa
、出口压力为
0.4 MPa
的情况下，待处理沼气体积流量对单位能耗的影响见图
5
。可以看出，随着待处理沼气体积流量的增加，压缩沼气所消耗的功增加，高压天然气通过膨胀机产生的输出功不变，虽然待处理沼气流量也增加，但单位能耗整体上还是呈增加趋势。
在待处理沼气体积流量为
30
×
10
4
m
3
/d
，天然气体积流量为
100
×
10
4
m
3
/d
、进口压力为
4 MPa
、出口压力为
0.4 MPa
的情况下，待处理沼气压力对单位能耗的影响见图
6
。可以看出，随着待处理沼气压力的升高，由于压缩后的沼气压力一定，所以压缩沼气所消耗的功减少，而高压天然气膨胀产生的输出功是一定的，因此单位能耗呈下降趋势。
①天然气体积流量为
100
×
10
4
m
3
/d
、进口压力为
4 MPa
、出口压力为
0.4 MPa
的情况下，可以将体积流量为
30
×
10
4
m
3
/d
、压力为
200 kPa
、甲烷摩尔分数为
63
.
5%
的沼气提纯至甲烷摩尔分数为
95
.
4%
，单位能耗为
0
.
010 4 kW
·
h/m
3
。
②当其他条件一定时，天然气进口压力升高，单位能耗下降；天然气出口压力升高，单位能耗升高；待处理沼气流量增加，单位能耗增加；待处理沼气压力升高，单位能耗下降。
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