高压水洗沼气净化吸收塔的模拟研究.docx

李 艳， 魏 淼， 贾红华， 郝 宁， 耿文华， 严 明， 韦 萍（南京工业大学 生物与制药工程学院，材料化学工程国家重点实验室， 江苏 南京 210009）摘 要： 运用 Aspen Plus 软件对沼气高压水洗净化工艺中的吸收塔进行了模拟计算。 选用 RadFrac 单元操作模型，采用 NRTL 热力学性质计算方法，对吸收塔的填料高度和吸收剂用量进行了初步设计，在一定操作条件下考 察了塔顶、塔底组成和塔内流量、温度及组成分布的情况、吸收过程中压强、吸收剂用量及吸收塔填料高度对净 化后生物甲烷纯度的影响。 模拟数据对实际应用具有指导意义。关键词： Aspen Plus； 沼气净化； 高压水洗； 吸收塔； 模拟中图分类号： TK6； S216.4文献标志码： A文章编号： 1671-5292（2011）05-0071-04Aspen Plus simulation on high pressure water scrubbingabsorber for biogas purifyingLI Yan， WEI Miao， JIA Hong-hua， HAO Ning， GENG Wen-hua， YAN Ming， WEI Ping（State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering ，College of Biotechnology and PharmaceuticalEngineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009， China）Abstract： Aspen Plus has been used to simulate the high pressure water scrubbing absorption pro-cess for biogas purifying by using the RadFrac unit operation model and the NRTL thermodynamic model. Packed height and absorbent dosage for the packed absorber were preliminarily designed. Under the certain operating conditions, the effect of the components at the top and bottom 、 flow rate、 temperatures、compositions distribution、pressure in the absorber, absorbent dosage and the packed height on the purified methane were investigated. The simulation data are instructive to the practical applications.Key words： Aspen Plus； biogas purifying； high pressure water scrubbing； absorber； simulation生物甲烷是一种优质的可再生能源，一般指微生物厌氧发酵农作物秸秆、粪便、城市生活垃圾 等低劣生物质产生的沼气， 通过净化， 脱除大量 CO2、 少量 H2S 和 H2O 而得到的甲烷含量在 90% 以上的产物。 它和压缩天然气的甲烷含量相当， 可通过管道输送或压缩 ， 用于生活燃料和车用 燃 料 ， 还可以用于发电 ， 进 行 热 电 联 产 ， 是 替 代 汽油、天然气、石油液化气和煤炭最好的生物质能源13。 与传统沼气不同的是，它便于贮运，可远距 离和流动使用（ 车用）， 大大提高了其应用价值 。 与化石能源相比，它能极大地降低温室气体排放。欧盟、 美国等发达国家越来越青睐于发展低劣生物质生产甲烷，并已在发酵技术、气体净化、储存、 输送等方面奠定了良好的工作基础。 尽管我国的 沼气产业发展比较早， 但与国外相比还有较大差 距，并且尚未形成规模化的生物甲烷产业4。沼气净化是从沼气发酵到 CH4 制造的关键环节。沼气通常含有 55%70%的 CH4，30%45%的 CO2。 根据原料来源的不同，沼气中还可能含有微量的 N2、H2S、 氨和卤化物等5。 沼气通过净化 后，即得到高热值、低污染的生物甲烷。目前，沼气 净化工艺有化学吸收、高压水洗、变压吸附、低温收稿日期： 2010-06-30。基金项目： 国家重点基础研究发展计划（973 计划）项目（2009CB724700）；国家科技支撑计划项目（2011BAD15B02）；江苏省科技支撑计划项目（BE2010359）。作者简介： 李 艳（1975-），女，博士，讲师，主要从事分子酶工程与生物质能源研究工作。 E-mail：通讯作者： 贾红华（1979-），男，博士，副教授，主要从事生物质与生物能源研究工作。 E-mail：50CH4CO2a 40H2SP501/ 30压总相 20气1000.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14液相组分的物质的量分数图 1 25 下 CH4，CO2 和 H2S 的压力-液相组成图 Fig.1 Pressure-liquidoid composition diagram of CH4，CO2 and H2S at 25 废气 水吸 收沼气塔闪吹干 蒸脱罐塔燥 塔生物甲烷空气废水图 2 沼气净化高压水洗工艺流程示意图Fig.2 Flowsheet of high pressure scrubbing for biogas purifying可再生能源2011，29（5）液化和膜分离等工艺过程5，6。 水洗或用聚乙二醇水溶液洗涤7 和用碳分子筛进行变压吸附8 是去 除 CO2 最常用的方法。 而乙醇胺、二甲乙醇胺等 化学吸收9及膜分离技术10、低温液化11等方法较 少使用。从经济性和环境友好性考虑，水洗工艺被 认为是沼气净化的良好选择12。 荷兰 DMT 环境技 术公司所开发的生物气甲烷提纯系统就是基于高 压水洗工艺， 现已成功应用于年产生物甲烷 6106 m3 的沼气净化工厂。Aspen Plus 是一款功能强大的标准化大型流程 模拟软件，它已应用于石油化工、煤炭、医药、冶金、 环境保护、食品加工等许多工业领域，在过程开发、 过程设计与改造中发挥着重要的作用。 本研究以 沼气高压水洗工艺中的核心操作单元吸收塔为研 究对象，运用 Aspen Plus 对其进行模拟分析，以期 为后续工艺的优化与实际应用奠定基础。1 沼气净化高压水洗工艺沼气高压水洗工艺是根据 CO2，H2S 和 CH4 在 水 中溶解度的不同而设计的 ，CO2 和 H2S 比 CH4 更容易溶解于水。 高压和低温有利于气体溶 解于液相。 如图 1 所示，25 时随着气相总压的减少了 CH4 的损失。 吸收了 CO2 和 H2S 的水通过闪蒸和吹脱后可以再生循环使用。 经吸收塔处理 后得到的 CH4 气体通过干燥塔吸收气体中少量 的水分，即得到高纯度的生物甲烷。2吸收塔过程模拟设计依据模拟条件： 用 Aspen Plus 软件模拟； 用NRTL 模型计算汽液平衡；用 RadFrac 单元操作2.1模块对吸收塔进行模拟计算；模拟物系包含的物质主要有 CH4，CO2，H2S 和水；按理论板计算。设计任务： 在 25 ，8.106105 Pa 条件下，填 料塔中水逆流吸收 CO2 和 H2S。 进料混合气体中 CH4，CO2 和 H2S 的物质的量百分比分别为 55% ，44.966% 和 0.034% ， 总的气体进料流速为 1.68 kmol/h。 要求塔顶出口气体中 CH4 纯度达到 97% 以上，CO2 不超过 2%，H2S 含量小于 210-6。2.2 模拟方法RadFrac 是可用于模拟普通蒸馏、吸收塔、汽 提塔、萃取和共沸蒸馏、三相蒸馏、反应蒸馏的单 元操作模块， 能执行塔严格核算和设计计算。 在 RadFrac 结构设置中，选用速率型非平衡级模型。 根据产品纯度要求初步估算吸收剂用量， 设置理 论塔板数为 18，塔径为 0.3 m，填料选择直径为 50 mm 的陶瓷鲍尔环，用 Packing Sizing 进行设计计 算，从而确定填料高度和吸收剂用量。数据结果圆 整后用 Packing Rating 进行核算。 用灵敏度分析 后， 分别得到吸收剂流量和填料高度与塔顶产品 纯度的关系。3 模拟结果分析3.1 填料塔操作参数及性能经模拟计算后确定吸收塔直径为 0.3 m，填料 高 6 m，吸收剂（水）的用量为 17 kmol/h，塔顶及塔 底产品组成的模拟 结 果 见 表 1， 沼 气 经 该 填 料增加，水溶液中 CO2，H2S 的物质的量分数与 CH4的物质的量分数的差值越来越大。因此，水洗的吸收过程是纯粹的物理反应， 不但可以去除沼气中 的 CO2，还可以去除其中微量的 H2S。该工艺一般包括高压水洗、闪蒸、吹脱和干燥4 个环节（图 2）。 沼气通过压缩后从吸收塔（高压 洗涤塔）底部进入，吸收剂（水）从顶部进入，逆相 流动吸收。在此吸收过程中，不仅 CO2 和 H2S 被去 除，少量的 CH4 也会溶解在水中。 这一小部分 CH4 在闪蒸罐中回收并重新注入吸收塔， 最大程度地721.0数 0.8气相 分液相 量CH4 的 0.6CO2 质H2S物的 0.4H2O分组相 0.2气0.002468 10 12 14 16 18塔板数图 5 塔内的气相组成分布Fig.5 Gas composition pofiles in the absorber10080%/量 60 CH4 含 CO2 体气 402005678910压力/105 Pa图 6 填料塔压力对产品纯度的影响Fig.6 Effects of pressure in the packed absorber on the product purity李 艳，等高压水洗沼气净化吸收塔的模拟研究吸收塔处理后，塔顶出料气体能达到设计要求，其中 CH4 含量为 97.6%。表 1 塔顶及塔底产品组成模拟结果（物质的量分数）Table 1 Simulation data for products components at the top and bottom （mole fraction）产品组成CH4CO2H2SH2O塔顶气体塔底液体38710-93210-60.9760.0140.0200.0410.0040.945填料塔内气液相流量分布、 温度分布和组成状况如图 35 所示。 在填料吸收塔内从塔顶到塔 底，气相流量与液相流量均呈递增趋势，气相流量增加 0.93 kmol/h， 液相流量增加 0.78 kmol/h（图的物质的量分数略有提高，CH4 的物质的量分数略微呈现先增后减的趋势。可见，吸收过程放热导致液 相温度上升，进而引起了 CH4 的溶解度降低。3.2 压强、 吸收剂流量及填料高度对塔顶产品纯度的影响填料塔压强是沼气水洗净化过程的一个重要 操作参数。对于比较难溶的气体，提高压强有利于 吸收的进行。改变上述吸收塔的塔压，塔顶产品组 成中的 CH4 和 CO2 物质的量分数如图 6 所示。 沼 气净化后要达到的 CH4 纯度可视产品用途有所 不同。 作为车用燃料的生物甲烷产品中 CH4 含量 要高于 96%，CO2 不超过 6%（瑞士国家标准）5。如 果用作生活燃料，气体产品中 CH4 含量超过 87% 即可达到我国城市燃气标准所规定的燃烧势要 求。 对于本研究中的吸收塔，在 7.093105 Pa 条件 下 ， 塔顶出料产品中 CH4 和 CO2 含 量 分 别 为95.4%和 4.1%。3）。 从塔顶到塔底，液相温度也呈递增趋势，但增幅不大，仅提高了 2.4 K；气相温度先增后减，在第15 块塔板处温度最高为 300.1 K，和塔底温度 1.8 K 和 0.9 K（图 4）。分别高出塔顶从图 5 可以看出，在填料吸收塔内，从塔顶到塔底气相组分中，CO2 物质的量分数呈递增的趋势， 从 0.020 增至 0.418；CH4 物质的量分数呈递减的趋 势，从 0.976 减至 0.580。 H2S 和 H2O 的物质的量分 数较小。 相比之下，液相组分变化不大。 从塔顶到塔 底 ，H2O 的物质的量分数 略 有 减 少 ，CO2 和 H2S此外， 通过灵敏度分析分别得到吸收剂流量和填料高度与塔顶产品纯度的关系。 当吸收剂流 量大于 17 kmol/h 时，产品纯度随着吸收剂用量的 增加提高不大。 当吸收剂流量为 22 kmol/h 时，气 体产品中 CH4 含量已高达 99% （图 7）。 在吸收剂73可再生能源2011，29（5）流量为 17 kmol/h 的条件下，填料高度对产品纯度影响较小， 例如填料高度为 3 m 的较小高度时， CH4 含量已达到 92.3% （ 图 8）； 但在塔底出料液 相中 CH4 的损失会随着填料高度的降低而增加， 例如上述条件下当填料高度从 6 m 降到 3 m 时， 塔底出料液体所溶解的 CH4 将增加 3%。件下的塔顶、塔底组成和塔内流量、温度及组成分布情况。 还考察了吸收过程中塔压、吸收剂用量及 填料高度对气体产品纯度的影响。 模拟结果及其 分析可为同类装置的设计、 改造和操作优化提供 参考。参考文献：1BORJESSON P， MATTIASSONresource -efficient vehicle fuel Biotechnology，2008，26（1）：7-13. WEILAND P. Biogas production:B. Biogas as aJ. Trends in2current state andperspectives J. Appl Microbiol Biotechnol，2010，85（4）：849-860.LANTZ M，SVENSSON M，BJ魻NSSON L，et al. The prospects for an expansion of biogas systems in Sweden- Incentives, barriers and potentials J. Energy Policy，2007，35（3）：1830-1843.邓良伟，陈子爱，龚建军.中德沼气工程比较J.可再生能源，2008，26（1）：110-114.PERSSON M， J魻SSON O， WELLINGER A. Biogas upgrading to vehicle fuel standards and grid injection R/OL. http:/www.iea -/_content/publications/ publications.php，2007.PETERSSON A，WELLINGER A. Biogas upgradingtechnologies - developments and innovations R. http:/ www.iea -/_content/publications/publications. php，2009-10.KAPDI S S，VIJAY V K，RAJESH S K，et al. Biogasscrubbing, compression and storage: perspective and prospectus in Indian context J. Renewable Energy，2005，30（8）：1195-1202.GRANDE C A，RODRIGUES A E. Layered vacuum pressure -swing adsorption for biogas upgrading J. Industrial & Engineering Chemistry Research，2007，46（23）：7844-7848.DAVE N，DO T，PUXTY G，et al. CO2 capture by aqueous amines and aqueous ammonia -A Comparison J. Energy Procedia，2009，1