基于天然氣壓力能利用的沼氣提純并網(wǎng)方法

1 概述

沼氣需要經(jīng)過凈化提純，達到天然氣的氣質(zhì)標準后才可并入天然氣管網(wǎng)，根據(jù)分離原理的不同，沼氣提純方法可分為：吸附法、吸收法、膜分離法、低溫分離法等

。當前加壓水洗法、化學吸收法、PSA法和膜分離法等技術已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化應用。水洗法是最常見的沼氣凈化方法

，該方法的原理是利用CO

和H

S在水中的溶解度遠大于甲烷而實現(xiàn)分離。采用高壓水洗滌所獲得的甲烷純度可以達到96%以上

。水洗法的突出優(yōu)勢是在整個過程中不需要化學品。胺洗法是一種化學吸收方法，該方法的原理是將CO

和H

S的化學鍵合到有機洗滌劑上。在化學吸收過程中，通常使用不同的鏈烷醇胺溶液和乙醇胺水混合物作為吸收劑來分離CO

。PSA法即變壓吸附法，根據(jù)不同壓力下吸附劑對不同氣體吸附能力的不同，實現(xiàn)沼氣中CO

和CH

的分離，常用的吸附劑有活性炭、分子篩和硅膠等。

這些方法中，胺洗法和水洗法甲烷回收率高，能耗低，但需定期補充溶劑，并對污水排放有較高要求；PSA法和膜分離法集成度高，運輸安裝簡單。胺洗法和水洗法適用于規(guī)模較大的工程，而膜分離法和PSA法適用于中小規(guī)模的工程。在實際應用中，生物天然氣工程還需根據(jù)自身的特點選擇合適的技術。低溫分離法

是利用沼氣中甲烷和二氧化碳沸點的顯著差異，在低溫條件下將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w或固體，并使甲烷依然保持為氣相，從而實現(xiàn)二者的分離。低溫分離法可以得到純度極高的二氧化碳和甲烷，但是將沼氣冷卻到-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，天然氣的長輸管道均采用高壓輸送，高壓天然氣管道中蘊藏著巨大的壓力能。在輸送給城市配氣管網(wǎng)時，需要降壓，目前通常采用調(diào)壓器降壓，當壓降較大時，為了彌補焦耳-湯姆遜效應帶來的溫降，還需要在調(diào)壓前對輸送介質(zhì)加熱，不僅高壓管道的壓力能被浪費了，還需要額外消耗能源。在降壓過程中，天然氣溫度降低，產(chǎn)生冷能。目前常用

的壓力能回收利用方式包括壓力能發(fā)電及壓力能制冷兩大類， 主要用于發(fā)電、制冰、冷水空調(diào)、燃氣輪機進氣冷卻、天然氣脫水及其液化、制取干冰及液態(tài) CO

、輕烴分離、LNG及天然氣水合物(NGH)調(diào)峰、橡膠粉碎和冷庫等領域

?，F(xiàn)代化城市天然氣基礎設施完善，城區(qū)及周邊一般都建有許多天然氣調(diào)壓設施，在需要將城市有機廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣提純成生物天然氣且并入天然氣管網(wǎng)的情況下，恰好可以利用高壓天然氣中蘊含的壓力能，在調(diào)壓站完成沼氣提純和并網(wǎng)過程。

本文提出了一種利用高壓天然氣管道壓力能提純沼氣的工藝，使用HYSYS軟件進行了模擬及敏感性分析，解決了沼氣低溫法提純成本高、能量消耗大以及高壓天然氣調(diào)壓過程能源浪費的問題。

② 天然氣進口壓力對單位能耗的影響

2 工藝描述

① 原料氣參數(shù)

本文所提流量均為壓力為101.3 kPa，溫度為0 ℃的標準狀態(tài)下的流量。文中壓力均指絕對壓力。

假定通過管道從沼氣廠輸送而來的待處理沼氣壓力為0.2 MPa，溫度為25 ℃，流量為30×10

m

/d。待處理沼氣的CH

、CO

、N

摩爾分數(shù)分別為0.635、0.350、0.015。天然氣調(diào)壓站進口壓力為4 MPa，出口壓力為0.4 MPa，進口溫度為15 ℃，流量為100×10

m

/d。天然氣組成見表1。

② 工藝流程描述

利用高壓天然氣管道壓力能提純沼氣的工藝流程見圖1。高壓管道天然氣經(jīng)第1臺天然氣膨脹機K-100膨脹至1.6 MPa后，進入第2臺天然氣膨脹機K-101膨脹至0.4 MPa。接著分別流經(jīng)換熱器HE-106、HE-104和HE102與待處理物流進行熱量交換，為其提供冷量。最后，天然氣進入后續(xù)流程。待處理低壓沼氣先儲存于儲罐中，實際操作時根據(jù)高壓天然氣的流量調(diào)節(jié)從儲罐流入工藝裝置待處理低壓沼氣的流量。

待處理低壓沼氣首先經(jīng)過3臺沼氣壓縮機加壓至5 MPa，然后進入換熱器HE-100預冷，來自第1臺分離器S-100下方出口的物流為其提供冷量。接著進入換熱器HE-101和HE-102進行換熱，溫度降至-45 ℃，物流9進入第1臺分離器進行初次提純。分離后，提純后的沼氣從上方出口流出。物流11則流入用于冷卻高溫沼氣流的換熱器HE-100。為了讓物流10滿足第2分離階段的要求，使其經(jīng)過換熱器HE-103后，溫度達到-52 ℃。物流13經(jīng)換熱器HE-104降溫至-61 ℃，然后物流14進入節(jié)流閥VLV-100，將壓力和溫度降至4 MPa和-67.01 ℃。達到上述壓力和溫度后，沼氣進入第2個分離器S-101。之后物流18從上方出口流出。隨后依次經(jīng)過換熱器HE-105、HE-106，然后流經(jīng)節(jié)流閥VLV-101后，其壓力和溫度分別為0.4 MPa和-120 ℃。在最后階段，物流21進入第3分離階段。分離器S-102的殘留物從底部流出，進入換熱器HE-103，以降低物流10的溫度，物流26經(jīng)收集后可用于制作干冰等。提純后的沼氣從分離器S-102的頂部排出，并通過換熱器HE-105和換熱器HE-101，以利用其冷量，最后經(jīng)緩沖罐，物流28進入0.4 MPa的天然氣管網(wǎng)，物流27、29均為沼氣儲罐下方排出廢料，集中處理。工藝流程中各物流參數(shù)見表2。

② 數(shù)學模型

本區(qū)位于內(nèi)蒙古高原南緣，地處高原與山地、寒溫帶與暖溫帶、半干旱與半濕潤、農(nóng)業(yè)與牧業(yè)等的過渡地帶。生態(tài)環(huán)境極度脆弱，草場沙化和水土流失問題嚴重，地下水嚴重超采。主導基礎功能為水源涵養(yǎng)和生態(tài)維護，水土保持重點是通過小流域綜合治理，加強丘陵區(qū)水土流失治理，提高林草覆蓋率，加強草場管理，防治土地沙化，發(fā)展節(jié)水工程，保障群眾生產(chǎn)生活用水。

壓縮機C-100、C-101、C-102的輸入功率分別為774.5、643.0、360.4 kW,膨脹機K-100、K-101的輸出功率分別為744.0、904.2 kW。

值得一提的是，這些多民族社區(qū)中的佛寺，除了有佛教早晚課、念經(jīng)等活動外，還是年度性民俗活動或地方祭祀活動的重要場所。比如，龍泉寺所在的社區(qū)有彝族、漢族，每年會舉行祭龍活動，布依族群眾會在他們社區(qū)的小廟舉行地母會。對此，祝國寺從不干涉。素祥法師說，“這些是傳統(tǒng)習俗，我們又是外行了?！?/p>

上述的工藝流程中，為了解決天然氣壓力流量與待處理沼氣壓力流量不相匹配的問題，在待處理沼氣側(cè)設置雙膜儲罐。整個流程以高壓天然氣能夠提純的沼氣流量為基準，處理不了的沼氣儲存于雙膜儲罐中。兩臺天然氣膨脹機產(chǎn)生的功用于發(fā)電，電能優(yōu)先用于驅(qū)動沼氣壓縮機壓縮沼氣，多余的電量上網(wǎng)，驅(qū)動壓縮機電量不足時從電網(wǎng)取電。

① 基準工況和影響因素

3 工藝計算原理

① 低溫分離原理

低溫分離法是利用沼氣中甲烷和二氧化碳組分沸點的顯著差異，在低溫條件下將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w或固體，并使甲烷依然保持為氣相，從而實現(xiàn)二者的分離。甲烷及二氧化碳的飽和溫度和飽和壓力曲線見圖2。

由圖2可知，在壓力相同的條件下，二氧化碳的飽和溫度與甲烷飽和溫度相比較高。因此，當沼氣溫度降低時，二氧化碳被優(yōu)先液化。

該區(qū)出露地層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3-4apl)卵礫石層和黃土層狀粉土。上部為黃土狀分圖層，邊坡出露厚度6～12 m，發(fā)育垂向節(jié)理；下部為卵礫石層，出露厚度大于10 m，局部夾有沖洪積粗砂層，多呈互層狀。

We then extract two sub-matrices Ux1and Ux2 from Uxwhose rows correspond to the partition of the two sub-arrays Xa1and Xa2.Clearly,we have

相平衡方程是計算液化過程物理參數(shù)的基礎

。模擬流程采用Peng-Robinson方程

對物流熱物性進行計算。流程中的物料流運算均滿足質(zhì)量守恒方程，能量流運算均滿足能量守恒方程。

③ 評價指標

采用流程的單位能耗作為評價指標，在高壓管道天然氣體積流量一定的情況下，天然氣進口壓力、出口壓力、待處理沼氣的流量及待處理沼氣壓力是影響單位能耗的關鍵參數(shù)。單位能耗的計算見式(1)：

(1)

式中

——單位能耗，kW·h/m

——待處理沼氣的體積流量，m

/h

Δ

——壓縮機消耗的功率與膨脹機產(chǎn)生的功率的差值，kW

④ 模擬假設

高壓管道天然氣不帶液進入膨脹機；壓縮機的絕熱效率為80%；膨脹機的絕熱效率為80%；處理完成后的沼氣中甲烷摩爾分數(shù)大于95%。

(2)回填土采用3∶7灰土，分層鋪攤，每層鋪攤后隨之耙平，鋪土厚度為200～250 mm；采用壓路機壓實，壓實系數(shù)應≥0.96。

4 結(jié)果與討論

各級安全參與人員可在線創(chuàng)建和啟動檢查計劃，系統(tǒng)生成并推送對應的檢查表至檢查人的手持終端，檢查人持手持終端按照標準檢查表進行比對檢查，并反饋問題。

經(jīng)過軟件模擬計算，天然氣體積流量為100×10

m

/d、進口壓力為4 MPa、出口壓力為0.4 MPa的情況下，可以將體積流量為30×10

m

/d、壓力為200 kPa、甲烷摩爾分數(shù)為63.5%的沼氣提純至甲烷摩爾分數(shù)為95.4%，單位能耗為0.010 4 kW·h/m

。

在待處理沼氣體積流量為30×10

m

/d、壓力為0.2 MPa，天然氣體積流量為100×10

m

/d、出口壓力為0.4 MPa的情況下，天然氣進口壓力對單位能耗的影響見圖3?？梢钥闯觯S著天然氣進口壓力的升高，由于天然氣出口壓力一定，天然氣進出口壓差增大，高壓天然氣通過膨脹機產(chǎn)生的輸出功越多，而壓縮沼氣所消耗的功不變，單位能耗隨之下降。

選擇2015年8月—2017年8月在我院進行分娩的160例初產(chǎn)婦作為研究對象，所有產(chǎn)婦均為單胎，將其隨機分為觀察組與對照組，每組各80例。觀察組中，年齡20～39歲，平均（27.46±3.75）歲；孕周36～40周，平均（38.79±1.04）周；體質(zhì)量59～83 kg，平均（65.13±4.25）kg。對照組中，年齡21～39歲，平均（27.38±3.26）歲；孕周36～40周，平均（38.24±1.13）周；體質(zhì)量58～84 kg，平均（66.37±5.16）kg。兩組的基線資料比較，差異不具有統(tǒng)計學意義（P＞0.05），具有可比性。

在高壓管道天然氣體積流量一定的情況下，分析天然氣進口壓力、天然氣出口壓力、待處理沼氣的流量、待處理沼氣壓力對單位能耗的影響。

③ 天然氣出口壓力對單位能耗的影響

CYP3A5*3基因多態(tài)性對穩(wěn)定期腎移植受者他克莫司血藥濃度及腎功能的影響 ………………………… 衛(wèi)澤武等（2）：183

在待處理沼氣體積流量為30×10

m

/d、壓力為0.2 MPa，天然氣體積流量為100×10

m

/d、進口壓力為4 MPa的情況下，天然氣出口壓力對單位能耗的影響見圖4?？梢钥闯?，隨著天然氣出口壓力的升高，由于天然氣進口壓力一定，天然氣進出口壓差減小，高壓天然氣通過膨脹機產(chǎn)生的輸出功越少，而壓縮沼氣所消耗的功不變，單位能耗隨之升高。

④ 待處理沼氣體積流量對單位能耗的影響

在待處理沼氣壓力為0.2 MPa，天然氣體積流量為100×10

m

/d、進口壓力為4 MPa、出口壓力為0.4 MPa的情況下，待處理沼氣體積流量對單位能耗的影響見圖5?？梢钥闯?，隨著待處理沼氣體積流量的增加，壓縮沼氣所消耗的功增加，高壓天然氣通過膨脹機產(chǎn)生的輸出功不變，雖然待處理沼氣流量也增加，但單位能耗整體上還是呈增加趨勢。

⑤ 待處理沼氣壓力對單位能耗的影響

復合齒輪裝置由動力分配行星齒輪機構(gòu)和電動機減速行星齒輪機構(gòu)等組成。通過采用2套行星齒輪機構(gòu)的齒圈和中間軸主動齒輪及駐車鎖止齒輪做成一體的復合齒輪，使復合齒輪裝置的結(jié)構(gòu)更為緊湊和輕量化。動力分配行星齒輪機構(gòu)的太陽齒輪連接至MG1、行星架連接至發(fā)動機、齒圈位于復合齒輪上。電動機減速行星齒輪機構(gòu)的太陽齒輪連接至MG2、齒圈位于復合齒輪上、行星架固定至傳動橋外殼(圖3)。

在待處理沼氣體積流量為30×10

m

/d，天然氣體積流量為100×10

m

/d、進口壓力為4 MPa、出口壓力為0.4 MPa的情況下，待處理沼氣壓力對單位能耗的影響見圖6。可以看出，隨著待處理沼氣壓力的升高，由于壓縮后的沼氣壓力一定，所以壓縮沼氣所消耗的功減少，而高壓天然氣膨脹產(chǎn)生的輸出功是一定的，因此單位能耗呈下降趨勢。

5 結(jié)論

① 天然氣體積流量為100×10

m

/d、進口壓力為4 MPa、出口壓力為0.4 MPa的情況下，可以將體積流量為30×10

m

/d、壓力為200 kPa、甲烷摩爾分數(shù)為63.5%的沼氣提純至甲烷摩爾分數(shù)為95.4%，單位能耗為0.010 4 kW·h/m

。

四是涉法涉訴管理標準化。加強機構(gòu)隊伍建設，配備4名工作人員和1名律師顧問。加強痕跡化管理，出臺《臺賬登記管理規(guī)范》《市財政涉法涉訴事務管理辦法》等一系列制度，規(guī)范法律程序，理順內(nèi)部機制，為辦案和定性提供法律事實和證據(jù)。嚴格考核問責機制，落實“第一責任人”職責。

② 當其他條件一定時，天然氣進口壓力升高，單位能耗下降；天然氣出口壓力升高，單位能耗升高；待處理沼氣流量增加，單位能耗增加；待處理沼氣壓力升高，單位能耗下降。

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