基于天然气压力能利用的沼气提纯并网方法

1 概述

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

。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

，该方法的原理是利用CO

和H

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

。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

和H

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

。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

和CH

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

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

、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

。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。

② 天然气进口压力对单位能耗的影响

2 工艺描述

① 原料气参数

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

m

/d。待处理沼气的CH

、CO

、N

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

m

/d。天然气组成见表1。

② 工艺流程描述

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。

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。

② 数学模型

本区位于内蒙古高原南缘，地处高原与山地、寒温带与暖温带、半干旱与半湿润、农业与牧业等的过渡地带。生态环境极度脆弱，草场沙化和水土流失问题严重，地下水严重超采。主导基础功能为水源涵养和生态维护，水土保持重点是通过小流域综合治理，加强丘陵区水土流失治理，提高林草覆盖率，加强草场管理，防治土地沙化，发展节水工程，保障群众生产生活用水。

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。

值得一提的是，这些多民族社区中的佛寺，除了有佛教早晚课、念经等活动外，还是年度性民俗活动或地方祭祀活动的重要场所。比如，龙泉寺所在的社区有彝族、汉族，每年会举行祭龙活动，布依族群众会在他们社区的小庙举行地母会。对此，祝国寺从不干涉。素祥法师说，“这些是传统习俗，我们又是外行了。”

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。

① 基准工况和影响因素

3 工艺计算原理

① 低温分离原理

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。

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。

该区出露地层为第四系上更新统冲洪积(Q3-4apl)卵砾石层和黄土层状粉土。上部为黄土状分图层，边坡出露厚度6～12 m，发育垂向节理；下部为卵砾石层，出露厚度大于10 m，局部夹有冲洪积粗砂层，多呈互层状。

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

相平衡方程是计算液化过程物理参数的基础

。模拟流程采用Peng-Robinson方程

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。

③ 评价指标

采用流程的单位能耗作为评价指标，在高压管道天然气体积流量一定的情况下，天然气进口压力、出口压力、待处理沼气的流量及待处理沼气压力是影响单位能耗的关键参数。单位能耗的计算见式(1)：

(1)

式中

——单位能耗，kW·h/m

——待处理沼气的体积流量，m

/h

Δ

——压缩机消耗的功率与膨胀机产生的功率的差值，kW

④ 模拟假设

高压管道天然气不带液进入膨胀机；压缩机的绝热效率为80%；膨胀机的绝热效率为80%；处理完成后的沼气中甲烷摩尔分数大于95%。

(2)回填土采用3∶7灰土，分层铺摊，每层铺摊后随之耙平，铺土厚度为200～250 mm；采用压路机压实，压实系数应≥0.96。

4 结果与讨论

各级安全参与人员可在线创建和启动检查计划，系统生成并推送对应的检查表至检查人的手持终端，检查人持手持终端按照标准检查表进行比对检查，并反馈问题。

经过软件模拟计算，天然气体积流量为100×10

m

/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

m

/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

。

在待处理沼气体积流量为30×10

m

/d、压力为0.2 MPa，天然气体积流量为100×10

m

/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。

选择2015年8月—2017年8月在我院进行分娩的160例初产妇作为研究对象，所有产妇均为单胎，将其随机分为观察组与对照组，每组各80例。观察组中，年龄20～39岁，平均（27.46±3.75）岁；孕周36～40周，平均（38.79±1.04）周；体质量59～83 kg，平均（65.13±4.25）kg。对照组中，年龄21～39岁，平均（27.38±3.26）岁；孕周36～40周，平均（38.24±1.13）周；体质量58～84 kg，平均（66.37±5.16）kg。两组的基线资料比较，差异不具有统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

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。

③ 天然气出口压力对单位能耗的影响

CYP3A5*3基因多态性对稳定期肾移植受者他克莫司血药浓度及肾功能的影响 ………………………… 卫泽武等（2）：183

在待处理沼气体积流量为30×10

m

/d、压力为0.2 MPa，天然气体积流量为100×10

m

/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。

④ 待处理沼气体积流量对单位能耗的影响

在待处理沼气压力为0.2 MPa，天然气体积流量为100×10

m

/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。

⑤ 待处理沼气压力对单位能耗的影响

复合齿轮装置由动力分配行星齿轮机构和电动机减速行星齿轮机构等组成。通过采用2套行星齿轮机构的齿圈和中间轴主动齿轮及驻车锁止齿轮做成一体的复合齿轮，使复合齿轮装置的结构更为紧凑和轻量化。动力分配行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG1、行星架连接至发动机、齿圈位于复合齿轮上。电动机减速行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG2、齿圈位于复合齿轮上、行星架固定至传动桥外壳(图3)。

在待处理沼气体积流量为30×10

m

/d，天然气体积流量为100×10

m

/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。

5 结论

① 天然气体积流量为100×10

m

/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

m

/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

。

四是涉法涉诉管理标准化。加强机构队伍建设，配备4名工作人员和1名律师顾问。加强痕迹化管理，出台《台账登记管理规范》《市财政涉法涉诉事务管理办法》等一系列制度，规范法律程序，理顺内部机制，为办案和定性提供法律事实和证据。严格考核问责机制，落实“第一责任人”职责。

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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