同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 黃 薇 周偉國 趙丹銘

垃圾本身蘊含著大量能量，垃圾處理常用方法是進行垃圾填埋和垃圾焚燒，垃圾填埋氣的資源化利用成為近期研究熱點。垃圾填埋氣中的主要成分為甲烷CH4和二氧化碳CO2，這些氣體都是工業(yè)生產(chǎn)中所需要的重要燃料和原料：將垃圾填埋氣中的CH4加以利用，使其變成天然氣，天然氣輸入管道或者變成車用CNG，是現(xiàn)今垃圾填埋氣資源化利用的有效方法；脫除的CO2可以凈化回收，制成干冰，以供工業(yè)原料使用。常用的垃圾填埋氣脫碳凈化工藝要求換熱器的使用比較多，存在著許多溫度變化流程，研究整個脫碳工藝流程的用能情況極為關(guān)鍵。本文將利用能量平衡分析和夾點技術(shù)來研究該脫碳凈化工藝用能的合理性。

1 脫碳工藝簡介

垃圾填埋氣凈化提純需經(jīng)過脫硫、脫碳、干燥等流程。脫碳環(huán)節(jié)主要是去除垃圾填埋氣中的CO2，其中H2S已在前續(xù)脫硫過程中除去。脫碳工藝一般采用變壓吸附法、化學(xué)或物化法、膜分離法、低溫去除法等?；瘜W(xué)法中的醇胺法是最常用的脫碳方法之一，是用醇胺類物質(zhì)與CO2進行反應(yīng)生成鹽類，從而去除CO2，同時醇胺法產(chǎn)生的富液可在一定條件下分解，再生出CO2，可實現(xiàn)回收CO2的目的[1]。

醇胺法脫碳工藝多用 N-甲基二乙醇胺(MDEA)作為脫碳的吸收劑溶液。MDEA的化學(xué)穩(wěn)定性好，溶劑不易降解變質(zhì)，且溶液的發(fā)泡傾向和腐蝕性也均低于乙醇胺(MEA)和二乙醇胺(DEA)。MDEA脫碳工藝將 MDEA作為吸收劑，經(jīng)過脫硫之后的垃圾填埋氣進入吸收塔，與進入吸收塔的 MDEA溶液形成逆流而發(fā)生反應(yīng)，富含CO2的富液從吸收塔底部流出，同時參與反應(yīng)后的氣體從吸收塔頂部流出進入下一凈化流程。富液進入再生塔中，在超過其再生溫度的環(huán)境中，CO2被釋放出來，并從再生塔頂部流出進入下一個處理環(huán)節(jié)，同時貧液從再生塔塔底流出，通過熱交換器降溫之后被泵入吸收塔以進行循環(huán)。MDEA脫碳工藝流程，如圖1所示。

圖1 MDEA脫碳工藝流程

2 基于Aspen Plus的流程模擬

本文利用Aspen Plus軟件將垃圾填埋氣脫碳過程用計算機模擬的方法還原其工藝流程。Aspen Plus是用于生產(chǎn)裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型流程模擬系統(tǒng)。根據(jù)Aspen Plus軟件模擬和實驗研究，以及對ENRTL-RK熱力學(xué)模型的相關(guān)計算，發(fā)現(xiàn)該模型適用于模擬實際的脫碳工藝[2,3]。因此在進行醇胺溶液脫碳工藝時，選用ENRTL-RK模型。

2.1 原料氣組成

垃圾填埋氣主要由CO2與CH4組成，隨著填埋場的條件、垃圾的特性和填埋溫度的不同，填埋氣體各組分的含量會有所變化。本研究采用的原料氣是40%的CO2和60%的CH4所組成的垃圾填埋氣。原料氣參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 原料氣參數(shù)設(shè)置

2.2 工藝與設(shè)備參數(shù)設(shè)置

所用的吸收液為 MDEA與水以一定比例配比的溶液，配比溶液可在吸收塔中有效吸收CO2，并通過再生塔的加熱再生，釋放出可回收的CO2。吸收液參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 吸收液參數(shù)設(shè)置

垃圾填埋氣脫碳過程的主要設(shè)備有吸收塔、再生塔、閃蒸器、貧富液換熱器、貧液換熱器、再生塔冷卻器和循環(huán)泵等。結(jié)合實際項目的工藝條件，Aspen Plus模擬中的設(shè)備參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 設(shè)備參數(shù)設(shè)置

設(shè)置各組分的物性參數(shù)，將系統(tǒng)中的設(shè)備組合起來進行模擬，把工藝參數(shù)輸入到流股參數(shù)與設(shè)備參數(shù)中，設(shè)置MDEA與CO2的反應(yīng)方程模型，可得到穩(wěn)態(tài)的垃圾填埋氣脫碳模擬結(jié)果。模擬流程圖如圖2所示。

圖2 垃圾填埋氣脫碳工藝模擬流程

3 能量平衡分析

根據(jù)能量守恒定律，輸入系統(tǒng)的能量等于輸出系統(tǒng)的能量和系統(tǒng)內(nèi)能的變化量之和。能量平衡方程為：

式中：Qin——輸入系統(tǒng)的能量，kJ；

Qout——輸出系統(tǒng)的能量，kJ；

ΔQ——系統(tǒng)內(nèi)能的變化量，kJ。

研究對象包括吸收塔、再生塔、貧富液換熱器、閃蒸器、貧液換熱器、凈化氣換熱器、循環(huán)泵、回液泵、再生氣冷卻器、酸氣分離器、凈化氣分離器。對系統(tǒng)中各物流的能量進行計算之后，再對該系統(tǒng)進行黑箱分析，確定其能量的分布情況。

系統(tǒng)的能量輸入輸出情況見表4，能量分析中暫不考慮換熱器換熱帶來的能量損失。從表中的計算結(jié)果來看：輸入系統(tǒng)的能量主要是再生塔的再沸器中所帶熱量，占總輸入熱量的73.08%。而輸出系統(tǒng)的大部分能量為冷卻器所帶走的熱量，其中貧液換熱器所冷卻的熱量占總輸出熱量的60.72%，CO2產(chǎn)品氣的能量僅占輸出熱量的0.33%。通過計算，可了解系統(tǒng)的用能情況，在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)著重考慮能耗較大的流程設(shè)備。

表4 系統(tǒng)能量輸入/輸出平衡表

4 換熱網(wǎng)絡(luò)夾點分析

換熱網(wǎng)絡(luò)夾點技術(shù)與方法最初是在20世紀80年代由Linnhoff等人提出。該技術(shù)對于工藝流程節(jié)能優(yōu)化改造具有較強的系統(tǒng)性和實用性。

Aspen Energy Analyzer(AEA)是一款強大的能量分析工具。該軟件可結(jié)合夾點技術(shù)，用于研究工藝流程系統(tǒng)中的過程能耗。將垃圾填埋氣脫碳工藝在Aspen Plus中穩(wěn)態(tài)模擬得到的結(jié)果導(dǎo)入AEA中進行能量分析，可以有效區(qū)分可避免和不可避免的熱力學(xué)損失，以達到實際可優(yōu)化的性能目標，從而實現(xiàn)節(jié)約能量的目的[4]。

4.1 原始換熱網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果，夾點分析需采集工藝過程物流數(shù)據(jù)，包括初始溫度、目標溫度、熱容流率以及熱負荷等。考慮涉及到具體工藝的限制，并未提取全部的物流數(shù)據(jù)，最終選用的數(shù)據(jù)見表5。利用該數(shù)據(jù)可以建立出垃圾填埋氣脫碳的系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)，涉及到的換熱器設(shè)備為貧液換熱器、貧富液換熱器、再生氣冷卻器、凈化氣冷卻器及再生塔、再沸器。

表5 冷熱物流數(shù)據(jù)

4.2 夾點溫差選取

在進行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計優(yōu)化時，夾點溫差的大小和能量回收與項目投資有關(guān)。夾點溫差越小，則熱回收量越多，所需的加熱和冷卻公用工程量越少，從而使運行中的能量費用越少。但是隨著夾點溫差越小，整個換熱網(wǎng)絡(luò)各處的傳熱溫差均相應(yīng)減小，從而會導(dǎo)致?lián)Q熱面積加大，造成投資費用增大[5]。根據(jù)計算，夾點溫差與總的目標花費投資曲線，如圖3所示，選取夾點溫差為10 K。

圖3 最小傳熱溫差對總的目標花費曲線

4.3 冷熱物流復(fù)合曲線

根據(jù)夾點分析方法，從冷熱物流復(fù)合曲線可知本系統(tǒng)中的熱夾點溫度為119.5 ℃，冷夾點溫度為109.5 ℃[6]。冷熱物流復(fù)合曲線如圖4所示。由圖4可知，因再沸器的加熱溫度較高，所以夾點溫度較高。夾點的應(yīng)用原則是：夾點之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器；夾點之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器；不應(yīng)有跨越夾點的產(chǎn)熱。由此可見，夾點之下的貧液冷卻器、再生氣冷卻器、凈化氣冷卻器使用了冷公用工程，夾點之上的再沸器加熱使用了熱公用工程。

圖4 冷熱物流復(fù)合曲線

4.4 不同方案對比

在符合夾點設(shè)計的前提下，受工藝限制，系統(tǒng)中有5種工藝換熱要求，如圖5所示。

圖5 工藝換熱網(wǎng)絡(luò)要求

從換熱要求出發(fā)，利用 AEA進行設(shè)計，有 4種脫碳換熱方案，見表6。

表6 不同方案換熱方式比較

采用不同的公用工程使其完成換熱要求。將4種換熱方案進行用能的對比分析，分析結(jié)果如圖6

圖6 冷熱公用工程消耗對比

從各個方案對比中可以看出，原方案與方案一、方案二、方案三的冷熱公用工程消耗量較小。在總換熱面積比較時，可發(fā)現(xiàn)方案三和方案四的換熱面積較小，但在工程運行中耗費大量公用工程。換熱單元數(shù)目的增加將導(dǎo)致投資費用的增加，而且相對于換熱面積而言，單元數(shù)目對設(shè)備投資費用的影響更大。幾種方案的換熱單元數(shù)相同，均為使用5個換熱器。由此看來，貧富液換熱器的設(shè)置是較為合理的方式，貧富液換熱器將再生塔貧液與吸收塔富液進行熱量交換，節(jié)約了大量能量。

原方案符合夾點設(shè)計，在運行時可節(jié)省大量公用工程，總體來說較為節(jié)能。原方案與方案一相比較的不同在于，貧液冷卻時原方案使用了空冷，而方案一使用了水冷。貧液換熱器和再生氣冷卻器都需要冷卻介質(zhì)進行冷卻，一般來說水冷比空冷的效果理想，且空冷器所需的傳熱面積比水冷要大許多。但在實際應(yīng)用中，空冷工藝是較好的節(jié)水冷卻方式，幾乎沒有水耗，其缺點是受環(huán)境溫度與風速制約明顯[7]。在條件允許的情況下，可考慮空冷-水冷運行模式相結(jié)合。因此，具體采用何種冷卻方和圖7所示。法，需因地制宜進行判斷。

圖7 總換熱面積對比

5 結(jié)語

本文在換熱網(wǎng)絡(luò)的用能研究中得出：通過系統(tǒng)能量平衡，可以很好地掌握設(shè)備用能情況。由于再生塔、再沸器加熱的輸入能量最大，貧液冷卻器冷卻的輸出能量最大，因此在設(shè)計與優(yōu)化操作中，可從耗能較大的設(shè)備入手來優(yōu)化設(shè)備和運行參數(shù)。

通過分析證明夾點技術(shù)可對系統(tǒng)節(jié)能運行問題提供理論分析，從系統(tǒng)流程的角度找出其節(jié)能潛力，并可對優(yōu)化換熱方案提供參考。在夾點分析中，通過改變公用工程的使用，對垃圾填埋氣的用能情況進行進一步分析，可得出原方案的工藝流程設(shè)計符合節(jié)能要求，用能情況良好。在實際工程中，具體是用空冷還是水冷的冷卻方式，仍需考慮項目的資金投入、運營成本、氣候情況等問題才能形成較完善的工程方案。