变压吸附提纯系统在农牧发酵沼气提纯中的工业应用

　　

变压吸附提纯系统在农牧发酵沼气提纯中的工业应用

孙新升*

（瑞必科净化设备（上海）有限公司，上海 202613）

摘 要：本研究聚焦于农牧发酵沼气制绿色甲醇过程中的提纯技术挑战，采用先进的变压吸附（VPSA）系统进行提纯处理。通过“旋转阀PSA+抽真空”工艺路线，结合新型旋转阀和高性能吸附剂，实现了快速动态吸附和高效提纯。VPSA系统展现出卓越性能，有效脱除原料气中的CO₂和H₂O，脱除率分别高达82.5±0.4%和94.7±0.4%，同时保持H₂和其他组分的的高回收率（分别为99.7±0.1%和98.5±0.3）。该技术不仅响应了国家双碳战略，还为农牧发酵沼气的高效转化开辟了新技术路径，具有广阔的市场应用潜力和深远的社会经济价值。

关键词：碳达峰碳中和；农牧发酵沼气；绿色甲醇；高效提纯

中图分类号：TQ

Industrial Application of Pressure swing Adsorption Purification System in Biogas Purification of Agriculture and Animal Husbandry Fermentation

Sun Xinsheng

(Xebec Adsorption(Shanghai)co.,Ltd,Shanghai 201613,China)

Abstract: This study focuses on the purification technological challenges encountered in the production of green methanol from agro-pastoral fermented biogas. An advanced Vacuum Pressure Swing Adsorption (VPSA) system is employed for the purification process. By adopting the "Rotary Valve PSA + Vacuum Pumping" process route, combined with a novel rotary valve and high-performance adsorbents, rapid dynamic adsorption and efficient purification are achieved. The VPSA system demonstrates exceptional performance, effectively removing CO₂ and H₂O from the feed gas with removal rates of up to 82.5±0.4% and 94.7±0.4%, respectively, while maintaining high recovery rates of H₂ and other components at 99.7±0.1% and 98.5±0.3%, respectively. This technology not only aligns with the national dual-carbon (carbon peaking and carbon neutrality) strategy but also opens up a new technological pathway for the efficient conversion of agro-pastoral fermented biogas, exhibiting broad market application potential and profound socio-economic value.

Key words: Carbon Peak and Carbon Neutrality; Agricultural and Pastoral Fermented Biogas; Green Methanol; Efficient Purification

引 言

在当前全球积极应对气候危机、加速推进绿色低碳发展转型的宏观战略框架下，中国提出的“双碳”目标——碳达峰与碳中和，已赫然成为国家长远发展蓝图的核心支柱^[1]。这一宏伟战略不仅深刻驱动着能源结构的全面优化，更激发了清洁能源技术的迭代创新与广泛应用。农牧发酵沼气，作为一种源自生物质资源的可再生清洁能源，其开发利用对于削减温室气体排放、推动农业循环经济模式的构建具有不可估量的价值^[2]。将农牧发酵沼气转化为绿色甲醇，不仅标志着能源利用的升级与转型，还作为一种低碳燃料和化工原料，为交通运输、化学工业等多个领域开辟了可持续的能源供应新路径^[3]。

然而，尽管农牧发酵沼气作为原料展现出显著的环境友好特性和可再生优势，其复杂的成分构成，主要包括甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂）以及高比例的水分（H₂O）也为后续的化学转化步骤带来了严峻的技术挑战^[2]。特别是CO₂和H₂O的高效分离与提纯，成为制约沼气高效转化为高品质化学品（例如绿色甲醇）的关键瓶颈。当前，尽管业界已尝试应用吸收法、膜分离、低温分离等多种分离提纯技术，但这些技术普遍面临能耗高、成本高企、效率低下或操作流程繁琐等难题，难以满足大规模工业化应用对于经济性和环境友好性的双重要求。因此，探索一种高效、经济且环境友好的提纯技术，已成为推动农牧发酵沼气深加工产业高质量发展的当务之急。

针对上述技术难题，本项目聚焦于农牧发酵沼气制绿色甲醇装置的重整反应气，采用先进的变压吸附（VPSA）系统进行提纯处理^[4]。通过精确调控，该系统能够有效脱除重整反应气中的H₂O和CO₂组分，使其比例符合下游甲醇合成反应工序的严苛要求，不仅积极响应了国家双碳战略的迫切呼唤，更展现出广阔的市场应用潜力和深远的社会经济价值^[5]。VPSA技术凭借其高效、连续运行、低能耗的独特优势，在气体分离领域大放异彩。该技术通过周期性调整吸附床的压力条件，实现气体分子在吸附剂表面的可逆吸附与解吸过程，从而达成高效分离提纯的目标。与传统方法相比，VPSA技术能够大幅度降低能耗与成本，同时提升提纯效率与产品纯度，为农牧发酵沼气的高效转化开辟了全新的技术路径，引领行业向更加绿色、低碳的未来迈进。

1 工艺工程概况

1.1工艺技术路线

针对该成套设备的原料气和产品气的特点，我公司采用“旋转阀PSA+抽真空”工艺路线。

图1 农牧发酵沼气变压吸附制氢气路线图

Fig1. Farming and Animal Husbandry Fermentation Biogas Pressure swing Adsorption Hydrogen Production Roadmap

1.2 工艺原理

（1）新型旋转阀PSA原理

变压吸附（Pressure Swing Adsorption缩写为PSA）原理是基于物理吸附工作的：利用吸附剂床层中固态吸附剂在较高压力下选择性地吸附混合气体中的特定组份（如CH₄、N2、O₂、H₂O、CO、CO₂等杂质），从而使产品气得以提纯；而在较低压力（甚至真空状态）下使吸附的组分解吸出来，使吸附剂再生，得以循环使用^[6]。由于变压吸附循环周期一般较短，吸附热来不及散失可供解吸用，吸附热和解吸热引起的床层温度变化很小，可以近似看作等温过程，因而吸附剂不会因为湿热效应而失效，所以吸附剂材料的寿命可以很长^[7]。

传统PSA是基于平衡吸附原理，吸附时间较长，而新型PSA是利用多通道G系列旋转阀和高性能吸附剂实现PSA快速吸附，吸附时间较短，可将微量杂质一步脱除。

利用多通道旋转阀取代传统程控阀，吸附周期可根据实际工况以及客户对产品气的需求，在1~18分钟直接无间断连续实时自动调节，实现了PSA灵活调节；

利用高性能均一孔道的三维吸附剂取代传统吸附剂，缩短了主体气流到吸附剂内表面的传质路径，接触面积增加了一个数量级，而且消除了颗粒吸附剂的流态化限制，允许大幅度提高主体气流速度，实现了PSA长周期的运行。

（2）新型PSA旋转阀的性能

新型PSA的核心设备是旋转阀。按PSA周期的复杂性不同，任一传统的PSA吸附床容器都有一根管道连接容器的顶部，另一根管道连接底部和多个阀门，控制来自不同来源或去不同地方的气流流向。旋转阀代替了所有这些传统的开/关阀门，吸附和解吸的所有过程都由旋转阀的转动来控制，所有的气流都流经旋转阀的内部。

旋转阀包括上阀和下阀两部分。流进吸附床容器底部的进气和流出吸附床容器底部的尾气，经由下阀流进和流出。吸附床容器顶部均压气流（内部气吹扫）、产品气和吹扫气流由上阀流出。

1.3 技术特点

（1）该技术采用“旋转阀PSA+抽真空”工艺路线（VPSA），通过旋转阀PSA实现H₂O和CO₂定向除杂，得到的产品气收率高，目标杂质定向脱除率高，杂质脱除控制精准, ，调节方便。

（2）旋转阀PSA基于快速动态吸附原理，根据原料气的变化，自动地调整旋转阀转速，使装置处于最佳运行状态，在满足产品纯度情况下，获得最高的回收率。调节范围可在1~18分钟直接无间断、连续实时、自动调节，调节范围广，适应性更好。

（3）旋转阀PSA采用伺服电机变频控制，启停快，产品纯度迅速达标，特别适用于需频繁启停场合。

（4）该技术采用三维模块化设计、整体分模块撬装供货，结构紧凑，占地面积小，相比传统技术可节省占地50%以上，大幅降低工程施工难度，项目实施更加便捷。

1.4工艺流程描述

原料气源压力约0.9MPaG，温度约40℃，进入吸附塔进行吸附，吸附剂具有H₂O和CO₂定向脱除性能，H₂O脱除率≥99%，CO₂脱除率≥60%，可根据生产需求进行实时调整。同时保证氢气回收率为99.5%以上，其他组分回收率97.5%以上，解吸气通过真空泵后直排大气。

旋转阀PSA系统采用G4系列旋转阀和高性能吸附剂，由9塔组合而成，控制时序为9-2-3-V。其吸附和再生工艺过程由吸附、均压降压、解吸、冲洗、均压升压和产品气升压等步骤组成^[8]，具体过程简述如下：

（1）吸附过程

自原料来的重整气，经过滤后自塔底进入正处于吸附状态的吸附塔内。在多种吸附剂的依次选择吸附下，其中的H₂O和CO₂等杂质被定向吸附下来，塔顶产出满足下游产品气和杂质控制指标要求，产品氢气经压力调节系统稳压后送出界区去后工段^[9]。

当被吸附杂质的传质区前沿（称为吸附前沿）到达床层出口预留段时，关掉旋转阀与该吸附塔连通的原料气进料通道和产品气出口通道，停止吸附。吸附床开始转入再生过程^[10-11]。

（2）均压降压过程

吸附过程结束后，塔内的较高压力的产品气将顺着吸附方向放入其它已完成再生的较低压力吸附塔^[12]。该过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间产品气的过程，本流程共包括了3次连续的均压降压过程，因而可保证产品气的充分回收。

（3）解吸过程

均压降压过程结束后，吸附前沿逆着吸附方向将吸附塔压力降至预设压力，此时被吸附的杂质开始从吸附剂中大量解吸出来，逆放解吸气排入抽真空系统，进一步降低压力，实现更彻底的解析。

（4）冲洗过程

在解吸过程全部结束后，为使吸附剂得到彻底的再生，将用产品气逆着吸附方向对吸附床层进行冲洗，进一步降低杂质组分的分压，使吸附剂得以彻底再生，该过程应尽量缓慢匀速以保证再生的效果。

（5）均压升压过程

在冲洗再生过程完成后，将使用来自其它吸附塔的较高压力产品气依次对该吸附塔进行升压。这一过程与均压降压过程相对应，不仅是升压过程，而且更是回收其它塔的床层死空间产品气的过程，本流程共包括了连续3次均压升压过程。

（6）产品气升压过程

在均压升压过程完成后，为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证产品纯度在这一过程中不发生波动^[13]，通过旋转阀缓慢而平稳地用产品气将吸附塔压力升至吸附压力。

经这一过程后吸附塔便完成了一个完整的“吸附-再生”循环，又为下一次吸附做好了准备。

九台吸附塔交替进行以上的吸附、再生操作即可实现气体的连续分离与提纯。

2 气体提纯前后组分要求

2.1 原料气性质

原料气性质如表1所示

表1 原料气性质

Tab.1 Properties of Raw Gas

原料流量，kg/h	2000
压力,MPag	0.9
温度,℃	40
组分	mol%
H2	61
CO2	9
其他	30
合计	100

2.2 产品气性质要求

产品气性质如表2所示。其中值得说明的是气体回收率计算方法如式（1）所示。

气体回收率(%)=XH(XP-XF)/XP(XH-XF)×100% （1）

其中：XP--该种气体在原料气中的组分含量（V%）

XH--该种气体在产品气中的组分含量（V%）

XF--该种气体在解吸气中的组分含量（V%）

表2 产品气性质

Tab2. Properties of Product Gas

组成	单位	指标
产品气流量	kg/h	1545.95
操作温度	℃	40
操作压力	MPag	≥0.8
指标要求
CO2		脱除率≥60%
H2O		脱除率≥90%
H2		回收率≥99.5%
其他		回收率≥97.5%

2.3 解吸尾气性质

解吸尾气输出成套设备界区的操作压力≥0.03MPaG、温度40℃~45℃，排放去向为火炬放空总管。

3 变压吸附提纯系统结果分析与讨论

3.1 变压吸附提纯系统物料平衡

氢气变压吸附提纯（VPSA-H₂）技术是一项高效的气体分离工艺，其核心在于从复杂原料气中高效提取高纯度氢气。根据系统运行过程中的实测数据，原料气以3350 Nm³/h的流量进入VPSA系统，压力维持在0.9 MPaG，温度为40°C，其组分多样，包括氢气（61.00%）、、二氧化碳（9.00%）以及其他气体组分（30%）。

经过VPSA系统的精密处理，产品气的流量达到3120 Nm³/h，压力略有降低至0.85 MPaG，而温度保持稳定。最为关键的是，氢气在产品气中的体积分数显著提升至65.58%，这一提升直接体现了VPSA系统在氢气提纯方面的卓越效果。同时，系统对二氧化碳的去除尤为显著，原料气中的二氧化碳在产品气中大幅下降至3.89%，且几乎全部的饱和水被有效脱除，确保了产品气的高纯度和干燥性。

解吸气作为VPSA过程中的副产品，其流量较小（248 Nm³/h），压力极低（0.03 MPaG），且富含被吸附剂释放的二氧化碳和其他杂质，进一步证实了VPSA系统对目标气体（氢气）的高效选择性。

综上所述，该VPSA系统在处理复杂原料气方面展现出了优异的提纯性能，特别是在提高氢气纯度、去除二氧化碳和脱水方面，其效果尤为显著。这一技术为实现氢气的高效、经济、环保提纯提供了坚实的支撑，对于推动清洁能源的发展和应用具有重要意义。

表3 变压吸附提纯系统物料平衡表

Tab3. Material Balance Table of Pressure Swing Adsorption Purification System

名称	原料气	产品气	解吸气
流量 (Nm3/h)	3350	3102	248
压力 (MPaG)	0.9	0.85	0.03
温度 (°C)	40	40	40.00
组分	体积（%）
H2	61.00	65.58	4.31
CO2	9.00	3.89	76.63
其他	30	30.53	19.06
Total	100.00	100.00	100.00

3.1 变压吸附提纯系统处理效率

变压吸附提纯系统处理效率如图1所示。结果表明，该VPSA系统在处理原料气时展现出了显著的性能。系统对CO₂和H₂O的脱除率分别高达82.5±0.4%和94.7±0.4%，显示出强大的杂质去除能力。同时，H₂的回收率接近100%（99.7±0.4%），表明系统能够高效地从原料气中回收氢气；其他组分的回收率也高达98.5±0.3%，这证明了系统在特定条件下对原料气内其他气体组分的高效分离能力。同时也稳定满足表2对于产品气的性质要求。

图2 变压吸附提纯系统处理效率

Fig2. Treatment Efficiency of Pressure Swing Adsorption Purification System

3 结论

（1）本研究中采用的“旋转阀PSA+抽真空”工艺路线（VPSA），通过新型旋转阀和高性能吸附剂的组合，实现了快速动态吸附和高效提纯。旋转阀的灵活调节能力（1~18分钟无间断连续实时自动调节）使得系统能够根据原料气的变化和生产需求，自动调整运行状态，优化提纯效率。此外，该技术还具备结构紧凑、占地面积小、项目实施便捷等优点，为工业化应用提供了便利。

（2）本研究采用的变压吸附（VPSA）提纯系统，在处理农牧发酵沼气制绿色甲醇装置的重整反应气时，展现出了卓越的性能。系统能够高效脱除原料气中的CO₂和H₂O，脱除率分别高达82.5±0.4%和94.7±0.4%，同时保持H₂的高回收率（99.7±0.4%），以及原料气内其他气体组分的高回收率（98.5±0.3%）。这些结果表明，VPSA系统能够有效解决沼气提纯中的关键瓶颈，可为高品质化学品的生产提供高质量的原料气。

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收稿日期：2024-12-09

作者简介：孙新升，男， 硕士研究生，工程师，主要从事化工能源领域气体净化提纯技术研究及应用, yusufei@shsree.com。

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