高压水洗提纯自动控制系统设计.docx
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高压水洗提纯自动控制系统设计
高压水洗提纯自动控制系统设计
摘要
沼气作为一种重要的生物质转换能,对环境保护,创建可持续发展的能源系统具有十分重大的现实和战略意义。
本课题针对含量约为50~55%的CH4,含量为40~43%的CO2,其余为杂质气体的沼气设计提纯自动控制系统方案。
根据CO2,H2S和CH4在水中溶解度的不同,选取高压水洗提纯沼气的方法。
选择沼气提纯过程中的主要气体成份(CH4,H2S,CO2)、温度、液位、压力、流量为监控对象,主控制器选用西门子s7-200PLC,以期望提纯系统在设定的工况下稳定运行,利用软件STEP7-Micro-WIN进行编程与调试,通过获取相关传感器的数据进行阀门等的自动控制。
此外,为获取最佳的产品气纯度和回收率,本文结合AspenPlus8.4软件,对不同水洗温度、不同气液比下的提纯效率进行仿真验证,得出在不同因素对沼气净化过程的影响,可为实际高压水洗工艺提供指导。
关键词:
沼气高压水洗PLCAspenPlus8.4
Designofautomaticcontrolsystemforhighpressurewaterwashingpurification
Abstract
Asanimportantbiomassconversionenergy,biogashasaveryimportantpracticalandstrategicsignificancefortheenvironmentalprotectionandthecreationofsustainableenergysystem..ThecontentofthisthesisisaboutCH450~55%,thecontentof40~43%isCO2,theotheristhegasdesignandpurificationoftheimpuritygas..
AccordingtothedifferenceofCO2,H2SandCH4inwater,themethodofpurifyingthebiogasbyhighpressurewaterwashingisselected..Biogaspurificationprocessofthemaingascomponent(CH4,H2S,CO2),temperature,liquidlevel,pressureandflowrateasthemonitoringobject,themaincontrollerselectionofSiemensS7-200PLC,toexpectpurificationsystemundertheconditionsettingandstableoperation,usingthesoftwareSTEP7-MicroWINofprogramminganddebugging,byacquiringsensordataautomaticcontrolvalves.Inaddition,inordertoobtainthebestproductgaspurityandrecovery,thispapercombinedwiththesoftwareofAspenPlus8.4,ofdifferentwashingtemperature,differentgas-liquidratioofpurificationefficiencyofsimulation,obtainedintheeffectofdifferentfactorsonbiogaspurificationprocesscanprovideguidanceforthepracticalhighpressurewaterwashingprocess.
Keywords:
Methane,HighPressureWaterWashing,PLC,AspenPlus8.4
第一章引言
1.1选题背景与选题的意义
随着能源紧张和环境污染问题的日益突出,本世纪全球直接面临着因能源资源匮乏而导致的全球能源危机和一次能源消耗增长带来的日益严重的环境危机[1]。
由于石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源枯竭,同时新的能源生产供应体系又未能建立而在交通运输、金融业、工商业等方面造成的一系列问题统称能源危机。
根据经济学家和科学家的普遍估计,到本世纪中叶,也即2050年左右,石油资源将会开采殆尽并且其价格也将升到很高。
当石油资源不适于大众化普及应用的时候,如果新的能源体系尚未建立,能源危机将席卷全球,尤以极大依赖于石油资源的欧美发达国家受害为重[2]。
就我国而言,虽然中国经济增长速度每年维持在10%的水平,但此时能源需求却以每年15%的速度飙升。
据统计,2010年中国成为世界能源第一消耗大国,能源消耗总量为2432.2百万吨油当量,同比增长11.2%,占世界总能源消耗的20.3%[3]。
此外,能源的不合理利用还带来一系列环境污染问题。
在全国范围内,流经城市的90%河段受到严重污染,75%的湖泊出现富营养化,60%的城市空气质量达不到二级标准[4]。
作为发展中国家,面对经济发展与生态环境的矛盾,人均所有资源的不断减少,能源资源赋存不均衡,开发难度大,以及能源利用技术落后,利用低下等等问题,我国能源的消耗速度比其他国家更快,能源枯竭的威胁可能来得更早、更严重。
因此,人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠地可持续能源系统。
沼气是一种生物质能源,是可生物降解有机物在厌氧环境中产生的富含甲烷和二氧化碳的可燃气体,广泛来源于有机废物厌氧发酵处理、高浓度有机废水厌氧降解处理、垃圾填埋等过程。
沼气作为一种重要的生物质转换能,具备以下重大战略意义[5]:
⑴建立可持续发展的能源系统,促进经济发展和环境保护。
随着国际经济社会的飞速发展,能源紧张和环境恶化日益严重,国际性争夺能源的形势日益加剧,国家政府都在大力寻找和开发替代能源。
沼气不光是做饭的燃料,还是发电、开汽车和燃烧炉的清洁能源。
沼气改变了农村传统的烧柴习惯,减少了大气的污染,有利于保护资源和环境。
就我国的沼气资源量来说,就蕴藏有几百亿立方米的储量,将它们转化为能源广阔的前景和,相当于目前全国年用电量的20%。
因此,开发沼气能源有着重要意义。
⑵减排温室气体,应对气候变化。
CH4温室效应是CO2的21倍,全球温室效应20%来自于CH4,60%来自CO2。
因此减排甲烷气体是应对气候变化的一项重大举措。
一座日产10000m3沼气的工程,每年可减排40000吨CO2。
⑶保护农村生态环境,推进新农村建设。
从农业废弃物的无序利用向有序利用转变;推进农村生活用能从低品质向高品质转变;提高农民生活质量,增加就业机会,促进新农村建设[1~9]。
所以研究沼气的净化技术,对推广沼气的使用(如:
沼气发电、烧锅炉、干燥、烘烤、暖房、孵化和养蚕等生产领域),进而推广沼气工程的建设与发展,对国家的能源建设和生态环境建设具有十分重要的意义[9]。
1.2国内外沼气高压水洗提纯工艺的现状
国外很多农产甚至将玉米,大麦,黑麦和草用来发酵产沼气,因为沼气发电的利润比养殖牲畜的利润更大。
在国内我国农村大量的小型沼气池所产的沼气主要用于做饭和照明,没有发挥出更大的经济效益。
而在欧洲和北美,生产的沼气通过净化并入天然气网、用于沼气燃料电池发电、热电联产或用作汽车燃料,能产生更大的经济效益。
由于国情原因,我国厌氧产沼技术和后续的应用工程工艺技术都比较落后,导致了我国沼气利用上停留在一种低效率生产,低经济价值利用的阶段。
目前,国内外沼气利用方式已呈现由驱动发电机进行热电联产向净化提纯制取生物甲烷转变。
生物甲烷用于替代石化天然气或用作车用燃气,是沼气高值化、能源化利用的重要发展方向。
下表是对欧洲和中国的沼气工程技术进行的简要分析比较。
表1欧洲和中国的沼气工程技术
项目
中国
欧洲
工业化沼气能源工程发展历程
刚起步——近3-5年
成熟期——25年的经验
当前主要驱动力
政府压力——解决环境污染
企业自发——商业化
政府支持力度
逐步加大,制定优惠政策
已过高峰期,支持弱化
技术类型
常温,中温消化
中温,高温消化
技术水平
初级阶段
高级阶段
管理水平
不重视,低下
自动化、无人值守
原料来源
单——粪污
组合——粪污、废物、废水等
原料投加
人工、效率低
机械化、效率高
产气量
1.0-1.8m3/m3
5.0-15m3/m3
沼气利用
炊用、发电
CHP、村镇利用
沼液利用
应用与设计分离、原始手段
与设计一并考虑,机械化
欧洲在沼气能源工程领域几个主要的技术发展方向如下:
(1)增加单位生物原料的沼气产量;
(2)提高固体物质的减少量;
(3)强化预处理,在70℃及133℃杀菌消毒;
(4)减少停留时间(嗜热细菌减少4-6天,嗜温细菌减少7-10天);
(5)注重设计,减少移动设备和机电消耗;
(6)全过程监控和无人值守管理;
(7)降低运行成本。
在国外,欧洲所建立的生物甲烷工程中,30%以上采用高压水洗工艺。
虽然高压水洗工艺已在国外沼气工程中广泛应用,但水洗工艺掌握在瑞典Mamberg、荷兰DMT和新西兰Flotech等少数公司手中,关于水洗工艺研究的文献并不多见。
另外,国外采用水洗工艺的沼气工程规模都较大,产气速率在250-2000m3/h[13]。
瑞典是沼气净化提纯用于车用燃气最先进的国家。
早在1996年,瑞典就已将沼气净化提纯至甲烷含量在95%以上,作为汽车燃料使用。
2010年,瑞典沼气年总产量折合约1.3亿m3天然气当量,占燃气消费总量的13%。
2010年瑞典全国使用压缩生物天然气的车辆有7万辆,加气站500个。
瑞典计划到2020年,50%天然气将由生物燃气替代,瑞典沼气协会估算,若以10%农地和林业废弃物生产沼气,沼气生产能力将达853万吨油当量/年,而目前的瑞典全国能耗仅为768万吨油当量,到2020天然气将完全被生物燃气替代[17][18],瑞典将成为世界上第一个不依赖石油的国家。
德国沼气工程技术在世界上处于领先地位,沼气产业在过去15年里迅速发展。
德国沼气工厂生产的沼气主要用于发电上网,据统计,1992年德国沼气发电工程的数量为139家,2003年底迅速发展到3000家,到2006年,基本上每个月新建50座沼气工程,2006年底沼气的数量达到3500座。
到2010年,沼气发电总装机容量达2300MW,年发电量为200亿kW·h,占整个德国的1.5%。
截止到2011年,德国约有7000座沼气工程。
预计到2020年,总装机将达到9500兆瓦。
目前,德国对沼气的利用由直接驱动发电机组的热电联产,开始向生产管道生物天然气及车用燃气方向转变。
从2006年开始,德国最初的两家生物甲烷工厂运行并入国家天然气管网,截至2011年,约有83个沼气工程在运行时将沼气提纯为生物甲烷,总生物甲烷提纯量每年约为4.6亿m3,预计未来几年将实施更多的沼气净化提纯项目。
此外,德国制定了2020年生物甲烷产量达到60亿m3和2030年生物甲烷产量达到100亿m3的目标。
此外,瑞士、丹麦、加拿大等国家也是当前国际上沼气净化提纯技术发展较快的国家,拥有先进的净化提纯技术和设备[17][18]。
在国内,国沼气建设起步于20世纪七十年代,已有30多年的发展史,经历了三个阶段,步入了新的发展局面。
表2-1沼气发展趋势
1973年--1983年:
仓促发展与回落
1984年--1991年:
调整与重视科技
1992年--1998年:
回升与效益凸现
1999年至今:
全面提升与快速发展[9]
虽然人们很早就认识到了沼气,但真正去开发和使用却比较晚。
建国以后,随着国家可再生能源激励政策和中长期发展规划的不断贯彻落实,一些大型能源投资公司、房地产开发商、装备制造龙头企业和物流运营商瞄准了沼气产业的巨大潜力市场,纷纷加入到了沼气建设的行列,沼气的发展规模才逐渐壮大起来。
2010年中国沼气产业市场规模为331.8亿元,2011年为448.4亿元,2012年为585.3亿元,2013年市场规模为671.6亿元,2014年1-9月为563.9亿元。
近几年,通过引进德国、丹麦等欧洲发达国家热电肥联产的高效沼气工程技术和关键设备,我国已建成一批沼气热电联产工程和发电并网的大型沼气工程,目前在广西南宁、山东博兴、内蒙古通辽等地已建成沼气净化提纯制取生物甲烷示范项目。
就目前而言,生物甲烷在我国的主要发展有:
(a)用于生产罐装生物燃气。
(b)用于热电联供。
(c)用于生产压缩天然气和管道燃气[6]。
根据我国国情,在沼气工程的工艺选择时,一定要结合粪污原料量、沼渣沼液消纳等情况,因地制宜,选择最佳的工艺技术路线。
畜禽养殖大中型沼气工程设计的指导思想是以循环利用为基本立足点,以“减量、廉价、实用”为原则,合理规划,防止结合,综合治理。
应遵循以下设计原则:
(1)资源化原则
(2)无害化原则
(3)经济性原则
(4)设备成套化原则
我国的沼气产业虽然发展得较快,但仍处于快速发展阶段,作为一个新型产业,我国沼气净化提纯制取生物甲烷正处于发展的起步阶段,并且目前国内针对大型沼气工程的综合评论研究较少,还停留在不同侧重点的单一评价阶段,缺乏对项目效益的综合评价体系,同时也缺乏合适的水洗工艺[19]。
所以生物燃气项目为数不多,部分净化提纯关键技术还需自主研发或从国外引进。
另外,企业数量相对较少,竞争并不是激烈。
大力发展沼气净化提纯产业对提高我国天然气自给率和扩大绿色可再生能源的使用将起到重要作用。
如今我国正面临天然气资源短缺的问题,在2008年,我国天然气消费量约达到807亿立方米,到2015年,处理工业有机废水的大中型沼气工程达2500座,形成年生产沼气能力40亿立方米。
农业废弃物沼气工程到2015年累计建成近4100个,形成年生产沼气能力4.5亿立方米,年处理粪便量1.23亿吨。
我国沼气事业进入到了新的发展时期,机遇与挑战并存,预计在未来的15年里,我国天然气消费量将以16%的速度增加,预计到2020年,天然气的需求量将会达到2000亿立方米。
所以面对供不应求的天然气市场,沼气作为新型能源必将在能源格局中占有一席之地,沼气水洗提纯技术更加符合经济与环境和谐发展的要求,在未来必将有很好的发展前景。
此外,为促进沼气开发利用市场的建成,我国已经制定了六个大中型沼气工程的标准和技术规范,这些标准和技术规范均已经通过审批成为农业行业标准,并被正式颁布实施。
这些标准个规范是对我国沼气工程技术的整合与提炼,有充分的里有一句和工程实践,指导思想明确,体现了标准的科学性、先进性、适用性和前瞻性。
这些标准和规范的颁布实施为我国沼气工程的工艺设计、施工验收、安全供气、沼气发电、运行管理及质量评价提供了较全面实用的技术指导。
此外,我国沼气行业发展重点已从“农户自用小沼气”逐步转向“工、农和市政废水渣的规模化商用沼气应用”。
据统计国内规模化沼气渗透不及20%,潜在市场容量高达1,000亿。
当今国内“工农市政”废水渣无害化处理监管已日趋严厉,而若考虑“环保成本及沼气、沼渣和沼液收益”,沼气工程具备很好的经济性。
因此国内规模化沼气工程的发展已万事俱备,市场爆发指日可待。
2.1本课题的研究方法
沼气净化是从沼气的发酵到CH4的制造的关键环节,沼气中通常含有50%~70%的CH4,30%~35%的CO2,根据沼气来源的不同,沼气中还可能含有微量的H2S、N2、氨以及卤化物,沼气通过净化后,即能得到高热值,低污染的生物甲烷[10~16]。
根据分离原理的不同,沼气提纯方法大致可分为:
吸附法、膜分离法、吸收法和低温分离法等[11]。
吸附法:
它是一种物理提纯方法,包括变温吸附法(temperatureswingadsorption,TSA)和变压吸附法(pressureswingadsorption,PSA),其中用于沼气提纯的主要是PSA法。
这种方法利用吸附剂对不同气体组分在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异,以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化的特性,在加压时完成混合气体的吸附分离,在降压条件下完成吸附剂的再生,从而实现气体分离。
膜分离法:
沼气膜分离是指在压力差为推动力的作用下,利用沼气中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而达到分离纯化CH4的目的。
吸收法:
吸收法是利用CO2比CH4在吸收剂中溶解度高的特性实现对沼气的提纯。
用于沼气提纯的吸收法主要有加压水洗法、有机溶剂吸收法及化学吸收法。
低温分离法:
低温分离法是利用沼气中CH4和CO2组分沸点,升华点的显著差异,在低温条件下将CO2转变为液体或固体,并使CH4依然保持为气相,从而实现二者的分离。
表1-1几种沼气提纯方法性能参数对比
参数
水洗法
有机溶剂物理吸收法
胺吸收法
PSA法
膜分离法
生物天然气中CH4体积分数
95.0~99.0
95.0~99.0
〉99.0
95.0~99.0
95.0~99.0
甲烷回收率
98.0
96.0
100.0
98.0
80~99.8
典型的输气压力
4~8
4~8
0.0
4~7
4~7
消耗电能
0.5
0.49~0.60
0.3
0.5
0.25~0.43
加热需求和温度水平
/
中等,70~80摄氏度
高,120~160摄氏度
/
/
脱硫需求
取决于工艺
需要
需要
需要
需要
消耗品需求
防污剂,干燥剂
有机溶剂(无毒)
胺溶剂(有毒,有腐蚀)
活性炭(无毒)
/
负荷变动范围
50~100
50~100
50~100
85~115
50~105
可参考工程数
多
少
中等
多
少
表1-1是对几种已经实现了商业化利用的提纯技术的性能对比分析。
在这些方法中,PSA法和加压水洗法因为其在所产生物天然气CH4的含量、CH4的回收率、提纯成本、能耗以及技术成熟度等方面表现出来的综合优势,使其成为目前在欧洲使用率最高的两种方法,这两种技术大约各占了欧洲沼气提纯市场的1/3的份额。
本课题研究的是加压水洗法,加压水洗发具备提纯效率高,CH4的浓度可以达到97%以上;甲烷的损失小(<2%);当H2S<300ppmv时也可以同时被去除;而且容易操作,溶剂也容易再生,耐受一定的杂质;可通过改变压力和温度来调整工艺的处理能力等优点[15]。
压力水洗法脱除CO2是物理吸收的过程,是利用沼气在水中各组分溶解度的差异来进行分离的一种物理提纯技术。
CO2在水中的溶解度是CH4的70倍,H2S在水中的溶解度要比CO2大,在整个过程温度变化不大的情况下,CH4在水中的溶解度随着压力的变化不大[12]。
如图所示,温度为25℃时,水溶液中CH4的物质量分数与CO2,H2S的量分数的差值随着气相总压的增加而越来越大。
图1-125℃下CH4,CO2和H2S的压力-液相组成图
并且在较低压力下,CO2和H2S因其在水中的溶解度小将会被释放出来,从而实现对CO2气体组分的分离,完成沼气的净化提纯。
图1-2高压水洗工艺图
高压水洗工艺包括水的吸收与再生两个过程。
由图1-2可看出,压缩后的沼气通过吸收塔的底部进入,水作为吸收剂,从吸收塔的顶部进入,实现逆相流动吸收。
溶解了CO2和H2S的水流过一个闪蒸塔进行减压,放出的气体被回收重新与原料气混合后再次进入水洗塔,来回收部分溶解在水中的CH4,闪蒸塔底部出来的水则会从解吸塔顶部进入解吸塔,在常压下解吸释放H2S和CO2,通常为了加快解吸时的速率,我们会通入空气进行气提,从解吸塔排出的气体在经过干燥去除含有的水蒸气之后,最终得到纯度可以达到97%以上的甲烷[13]。
2.2本课题的研究难点
(1)如果进气太多而进水太少,则水会因为过饱和而水洗效率不高,如果进气太少而进水太多,则水循环效率降低;
(2)塔内气压如果过高,会导致水无法进入,塔内压力过低,会导致水中CO2溶解度降低;
(3)如果塔底无水,则可能导致气体从塔底泄漏,如果塔底水位过高,则可能淹没进气口且回流至进气侧空气压缩机;
(4)闪蒸罐内如果压力过大,则不利于少量CH4的减压析出;
(5)液相吸收剂在低温情形下可能在管道内流通不畅;
(6)吸收剂在循环的过程中可能会逐渐减少。
第三章洗气工艺改造方案及硬件配置说明
3.1工艺改造说明及具体分析
㈠工艺改造说明
该改造方案在原有工艺的基础上添加必要的测量及调节装置,旨在实现甲烷提纯工艺的连续稳定高效运行。
工艺具体分析
如下图所示,假定混合气体中CH4的含量约为50~55%,CO2的含量为40~43%,其余为杂质气体。
现已设计一洗气塔(吸收塔)对该混合气体根据两种主要气体的溶解度不同对其进行CO2水洗,除去原料气中CH4浓度。
简易流程图如下图1所示。
图1洗气工艺简易流程图
㈢基本解决方案
针对
(1)如果进气太多而进水太少,则水会因为过饱和而水洗效率不高,如果进气太少而进水太多,则水循环效率降低;解决方案如下:
将进水与进气组成比值控制系统,液相吸收剂的流速随进气流量变化而变化,同时进水流速采用闭环稳定,控制系统图如图2左侧所示。
图2气液相入塔比值控制方式
其中水泵示意图如下:
图3水泵示意图示意图
进水流量计采用电磁流量记,其中流量计如图4所示:
图4电磁流量计
针对
(2)塔内气压如果过高,会导致水无法进入,塔内压力过低,会导致水中CO2溶解度降低。
解决方案如下:
塔顶安装压力检测仪表,并将压力值反馈到塔顶排气阀的控制器中,利用阀的开度变化实现塔内压力恒定。
该压力既不会因为太高而阻止吸收剂的进入,又不会因为压力太低使得吸收塔的CO2去除率降低。
控制方案如图2中右上侧所示。
塔顶开孔焊座简易图及实物图如图5所示:
图5吸收塔顶取压焊座位置型号图
出气调节阀安装管路采用法兰连接,DN15,与图3一致。
注,DN15的螺纹规格为M15。
针对(3)如果塔底无水,则可能导致气体从塔底泄漏,如果塔底水位过高,则可能淹没进气口且回流至进气侧空气压缩。
解决方案如下:
塔填料层下方为塔底积液,在塔中和塔底分别安装取压口,利用差压变送器测量页面的真实高度,该双取压口的差压变送器可消除塔内压力的变化对液面高度的干扰。
为实现塔内液面高度的稳定,将液面高度的实时值反馈到塔底排水阀的控制器中,利用控制器控制排水阀的开度。
控制方案如图2中右下侧所示。
开孔位置及焊座简易图如图6所示:
图5吸收塔底取压焊座位置型号图
图6闪蒸罐压控制系统
针对(4)闪蒸罐内如果压力过大,则不利于少量CH4的减压析出。
解决方案如下:
在闪蒸罐顶设置取压口,安装闪蒸罐罐内气压检测仪表,将罐压反馈到闪蒸罐顶排空阀的开关。
控制方案如图6所示。
闪蒸罐顶的取压焊座尺寸及内径与图5一致。
闪蒸罐罐顶电动开关阀(图7)的安装方式与图4一致,法兰连接,DN15。
图7电动开关阀
针对(5)液相吸收剂在低温情形下可能在管道内流通不畅。
解决方案为:
在吸收剂进入吸收塔之前,用换热器对吸收剂进行预热,实现温度的大致恒定。
但同时,吸收剂温度也不宜过高,防止吸收剂过高影响吸收塔内CO2的
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