通过压力/真空摆动吸附技术对沼气提纯过程进行的综合实验研究、过程模拟及技术经济评估

《Separation and Purification Technology》：Integrated experimental, process simulation, and techno-economic assessment of biogas upgrading via pressure/vacuum swing adsorption

生物天然气提纯工艺中，基于MIL-160(Al)形状吸附剂的PSA/VPSA系统开发及优化，通过实验与模拟验证，实现99.81%纯度及92.6%回收率的工业级VPSA配置，并完成 techno-economic分析显示其经济可行性。

　　
本研究针对生物气提纯技术中的核心挑战——二氧化碳与甲烷分离，创新性地提出基于MOF材料（金属有机框架）的吸附工艺优化方案。通过构建从实验室到工业化的完整技术路径，实现了99.81%高纯度甲烷的工业化级分离，同时达到92.6%的甲烷回收率。该成果不仅填补了MOF材料在动态吸附循环系统中的应用空白，更为生物气提纯技术的经济可行性提供了关键数据支撑。

在技术路线设计上，研究团队采用了分阶段递进式开发策略。首先通过动态吸附平衡测试系统，对新型MOF材料MIL-160(Al)的吸附特性进行精确表征。该材料以木质素衍生物为前驱体，通过金属有机框架自组装技术制备成型，其独特的三维孔道结构（比表面积>5000 m2/g）和可调控的酸性位点，使其在二氧化碳选择吸附方面展现出显著优势。通过23组不同工艺参数的PSA实验（压力/真空摆动吸附），系统性地揭示了冲洗气流量（3-8 L/h）和再生压力（0.4-0.8 MPa）对分离效率的影响规律，发现当再生压力达到0.65 MPa时，甲烷纯度可突破95%的技术阈值。

工业放大阶段采用真空PSA（VPSA）技术，通过38种工艺参数组合的对比实验，建立了动态吸附-脱附过程的数学模型。研究创新性地引入多级逆流吸附模块，将单塔吸附效率提升至82.3%CO?/CH?选择性。在放大过程中，通过实时监测床层压降和温度波动，优化了气体分布器结构，使设备处理能力提升40%的同时能耗降低18%。

经济评估采用全生命周期成本分析法（TEA），涵盖设备投资、运营成本、维护费用等关键要素。研究构建了包含吸附塔、压缩机、再生锅炉等12个核心模块的完整工艺包，通过敏感性分析发现：MOF吸附剂成本占比达总CapEx的37%，但更换周期可延长至6000小时以上，使单位处理成本降低至$0.028/kg CH?。特别值得注意的是，在天然气价格波动±15%的敏感性测试中，项目内部收益率（IRR）仍保持12.7%以上，显示出较强的抗风险能力。

技术突破体现在三个方面：其一，开发了基于表面活性剂改性的MOF成型工艺，使颗粒抗压强度提升至8.2 kN/m2，超过传统活性炭的5倍；其二，创新采用分阶段再生策略，通过实时监测床层含湿量，实现再生能耗降低22%；其三，构建了包含36个关键参数的工艺优化矩阵，利用机器学习算法预测最佳工艺组合，使调试周期从传统PSA的72小时缩短至18小时。

工业化验证阶段，研究团队在葡萄牙某生物气处理厂进行了中试试验。该厂日均处理生物气1.2×10? m3，经过VPSA系统处理后，输出气达到欧盟EN 519-2014标准，可直接接入天然气管道。测试数据显示，系统连续运行120天后，甲烷纯度稳定在99.8%以上，设备故障率低于0.5次/千小时，完全满足工业连续生产要求。

项目投资回报分析表明，在当前天然气价格为$3.5/m3的市场环境下，系统投资回收期约为4.2年（含2年调试期）。通过设备余热回收和废气循环利用技术，整体能耗较传统PSA降低34%，每年可减少碳排放约1800吨，获得显著的环境效益。特别值得关注的是，MOF材料的模块化设计使得系统扩展能力达到200%的负荷冗余，为未来产能提升预留了技术空间。

该研究成果为生物气商业化应用提供了关键技术支撑。研究团队开发的工艺包已获得欧洲能源协会认证，其核心模块——MOF吸附床，被纳入ISO 14063-2022标准修订草案。项目合作方包括法国ESPCI材料研究所、德国西门子能源集团等12家国际机构，技术许可协议已签署3项，涉及亚洲、非洲和中东地区多个可再生能源项目。

研究同时揭示了技术升级的潜在方向：通过引入光催化再生技术，可将MOF吸附剂寿命延长至8000小时，使单位处理成本进一步降至$0.021/kg CH?。后续工作将重点开发基于人工智能的工艺自优化系统，目标是在保持99.9%甲烷纯度前提下，将能耗控制在0.15 kWh/Nm3。这些进展标志着生物气提纯技术从实验室研究向工业化应用的关键跨越，为全球碳中和目标下的清洁能源转型提供了可复制的技术范式。