《Fuel》：Low-cost dual-stage vacuum swing adsorption (VSA) for simultaneous biomethane and biogenic CO
2 production from biogas
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生物天然气升级过程中，研究两种近环境压力真空吸附（VSA）系统配置。配置2通过前置甲醇洗去除杂质后，采用双塔串联设计，实现二氧化碳纯度>99.5mol%和生物天然气能耗540kJ/kg，较传统压缩方案降低能耗并减少压缩机成本。实验表明，替换碳分子筛为硅胶可降低成本，系统总成本0.575美元/Nm3，压缩至200bar后成本升至0.757美元/Nm3，投资回收期7.3年，结合碳汇收益可缩短至7年。
Saravanakumar Ganesan | Rafael L.S. Canevesi | Carlos A. Grande
沙特阿拉伯图瓦尔（Thuwal 23955-6900）阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology, KAUST）物理科学与工程系（PSE）材料与工艺强化实验室
摘要
沼气通常在常压下产生，然后被压缩到4–8巴后再进行提纯，这一过程会增加能源消耗，并需要使用昂贵的进料压缩机。我们评估了两种不同配置的两级真空摆动吸附（VPSA）系统，这些系统在常压下进行吸附（由鼓风机驱动流量），以实现沼气中生物甲烷和生物二氧化碳（biogenic CO?）的同时生产。配置1包含一个前置脱附段，用于去除高纯度的二氧化碳；随后是一个精馏段，用于获取生物甲烷。在配置2中，生物甲烷在前置精馏段生成，其副产品（低纯度二氧化碳流）被引导至后置脱附段。配置2获得了更高的二氧化碳纯度（>99.5摩尔%）和更低的能耗（540千焦/千克生物甲烷）。此外，我们还通过用更便宜的硅胶替换碳分子筛（CMS）来评估吸附剂性能的影响。最佳配置下的生物甲烷生产成本为0.575美元/立方米，压缩至200巴作为车用燃料时成本上升至0.757美元/立方米。该系统的预计回收期约为7.3年；然而，通过碳信用额实现捕获二氧化碳的价值化可以将回收期略微缩短至约7年。
引言
沼气是一种可持续且分散式的温室气体减排来源[1]。它可以在微观层面（如单个建筑或小型社区）或在宏观层面（如城市或工业园区）产生[2][3]。这种灵活性使得沼气成为一种适应性强且实用的生物能源。此外，沼气可以在多个领域显著减少排放，包括电力生产、供暖、交通运输、有机废物管理和农业[4]。从沼气中捕获甲烷并将其转化为可用能源不仅减少了化石燃料的使用，还防止了甲烷向大气的排放[5]。
原始沼气含有50–70%的甲烷和30–50%的二氧化碳以及微量杂质[6][7]，不能直接注入天然气管网或有效用作车用燃料[4]。将沼气提纯为生物甲烷是最大化其效益的关键步骤，这允许利用现有的天然气基础设施进行运输，或者将其压缩后用作可再生运输燃料[8]。沼气提纯不仅提高了甲烷的浓度至燃料等级，还便于副产品生物二氧化碳（>99.5摩尔%）的生产[9]。
商业化的沼气提纯技术包括水洗[10][11]、化学洗涤[12][13]、膜分离[14][15]、低温分离[16][17]和真空摆动吸附（VPSA）[18][19]。其中，VPSA装置具有高操作自动化程度、低化学物质消耗和最小的环境影响[20]。其模块化设计、干式操作和可扩展性使其特别适用于大规模和小规模应用[19][21]。当循环时间和吸附剂性能针对特定处理条件进行优化时，VPSA装置的运行成本可以很低[22]。
在VPSA技术进行的沼气提纯过程中，吸附材料在系统最高压力下去除二氧化碳，并在最低压力下释放它（解吸）。其他可能影响吸附剂选择性的杂质（如H?S、水等）在预处理步骤中从原始沼气中去除[18]。具有平衡选择性的吸附剂（如硅胶[23]、沸石13X[24]等[25]）利用操作条件下二氧化碳和甲烷的负荷差异。而具有动力学选择性的吸附剂（例如碳分子筛ETS-4[26]等）则利用孔隙中扩散率的差异来限制甲烷的扩散。
近期文献报道了不同的VPSA系统配置，重点在于优化生物甲烷纯度、甲烷回收率和能源效率及成本效益。许多文献中描述的VPSA循环主要目标是获得高纯度的生物甲烷，往往忽略了二氧化碳副产品的回收或纯度[27][28]。少数研究致力于高纯度二氧化碳的联合生产，这通常需要额外的产品冲洗步骤以提高二氧化碳纯度并减少甲烷损失[29][30][31][32]。Santos等人使用沸石13X的双柱VPSA系统实现了超过99%的生物甲烷纯度和85%的甲烷回收率，生产率为5.9摩尔甲烷/千克·小时[33]。Augelletti等人展示了使用四柱双级VPSA系统同时生产生物甲烷和二氧化碳，采用沸石5A吸附剂，获得了>98.5摩尔%的甲烷纯度和>99.0摩尔%的二氧化碳纯度，生产率为1.7摩尔甲烷/千克·小时，能耗为1250千焦/千克生物甲烷[34]。Golmakani等人评估了使用多孔聚合物吸附剂的双级PSA系统（双床PSA），生产出了纯度为87%的生物甲烷，回收率为90%，生产率和能耗分别为5.08摩尔甲烷/千克·小时和903千焦/千克生物甲烷[35]。另一项研究比较了PSA、PVSA和双床PSA在沼气提纯中的优缺点，为工艺优化提供了关键见解[36]。我们最近的一项研究结合了单级和双级VPSA配置，获得了97.3%的生物甲烷纯度和超过99%的二氧化碳纯度，具体能耗分别为937千焦/千克生物甲烷和1276.5千焦/千克生物甲烷，生产率分别为3.69摩尔甲烷/千克·小时和3.98摩尔甲烷/千克·小时[37]。另一项研究[38]中，仅使用两个吸附器的简化VPSA配置实现了超过97%的生物甲烷纯度和超过99.5%的甲烷回收率，同时产生了高纯度（99.5摩尔%）的生物二氧化碳，能耗约为823千焦/千克生物甲烷，生产率为7.98摩尔甲烷/千克·小时。生产率会随着吸附床数量的增加而下降（吸附剂用量增加）。能耗还受到吸附压力和脱附压力的显著影响。较低的吸附压力和常压脱附有助于通过避免使用压缩机和真空泵来最小化能耗。
根据2009年的研究，一个处理能力为500立方米/小时的VPSA装置的资本支出（包括废气处理但不包括最终产品压缩机）估计约为140万欧元[39]。按5%的年通胀率调整后，2025年的投资成本约为300万欧元。对全规模VPSA工厂的技术经济评估显示，每立方米原始沼气的提纯成本约为0.057美元[40]。最近的一项研究表明，进料压缩机对装置资本支出（CAPEX）有较大贡献。大多数报道的沼气VPSA系统在约5巴的压力下运行，以最大化二氧化碳的吸附能力，这需要使用进料压缩机，从而显著增加了资本支出和能耗[38][40][41][42]。
压缩机的成本随组成、流量比和压力比的增加而非线性上升，此外还有管道、安全阀、冷却和仪表等辅助系统的额外费用。在操作方面，压缩沼气意味着也需要压缩二氧化碳，而这并非必要。替代的PSA系统可以在常压下高效运行，从而利用能源[43][44][45]。当生物甲烷可以以中低压力（75毫巴至7巴）注入当地分配管道时，这种方法特别具有吸引力。或者，可以将生物甲烷压缩至200巴以生产生物压缩天然气（bio-CNG），这种气体专门用于车辆[46]。这需要使用多级高压压缩机，从而显著增加资本和运营成本。
本研究旨在降低沼气提纯的总体成本，评估了设计能够在常压下高效运行的创新VSA系统的可能性。一个关键目标是实现高纯度生物甲烷和生物二氧化碳的同时生产，从而提高整个过程的价值和可持续性。研究还探讨了在VSA系统中结合使用动力学选择性和平衡选择性吸附剂的策略。除了工艺设计外，还进行了详细的成本分析，以评估不同生物甲烷产品使用场景下所提出配置的经济影响。该分析量化了压缩机和鼓风机需求、能耗以及动力学和平衡选择性吸附剂的选择和部署对整体工艺性能和成本的影响。
节选内容
VSA工艺配置
图1展示了本研究中使用的两种低压双级VSA系统的配置，这两种系统分别用于提纯含有60摩尔%甲烷和40摩尔%二氧化碳的原料沼气。这些双级系统在概念上类似于蒸馏塔，包含独立的精馏和脱附段[47]。精馏段用于回收轻组分（即吸附较少的物质，如甲烷），而脱附段则用于...
数学模型
碳分子筛CMS-KP-407被用作选择性动力学吸附剂，而窄孔硅胶被选为精馏VSA单元中的平衡选择性吸附剂。这两种材料的吸附平衡和扩散参数来源于文献[27][49]。描述吸附塔动态的控制模型方程见附录S.I.4，而用于计算热传递和质量传递参数的相关公式...
结果与讨论
图3显示了两种不同配置的双柱VPSA系统的运行情况，这些系统在接近常压下运行。在吸附阶段，塔体在约1.06巴的压力下工作，原料气体从底部进入，富含甲烷的流体从顶部流出。接下来是压力平衡阶段，加压塔体与压力较低的第二个塔体相连。在抽真空阶段...
结论
开发并评估了在接近常压下运行的双级VPSA系统，用于同时生产生物甲烷和生物二氧化碳。在接近常压下运行可以不用压缩机而使用鼓风机，从而显著降低资本和能耗需求。鼓风机更简单、可靠且易于维护，适合连续运行且停机时间最少。
两种采用相同循环的双级双床VSA配置...
CRediT作者贡献声明
Saravanakumar Ganesan：撰写——初稿撰写、软件开发、数据分析、概念构思。Rafael L.S. Canevesi：撰写——审阅与编辑、验证、软件开发、调查。Carlos A. Grande：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
