1 绪论
1.1 研究背景
工业生产过程中，存在大量带压的工艺设备，我们将从这些工艺设备中排出的带有一定压力的气体所携带的压力能称为余压能。大部分的工艺流程中，这一部分压力能会通过减压阀释放掉，造成了能源的浪费。通过一定的技术手段来实现对这一部分被浪费掉的压力能进行回收再利用，可以降低工艺流程的能源消耗，提高该流程的能源利用率。由国务院制订的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）》中，提出了要坚持节能优先，降低能耗的发展思路，并将“工业节能”作为未来能源科技研究的优先主题。国家“十三五”规划中再次重申要全面节约和高效利用资源。国家发改委组织编写的《节能中长期专项规划》中，将“余压利用工程”列为节能重点工程。因此，对余压能回收利用技术进行研究具有重要的意义。 变压吸附技术（Pressure Swing Adsorption，简称 PSA），是一种新型物理吸附气体分离技术，利用分子筛筛分机理的特性来实现气体分离，即利用气相组分在固相材料上吸附特性的不同以及其被吸附量会随着压力大小变化而变化的特性，通过改变压力大小进行吸附或者解析实现气体分离或提纯的过程[1]。伴随着变压吸附技术的不断发展，其应用的领域也在不断的增加。变压吸附工艺在卸压解吸时排放出的带压气体通常使用泄压阀进行减压，造成压力能的浪费，针对这部分余压能的回收利用，对提高变压吸附工艺的能源利用率具有一定的实际意义。
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1.2 变压吸附简介
吸附一词最早是指气体在自由表面上的凝聚，现今国际上对吸附的严格定义是：单个或多个组分在分界面上的富集（正吸附或简单吸附）或损耗（负吸附），其中物理吸附是通过分子间作用力，即范德华力实现的[2]。吸附剂多采用多微孔固相材料，孔的直径数量级很微小，与分子直径的数量级相当，变压吸附法的基本原理是吸附剂对某一气相组分的吸附能力的大小会随着压力的变化而发生改变，利用这种变化所产生的对于某种气体分子的吸附能力的差异从而选择性吸附气体组分来实现气体分离，这种吸附能力的差异主要体现在一定质量的吸附剂对该气相组分的吸附量、吸附速率以及吸附力的大小上，利用这种差异，可以将混合气体中的杂质组分吸附脱除或者将需要组分吸附富集从而达到分离和提纯的目的[3]。变压吸附工艺流程一般包括以下四个过程：加压吸附、降压解吸，吸附剂再生、吸附塔升压。该工艺循环周期比较短，由于物理吸附产生的热量没有传递到吸附塔外，并且可用于降压解吸过程，因而吸附热和解吸热不会造成整个变压吸附塔内的温度发生大的波动[4]，因此，变压吸附的工艺过程可以近似的看成是一个等温过程。图 1.1 就是一个典型的六柱变压吸附流程。
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2 煤层气变压吸附富集液化系统余压能利用工艺设计
2.1 工况参数
变压吸附工艺的在很多领域都有使用，但是其核心根本仍是气体分离技术。进行余压能利用系统的设计时，需要选择变压吸附所针对的具体工业背景，才能够将理论联系实际，使本文的研究具备工业上的可用性。变压吸附余压能利用系统所依托的实际工业生产工况需要符合以下几点要求： （1）符合当前我国能源利用要求，有助于解决我国所面临的能源问题； （2）拥有一定代表意义，便于将来对余压能利用技术的推广； （3）工业生产已经具备一定的规模，且拥有较大的发展空间。 根据查阅的资料以及综合我国能源发展现状，本文的研究将在煤层气液化工艺的基础上进行。煤层气，英文名 Coalbed methane，简称 CBM，俗称瓦斯，是一种新兴的矿产资源，主要成分是 CH4，形成于煤化作用过程中，储藏在煤层及其邻近岩层中，属于非常规天然气，可以通过相应的技术手段进行开采并加以利用。 煤层气的开采手段，最常见的有两类，即井下瓦斯抽放和地面钻井开采。 井下抽放煤层气是针对正在开采的煤层而言的，从地面钻孔到煤矿井下面的采煤矿洞中，使用气泵将游离在外的煤层气抽取到地面。这种开发方式的煤层气单井的气量小，CH4浓度一般低于 40%，也很容易受到煤矿采掘生产的影响，所以它的出发点更多考虑是安全问题，煤层气的利用率不高。有煤层气因为开采过程会充斥在巷道内，也会通过气泵将其抽取到地面，这部分煤层气又被称为排风瓦斯，其甲烷浓度一般低于 7%，基本没有直接利用的价值。
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2.2 深冷液化工艺
煤层气是一种非常规天然气，参考天然气液化工艺，煤层气的液化工艺可以根据制冷方式，大致分为三类，分别是混合制冷剂制冷循环液化工艺、膨胀制冷循环液化工艺和阶式制冷循环液化工艺。阶式（Cascade）液化工艺也被称为级联式液化工艺、复叠式液化工艺或串联蒸发冷凝液化工艺[48]，该液化工艺由三个不互相连通的制冷循环构成，制冷剂使用 C3H6、C2H4和 CH4，每一个制冷循环都使用了三个换热器，图 2.1 为阶式制冷循环液化工艺示意图。 阶式液化工艺中根据温度高低不同将循环分类，低温度循环被高温度循环冷却；最高温度级丙烷制冷循环依次冷却煤层气、乙烯和甲烷；次高温度级乙烯制冷循环依次冷却煤层气和甲烷；最低温度级甲烷制冷循环只需要冷却煤层气；使用九个换热器对煤层气进行换热，将其温度渐渐减小至液化需求[50]。 丙烷制冷循环中，制冷剂丙烷被压缩机压缩后，跟水换热后节流、降压、降温，之后分为两部分进入不同的工序，其中一部分丙烷通过换热器冷却乙烯、甲烷和煤层气后，气相送至丙烷循环第三级压缩机；剩下的一部分再次经过节流、降温、降压，又分为两路，一部分丙烷通过换热器冷却乙烯、甲烷和煤层气后，被加热发生相变，汽化后进入丙烷第二级压缩机的入口；最后一部分液相丙烷再节流、降温、降压，全部通过换热器用来冷却乙烯、甲烷和煤层气，至此所有液相丙烷全部汽化，最后一部分丙烷进入第一级压缩机的入口。 乙烯循环与丙烷循环大致相同，但存在一定的区别，乙烯在通过压缩机压缩并水冷后，先被丙烷循环的三个换热器进行了初步的冷却，之后才会通过节流阀节流降温，用来冷却甲烷和煤层气。在阶式液化工艺中，乙烷可以作为乙烯的置换充当次高温度级制冷循环的制冷剂。
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3 数值模拟研究 ............ 22
3.1 数值研究方法 ............ 22
3.2 余压能利用系统数值模拟 .......... 28
3.2.1 余压能利用单元的模拟 .... 28
3.2.2 压缩单元的模拟 ...... 29
3.2.3 液化单元的模拟 ...... 30
3.2.4 余压能利用系统的模拟 .... 34
3.3 模拟结果与分析 ........ 38
3.3.1 模拟可靠性验证 ...... 38
3.3.2 余压能利用前后对比........ 38
3.3.3 系统性能的影响因素分析 ......... 40
3.3.4 系统性能的影响因素二元交互分析 ........... 51
3.4 小结 .......... 53
4 余压能利用系统分析 ......... 54
4.1 膨胀机分析 ....... 54
4.2 余压能利用系统经济性分析 ...... 62
4.2.1 成本核算 ......... 62
4.2.2 效益分析 ......... 63
4.3 小结 .......... 63
5 总结与展望 ....... 65
5.1 总结 .......... 65
5.2 展望 .......... 66
4 余压能利用系统分析
4.1 膨胀机分析
第三章中对余压能利用系统进行了模拟，在模拟中假定了膨胀机等熵效率为 80%。由于膨胀机是余压能利用单元的关键部件，其性能非常关键，所以在这里对膨胀机进行一个简单的选型与设计，确保膨胀机等熵效率满足要求。 本文所研究的膨胀机主要作用是尽可能绝热等熵膨胀获得低温，同时对外输出机械功，而透平膨胀机是实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。故选取透平膨胀机为本文所利用的膨胀机类型，接下来根据模拟结果对膨胀机进行简单的设计计算。 为便于设计计算，先进行一些简化假定，并估取一些相关参数。 设计中，不考虑进口蜗壳和出口扩压器的影响；假定喷嘴和工作轮中速度系数均保持不变；忽略了次要的流动损失，如喷嘴和工作轮间隙等。 透平中的主要做功部件就是动叶轮，动叶轮型式分为闭式叶轮、半开式叶轮和开式叶轮三种，区别在于轮背和轮盖的有无。考虑到半开式叶轮在大部分低温设备中都有应用，故工作轮型式，取半开式叶轮。
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总结
本文根据现有的煤层气变压吸附富集液化工艺情况，结合具体的煤层气气源条件，对比不同的液化工艺，设计一套用于煤层气变压吸附富集液化的余压能利用系统，利用 Aspen Hysys 流程模拟软件对系统进行了模拟和分析，并根据模拟结果进行了膨胀机设计以及系统经济性分析，主要结论如下：
（1）进行了余压能利用系统的设计，使用 Aspen Hysys 对原有系统和添加余压能利用改造后系统进行了模拟分析，对比了余压能利用前后系统的性能。结果表明，使用余压能利用系统可有效降低系统功耗，加入余压能利用单元后，对阶式制冷循环，压缩机总功耗降低 50%左右，冷却水消耗量降低 40%左右；对混合制冷剂循环，冷却水消耗下降 6%左右；对膨胀制冷循环，单位液化功耗降低 7%左右。
（2）以总压机功耗、单位产品液化功耗、预冷温度、换热面积为指标，研究考核了进气量、吸附终压、泄压气膨胀终压和原料气含氮量等四个变量对系统性能的影响。结果表明，进气量增大，总压机功耗随之增大；吸附终压升高，总压机功耗、单位产品液化功耗、预冷温度及换热面积降低；原料气含氮量增大，总压机功耗、单位产品液化功耗、预冷温度及换热面积降低；膨胀终压的增大会使总压机功耗、单位液化功耗上升。
（3）选取日处理气量 37550Nm3、原料气吸附余压 3000k Pa、膨胀机出口压力 150k Pa、原料气含氮量 0.3 条件下进行了透平膨胀机设计。计算结果表明，透平等熵效率可达 86.16%，满足余压能利用需求；计算输出轴功 39.8k W，模拟输出轴功 38.23k W，相对误差 3.9%，再次验证模拟的可靠性。
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参考文献(略)