生物气作为可再生能源，其高浓度 CO₂会降低热值，脱碳升级是实现高效利用的关键。传统脱碳技术（如化学吸收、低温分离）存在能耗高、设备腐蚀、成本昂贵等问题，而水合物法脱碳（HBBDC）因原料成本低、绿色无污染、抗杂质干扰能力强等优势，成为极具潜力的技术路径。但该技术目前面临能量消耗占比不明确、关键参数影响机制不清、㶲损失严重等问题，制约了工业化推进。

   针对这一挑战，华南理工大学化学与化工学院樊栓狮、王燕鸿团队采用 ASPENPlus 软件，对 TBAB（5 wt%）辅助的两段式水合物法生物气脱碳过程进行模拟，系统分析了能量消耗构成、关键参数敏感性及火用损失分布，并通过能量回收优化提升过程经济性，为技术商业化提供数据支撑与方向指导。

   研究首先明确了脱碳过程的能量消耗构成（图 1）。在 3MPa 压力下，压缩能耗占总能耗的 45%，是最主要的能耗来源，主要用于满足水合物形成的高压需求；制冷能耗占 32%，集中用于维持水合物生成反应器的低温环境（Qformation1 和 Qformation2 占制冷总能耗的 89%）；搅拌能耗占 19%，用于强化气液传质；泵送能耗仅占 4%，影响较小。当压力从 4MPa 降至 1 MPa 时，压缩能耗降低 39.7%，虽制冷能耗因解离焓增加上升 13.5%，但总能耗仍下降 18.1%，证实降低水合物形成压力是节能的核心方向。

图 1. 不同压力下的能量消耗构成分布（a：3 MPa；b：1 MPa；G/L=100）

   关键参数敏感性分析揭示了能耗调控规律（图 2）：气液比（G/L）从 100降至 40 时，TBAB 溶液循环量增加，搅拌能耗飙升 134%，导致总能耗上升 33.6%，需在 CO₂捕获率与能耗间平衡；CH₄回收率从 92% 降至 62% 时，总能耗仅增加 16.7%，但能量消耗效率（ECE）显著上升 238.4%，表明高 CH₄回收率是提升过程能效的关键；两段式压力组合中，1-1 MPa（两段均为 1 MPa）方案的总能耗最低（3581 kW），能量成本降至 0.506 kWh/kg CO₂，目标气 CH₄浓度仍达 90.8%，兼具节能与脱碳效果。

图 2. 气液比（左）与 CH₄回收率（右）对能耗及能效的影响（压力 3 MPa，TBAB 浓度 5 wt%）

   㶲分析进一步定位了能量损失核心（图 3）。过程总㶲损失占输入功的 86.9%，其中两段水合物生成 - 解离单元的㶲损失占比达 73.8%（第一段 47.2%、第二段 26.6%），主要源于气液混合不可逆性、反应熵增及冷能浪费；压缩单元㶲损失仅占 10.4%，远低于其能耗占比；风机冷却单元因高温气体直接降温，㶲损失占 12.7%。这表明，回收解离过程冷能、优化反应器传热传质是提升㶲效率的关键。基于㶲分析结果，通过能量回收优化（图 4）：利用水合物解离冷能预冷压缩后原料气，结合目标气压力能回收（涡轮发电），总能耗从 4111kW 降至 3195 kW，降幅 22.3%；能量成本降至 0.451 kWh/kg CO₂，显著低于化学吸收（0.486-1.053 kWh/kg CO₂）和低温分离技术，与膜分离、变压吸附相当，且原料成本更低、环境友好；产品气净发电量达 6.8 kWh/Nm³，进一步提升了过程经济性。

图3 㶲损失分布 Sankey 图

图 4. 能量优化后的工艺流程图（集成冷能回收、压力能回收及多级换热）

   相关工作成果近日以 “Energy and exergy efficiency analysis for biogas De-CO₂ with tetra-n-butylammonium bromide hydrates”为题发表在能源领域国际期刊《Energy》（265, 2023, 126365）。文章通讯作者为华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授，第一作者为华南理工大学化学与化工学院博士生黄洪，论文作者还包括化学与化工学院王燕鸿副研究员、郎雪梅副研究员和李刚教授。该研究得到了国家自然科学基金（21736005、51876069）、广东海洋经济发展专项（GDNRC [2022] 46）和广州重点研发项目（202206050002、202206050001）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.126365