LNG冷能用于朗肯循環(huán)和CO2液化新工藝

劉梅梅 張引弟 薛鵬 邱伊婕

長江大學石油工程學院

目前，國內(nèi)各地紛紛加大“煤改氣”力度，為了彌補管道氣供應不足的問題，必將大量進口LNG[1]，LNG工業(yè)得到迅速發(fā)展。LNG是由天然氣深度脫水脫碳低溫液化而成，在利用過程中需要再次氣化。由于LNG與環(huán)境之間存在極大的溫差，氣化過程將會釋放出大量的冷能，冷能利用已經(jīng)成為人們研究的熱點[2-3]。LNG冷能用于液化CO2和制取干冰是一種重要的利用方式。CO2用途非常廣泛，可以將其注入到天然氣水合物的儲層中置換CH4[4]，達到開采CH4和封存CO2的雙重目的。利用LNG冷能液化CO2具有可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，人們?yōu)榇诉M行了廣泛深入的研究。

Chen[5]和Zhang[6]研究了以CO2為工質(zhì)回收工業(yè)余熱的朗肯循環(huán)，得到動力循環(huán)的輸出功和火用效率均較高。黃美斌[7]以燃氣輪機排放的尾氣為熱源，構造了一套LNG冷能用于CO2跨臨界朗肯循環(huán)和CO2液化回收的流程，分析了溫差對換熱器火用效率的影響和最高溫度、壓力對循環(huán)特性的影響。熊永強[8]將LNG冷能集成應用于空氣分離制氧和CO2近零排放動力循環(huán)的CO2捕集，動力循環(huán)火用效率提高至55.9%。之后，熊永強[9]又在上述循環(huán)的基礎之上耦合了一套以天然氣為介質(zhì)的朗肯循環(huán)，以更好地利用深冷LNG蘊含的冷火用，整個動力循環(huán)的火用效率達到了57.9%。Zhao[10]等研究了以LNG作為冷源、廢氣作為熱源雙級有機朗肯循環(huán)。基于火用分析方法研究了LNG再氣化壓力和CO2捕獲壓力對系統(tǒng)性能的影響，并且對系統(tǒng)的火用損失、火用效率和凈功輸出進行了研究。

熊永強提出的耦合流程集成度高，工藝復雜，占地面積廣，綜合造價高，操作難度大，適用于大型的LNG接收站的冷能利用項目。朗肯循環(huán)工藝流程簡單，綜合造價較低，方便后期維護和穩(wěn)定運行，特別適合中小型規(guī)模的LNG氣化站的冷能利用過程[11]，但是常規(guī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的火用效率較低。黃美斌和Zhao對朗肯循環(huán)進行了改進，但是兩人研究的CO2液化壓力均低于三相點壓力，CO2在降溫液化過程中會發(fā)生凝華生成干冰堵塞管道，降低了實際應用價值。針對這些問題，本文采用CO2作為循環(huán)工質(zhì)，提出了兩種LNG冷能用于朗肯循環(huán)和CO2液化一體化工藝流程。流程1在常規(guī)朗肯循環(huán)的基礎上增加了再熱循環(huán)和回熱循環(huán)；流程2在保證預冷和液化CO2所需冷能不變的情況下，在流程1基礎上集成了氮氣液化系統(tǒng)，目的是降低蒸發(fā)器內(nèi)冷熱物流的品位差，提高蒸發(fā)器的火用效率。朗肯循環(huán)產(chǎn)生的電能用于站內(nèi)供電，富余部分外輸。液氮產(chǎn)品用于預冷站內(nèi)設備或是外售，提高氣化站收益。

1 LNG冷能用于朗肯循環(huán)與CO2液化工藝流程及火用效率分析

1.1 LNG冷能用于朗肯循環(huán)與CO2液化工藝流程

圖1和圖2中L1—NG表示LNG的氣化過程，LNG 經(jīng)泵P-1加壓至1040 kPa后依次經(jīng)過換熱器HEX-1、HEX-3、HEX-4、HEX-5完全氣化，溫度為15 ℃可直接外輸。通過空冷器AC-100控制其出口物流(C4)溫度來調(diào)節(jié)NG溫度。C1—LCO2表示工業(yè)廢氣(廢氣為燃氣輪機尾氣，考慮為純氧燃燒，廢氣中水蒸氣和CO2的物質(zhì)的量比為2∶1)的液化過程，廢氣通過換熱器E-1、E-2和空冷器換熱后進入分離器V-1，再經(jīng)HEX-5冷卻至0 ℃(避免廢氣中水冷卻結冰堵塞管道)，然后進入分離器V-2，分離出CO2氣體和水，CO2經(jīng)過兩級壓縮至530 kPa后在換熱器HEX-3中液化。圖2中N1—LN4表示氮氣液化過程，由供氮系統(tǒng)生產(chǎn)的氮氣經(jīng)換熱器HEX-2預冷后經(jīng)壓縮機K-1升壓后進入換熱器HEX-1液化。R1—R8表示工質(zhì)CO2的朗肯循環(huán)發(fā)電過程，循環(huán)工質(zhì)R1增壓經(jīng)回熱器HEX-2預熱后在蒸發(fā)器E-1內(nèi)吸收熱量完全氣化，經(jīng)過一級膨脹機T-1膨脹做功，再通過再熱器E-2吸熱經(jīng)二級膨脹機T-2膨脹做功，最后經(jīng)換熱器HEX-2和HEX-1冷凝液化，完成一個循環(huán)。

該系統(tǒng)將LNG冷能利用和分離CO2結合在一起，避免了單獨分離CO2所帶來的額外能耗。采用了空冷器對廢氣初步冷卻，廢氣中的水部分液化后通過分離器分離出來，再進入換熱器HEX-5，可以降低換熱器的熱負荷。將壓縮機串聯(lián)并采用級間冷卻，降低了CO2的壓縮能耗。在系統(tǒng)中添加了回熱器HEX-2，降低了工質(zhì)和廢氣之間的品位差，達到提升系統(tǒng)效率的作用。流程2在保證能夠預冷和液化CO2的前提下，結合了氮氣液化系統(tǒng)，以便更好地利用LNG高品位的深冷，提高系統(tǒng)的火用效率。所得到的液氮產(chǎn)品可以用來預冷站內(nèi)設備或是外售，增加氣化站利潤。

1.2 工藝系統(tǒng)能量及火用效率分析

系統(tǒng)凈功定義為：

Wnet=WT1+WT2-WK1-WK2-WK3-WP1-WP2

(1)

單位LNG所輸出的凈功及系統(tǒng)比功定義為：

w=Wnet/mLNG

(2)

產(chǎn)品CO2的液化率，即單位質(zhì)量的LNG液化CO2的質(zhì)量：

YC=mC/mLNG

(3)

對于換熱器的火用效率表示為：

EXhot=qm,hot(exhot,in-exhot,out)

(4)

EXcold=qm,cold(excold,out-excold,in)

(5)

ex=h-h0-T0(s-s0)

(6)

(7)

對于泵的火用效率表示為：

(8)

對于壓縮機的火用效率表示為：

(9)

對于膨脹機的火用效率表示為：

(10)

對于系統(tǒng)的火用效率表示為：

(11)

式中：T0為標況下溫度，293.15 K；h，h0分別為物流和標況下物流的焓，kJ/kg；s，s0分別為物流和標況下物流的熵，kJ/(kg · K)；qm為物流的質(zhì)量流量，kg/h；EXin、EXout為進出設備的火用流，kJ/h；WP為泵的輸入功，kJ/h；WK為壓縮機的輸入功，kJ/h；WT為膨脹機的輸出功，kJ/h；ηex為火用效率，%。

火用計算的參考狀態(tài)設定為T0= 293.15 K和p0= 101.325 kPa。對工況進行火用分析，有效能輸入包括LNG冷火用、廢氣所含火用、氮氣所含火用及泵和壓縮機所輸入的電能。有效能輸出包括外輸天然氣所含火用、液態(tài)CO2和液氮所含火用、朗肯循環(huán)系統(tǒng)的膨脹功。系統(tǒng)中各設備的火用損失如圖3和圖4所示。由于傳熱過程中的溫差，換熱器內(nèi)的主要火用損失占流程火用損失絕大部分(流程1為68.17%，流程2為67.88%)。泵、壓縮機和膨脹機中存在的火用損失(流程1為5.33%，流程2為5.36%)是由于過程的不可逆性。分離器火用損失占比分別為0.40%和0.33%，這是因為分離出的水帶走的部分有效能沒有被利用?？绽淦骰鹩脫p失占比分別為26.12%和26.42%，廢氣在空冷器換熱時被空氣帶走的熱量沒有被利用，造成了大量火用損失。在冬季可以換用管式換熱器與水進行換熱對站內(nèi)進行供暖，由此降低流程的火用損失。

2 系統(tǒng)流程模擬及敏感性分析

2.1 系統(tǒng)流程模擬及性能分析

本文采用Aspen HYSYS 軟件進行模擬，狀態(tài)方程選用PR方程。LNG組成的摩爾分數(shù)分別為CH490.38%、C2H65.37%、C3H64.04%和N20.21%。供氮系統(tǒng)提供氣態(tài)氮氣組成的摩爾分數(shù)為N299.5%、O20.5%[12]。換熱設備的壓降為10 kPa，換熱條件下最小換熱溫差大于3 ℃，對數(shù)平均溫差大于10 ℃。膨脹機和壓縮機等熵效率為90%，泵的等熵效率為80%[7]。工業(yè)廢氣采用燃氣輪機尾氣，假設燃氣輪機為純氧燃燒，其中水蒸氣和CO2的物質(zhì)的量比為2∶1。為了避免CO2凝華生成干冰，液化壓力保持在三相點壓力(517.8 kPa)以上，溫度選擇在-56.6 ℃以上[13]。工藝流程參數(shù)和性能參數(shù)見表1、表2和表3。

表1 工藝流程1關鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of process 1物流p/kPat/℃qm/(kg·h-1)物流p/kPat/℃qm/(kg·h-1)L1150-162.003200C92208.501928L31030-114.203200LCO2520-55.491928NG100015.003200R1130-83.263500C1140600.003500R215 000-78.293500C2130238.503500R314 990-26.693500C3120160.403500R414 980267.003500C511551.542027R5110053.223500C61050.002027R61090168.503500C71050.001928R8140-75.003500

表2 工藝流程2關鍵參數(shù)Table 2 Key parameters of process 2物流p/kPat/℃qm/(kg·h-1)物流p/kPat/℃qm/(kg·h-1)L1150-162.003200R1130-83.263500L31030-112.603200R215 000-78.293500NG100015.003200R314 990-23.363500C1140600.003500R414 980269.403500C2130240.903500R61090170.803500C3120162.503500R8140-75.003500C511548.382011N170025.00160C71050.001928N2690-75.00160C92208.501928N3225015.46160LCO2520-55.491928LN42240-155.40160

表3 性能參數(shù)Table 3 Performance parametersP-1泵功率/kWP-2泵功率/kWK-1壓縮機功率/kWK-2壓縮機功率/kWK-3壓縮機功率/kW透平T-1輸出功/kW流程12.1514.32-26.1530.22166.80流程22.1514.324.0326.1530.22167.90透平T-2輸出功輸出功/kW凈功/kW比功/(kJ·(kg LNG)-1)產(chǎn)品液化率/(kg·(kg LNG)-1)火用效率/%流程1117.40211.30237.700.6049.70流程2118.10209.10235.200.6049.80

表4 現(xiàn)有技術方案的工藝及性能參數(shù)Table 4 Process and performance parameters of existing technical schemes工藝流程發(fā)電方式比功/(kJ·(kg LNG)-1)CO2液化壓力/kPaCO2液化率/(kg·(kg LNG)-1)LNG氣化壓力/MPa工質(zhì)最高壓力/MPa廢氣最高溫度/℃火用效率/%黃美斌工藝[7]朗肯循環(huán)式284.74101.500.2731563036.33流程1朗肯循環(huán)式237.70520.000.6011560049.70流程2朗肯循環(huán)式235.20520.000.6011560049.80

表4 給出了本文流程及其他技術方案工藝和性能參數(shù)。與黃美斌提出的流程相比，本文流程比功低，CO2液化率和火用效率高。這主要是因為，黃美斌選取CO2常壓液化，無需壓縮機增壓，節(jié)省了能耗，但是忽略CO2常壓液化會凝華生成干冰堵塞管道的事實，本文CO2增壓消耗了大量功耗，導致比功降低；另一方面是本文的CO2液化率較高，LNG釋放的冷能用于發(fā)電的比重減少，進而造成比功較低。

2.2 系統(tǒng)敏感性分析

假設氣化站廢氣的組成性質(zhì)不變，則廢氣溫度、循環(huán)工質(zhì)壓力和流量是影響朗肯循環(huán)性能的重要因素。以下考察這些因素對系統(tǒng)比功W、火用效率ηex的影響。

2.2.1 廢氣溫度和循環(huán)工質(zhì)壓力對系統(tǒng)性能的影響

由圖5和圖6可知，流程1和流程2比功和火用效率具有相同的變化趨勢：隨著循環(huán)工質(zhì)壓力和廢氣溫度的增加而增加。隨著膨脹機進口氣體溫度和壓力的增大，膨脹功增加，比功相應增加；二次膨脹后的氣態(tài)工質(zhì)溫度也隨之升高，液態(tài)工質(zhì)在換熱器HEX-2中吸收更多熱量，與廢氣之間品位差減小，蒸發(fā)器E-1的換熱性能增強，火用效率增大。因為流程2中氮氣增壓液化耗費了部分電能，導致比功降低。液態(tài)循環(huán)工質(zhì)在換熱器HEX-2中吸收回熱后又吸收了氮氣預冷所釋放的熱量，循環(huán)工質(zhì)的溫度進一步升高，與廢氣之間品位差進一步減小，蒸發(fā)器E-1的換熱性能增強，火用效率增大。隨著廢氣溫度的升高，流程2火用效率相較于流程1增加的幅度變大。由圖7可以看出，流程2相較于流程1火用效率增大的程度與氮氣的質(zhì)量流量有關，隨氮氣質(zhì)量流量的增大而增大。氮氣的質(zhì)量流量為400 kg/h時，火用效率為49.96%。

2.2.2 循環(huán)工質(zhì)流量對系統(tǒng)性能的影響

由圖8可知，循環(huán)工質(zhì)流量與流程比功成正相關關系，隨著循環(huán)工質(zhì)流量的增加比功先是呈直線增加，直到流量達到3500 kg/h，比功的增速開始減緩。流程1和流程2的比功變化趨勢相同，兩者相差2.5 kJ/kg 左右。由于廢氣流量不變，且廢氣在換熱器HEX-5預冷后的溫度相同(均為0 ℃)，經(jīng)分離器V-2分離出的富CO2氣體質(zhì)量流量相同，因此CO2的液化率不變，為0.60 kg/kg LNG。流程火用效率隨工質(zhì)流量的增加先升高后降低。工質(zhì)流量在與廢氣流量(3500 kg/h)相等時，流程1和流程2的火用效率達到最大值，分別為49.70%和49.80%。這表明盲目增加循環(huán)工質(zhì)流量并不能改善流程性能。隨著工質(zhì)流量的增加，流程2與流程1火用效率差距越來越大，說明工質(zhì)流量較大時，流程2性能更優(yōu)。

3 實例應用

某中型LNG氣化站氣源來自中原油田濮陽LNG液化廠，向周邊陶瓷廠供應生產(chǎn)用氣，日供氣能力為12×104m3。周邊陶瓷廠內(nèi)熱風爐廢氣以CO2和水蒸氣為主[14]，以廢氣為熱源與氣化站LNG冷能進行集成利用，年運行時間按8000 h計算。模擬計算得：流程1每年可外輸供電203×104kW·h，可得到液化CO21.85×104t/a；流程2每年可外輸供電201×104kW·h，可得到液化CO21.85×104t/a，液氮1280 t/a。電價按0.5元/ (kW·h)，液態(tài)CO2按100元/t，液氮按500元/t進行計算，則流程1和流程2年度節(jié)能減排效益分別為286.50萬元和349.50萬元，經(jīng)濟效益良好。

4 結論

(1) 提出了兩種LNG冷能用于朗肯循環(huán)發(fā)電和CO2液化回收流程，對流程進行模擬和性能分析，得到流程1和流程2 火用效率最高分別可達到49.70%和49.80%，對應的比功為237.70 kJ/kg LNG和235.20 kJ/kg LNG，CO2的液化率為0.60 kg/kg LNG；對火用損失進行分析，換熱器火用損失分別為68.17%和67.88%。

(2) 基于火用分析方法，研究了廢氣最高溫度、工質(zhì)壓力和流量對流程比功和火用效率的影響。研究表明：比功和火用效率隨著廢氣溫度和循環(huán)壓力的增加而增加，流程1比功高于流程2，火用效率低于流程2；循環(huán)工質(zhì)流量與比功呈正相關關系，火用效率隨工質(zhì)流量的增加先升高后降低，最優(yōu)工質(zhì)流量為3500 kg/h。

(3) 對某氣化站進行了模擬研究，得到流程1和流程2年度節(jié)能減排效益分別為286.50萬元和349. 50萬元，經(jīng)濟效益良好。