基于LNG冷能的閃蒸雙循環(huán)碳捕集系統(tǒng)的熱力學分析

王力勇

(中石化煙臺龍口液化天然氣有限公司，山東 煙臺 265700)

0 引言

對廢氣、廢水進行脫硝、脫碳、脫硫處理，可實現(xiàn)綠色環(huán)保、廢物利用，對構建生態(tài)文明有重要意義。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種很有前景的發(fā)電技術，多與燃氣輪機發(fā)電技術相結合，也可在許多電化學反應中產(chǎn)生直流電，是一種新型，潔凈，高效的能源技術[1]。但SOFC對燃氣中雜質的容許值較高，所以排出氣體中也含有雜質。用甲烷做燃料電池的陽極，陰極通入氧氣，此時陽極產(chǎn)物中的酸性氣體CO2含量較多，酸性氣體會嚴重影響生存環(huán)境，應該尋找相應的辦法在保證能量效率的前提下，降低SOFC排氣中的CO2含量。

目前對于SOFC的應用涉及到很多方面。SOFC的基本性能表現(xiàn)和結構設計在文獻中有詳細介紹[2-3]。Akkaya and Sahin[4]的研究展示了與有機朗肯循環(huán)復合的SOFC系統(tǒng)的能量效率可以提高到25%。但Ozcan提出在設計與有機朗肯循環(huán)復合的SOFC發(fā)電系統(tǒng)的過程中，需要注意選擇高臨界溫度的工質，循環(huán)必需在高壓下運行[5]。在SOFC工廠中進行CO2捕集的方法之一是通過高純度氧氣的燃燒來完成陽極廢氣的氧化，從而形成基于CO2的水溶液，其與水冷凝后可以獲得高純度的CO2[6-8]。Pan等[9]設計了基于卡琳娜循環(huán)和有機朗肯循環(huán)的SOFC復合發(fā)電系統(tǒng)，并對CO2捕獲技術展開討論。該系統(tǒng)由于CO2捕獲技術的增加，使得發(fā)電回收效率略有降低，為36%，但CO2捕集量為CO2排放量的30%，整個系統(tǒng)在廢氣回收方面有明顯優(yōu)勢。岳秀艷[10]等人提出了一種新型的SOFC-燃氣輪機-卡琳娜循環(huán)的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，并通過EES對系統(tǒng)進行仿真模擬，得到在一定范圍內，增大空氣流率、燃料流率獲水蒸氣碳比并不能使聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的能量利用率提高。Minli[11]等對一體化SOFC，ORC和吸收式制冷機三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行了熱力學分析，并研究了系統(tǒng)對CO2捕集效果的影響，結果表明，有無CO2捕集系統(tǒng)對三聯(lián)產(chǎn)效率的影響不大。

通過上面的討論，多數(shù)學者將SOFC與熱力循環(huán)系統(tǒng)復合在一起進行研究，從而提高SOFC系統(tǒng)的能源綜合利用效率并減少廢氣中CO2的排放。本文采用化學吸收法對SOFC系統(tǒng)的廢氣進行脫碳處理，設計了一種基于LNG冷能的閃蒸雙循環(huán)碳捕集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LNG冷能為循環(huán)提供冷量，分別討論了閃蒸壓力和溫度，蒸發(fā)溫度和壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響。在使用MDEA溶劑進行脫碳的過程中，通過Aspen Plus軟件對進料溫度和塔頂壓力進行了優(yōu)化。最后，LNG在捕集CO2的過程中被氣化，氣化后的天然氣可對城鎮(zhèn)供氣進行調峰。

1 系統(tǒng)介紹

SOFC釋放的煙氣經(jīng)過降溫后進入吸收塔的下部，從下向上流動，與從上而下流動的胺貧液逆流接觸，煙氣中的CO2與吸收劑發(fā)生化學反應而形成弱聯(lián)結化合物，脫除了CO2的凈化氣從吸收塔塔頂被排出吸收塔，吸收了CO2的吸收劑(富液)送往閃蒸雙循環(huán)系統(tǒng)，廢氣組分含量見表1。

表1 SOFC的廢氣成分組成

富液通入閃蒸設備被分離成氣液兩相，分離后的氣體流被通入蒸汽透平膨脹機1驅動發(fā)電，降溫降壓后的氣液混合流體被高溫高壓狀態(tài)下的LNG冷凝變回貧胺溶液，可以再次通入吸收塔作為吸收劑。另一股流體進入蒸發(fā)器加熱有機朗肯循環(huán)工質R245fa，被加熱后的氣態(tài)工質進入膨脹機2膨脹做功，并驅動發(fā)電機發(fā)電。膨脹機出口出的低溫低壓氣液混合工質經(jīng)低溫高壓狀態(tài)的天然氣冷凝后由泵2送回蒸發(fā)器，構成封閉的朗肯循環(huán)回路。經(jīng)氣化后的LNG滿足一般城鎮(zhèn)天然氣輸送溫度和壓力，可供城鎮(zhèn)燃氣調峰使用。具體流程如圖1所示。

圖1 基于LNG冷能利用的閃蒸雙循環(huán)系統(tǒng)示意圖

2 熱力學模型

在模擬計算前，流程需要滿足的前提條件如下：整個系統(tǒng)運行處于穩(wěn)定狀態(tài)；LNG被假設為純甲烷；由于壓降對熵變和焓變的影響較小，故為突出各物流間的變化關系，忽略各部件的壓力降；塔中每部分氣體混合均勻；不考慮化學反應動力學的影響；工質在泵和膨脹機的入口處分別為飽和液態(tài)和飽和氣態(tài)；膨脹機效率和泵效率均為定值；模擬初始參數(shù)設定見表2[12-14]。

表2 系統(tǒng)模擬初始參數(shù)

接下來，我們提出在模擬過程中需要的所有數(shù)學模型[15-17]，利用Aspen Plus[18-19]來做系統(tǒng)的熱力學計算，解釋系統(tǒng)性能隨關鍵熱力學參數(shù)變化的原因。

蒸發(fā)器

QinEvap=m(hout,evap-hin,evap)=mh(hin,evap-hout,evap)

(1)

冷凝器

QCD=mLNG(hLNG,out-hLNG,in)=m(hin-hout)

(2)

系統(tǒng)凈輸出功

Wnet=∑WT-∑WP

(3)

系統(tǒng)熱效率

(4)

Ei=mi[(hi-h0)-T0(si-s0)]

(5)

(6)

(7)

3 結果與討論

3.1 吸收塔壓力和溫度對CO2脫除率的影響

廢氣中CO2含量或CO2脫除率的大小是判別該工藝是否可行的第一主要指標。本文采用N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液作為吸收劑，采用吸收率來衡量吸收效果。吸收率的定義為

吸收率=吸收塔吸收的CO2的質量流量/原料氣中總CO2質量流量×100%

利用plus對吸收器中吸收劑醇胺溶液進行了靈敏度分析和優(yōu)化分析，結果如圖2和圖3所示。根據(jù)圖2可以看出，當吸收劑在常溫25 ℃時，出口氣體中酸性氣體CO2的含量幾乎全部被吸收，所以吸收劑選用25 ℃進料。根據(jù)圖3可以看出，吸收塔塔頂壓力為110 kPa時效果最好。

圖2 吸收劑進料溫度的優(yōu)化

圖3 吸收塔塔頂壓力的優(yōu)化

3.2 蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度對有機朗肯循環(huán)熱力性能的影響

蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力對有機朗肯循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以分別看出，保持蒸發(fā)壓力不變的情況下，隨透平進口溫度的增加，有機朗肯循環(huán)凈輸出功和熱效率呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，但保持蒸發(fā)溫度不變時，二者均隨蒸發(fā)壓力的增大而減小。出現(xiàn)該變化趨勢的原因都是由于蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力的改變可以影響膨脹機內焓差的變化，從而導致做功量的改變。與此同時，循環(huán)中未規(guī)定熱源在蒸發(fā)器的出口溫度，則循環(huán)吸熱量隨著蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力的增大而增大。所以，當增大蒸發(fā)溫度時，吸熱量的改變量占主導因素，所以熱效率與凈輸出功呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。當蒸發(fā)壓力變化時，吸熱量的增大和凈輸出功的降低共同導致了熱效率隨蒸發(fā)壓力的升高而降低的趨勢。

圖4 蒸發(fā)溫度對有機朗肯循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

圖5 蒸發(fā)壓力對有機朗肯循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

3.3 閃蒸壓力和閃蒸溫度對系統(tǒng)熱力性能的影響

圖6展示了閃蒸壓力對閃蒸雙循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響。從圖6可以看出，閃蒸雙循環(huán)的凈輸出功和熱效率均隨閃蒸壓力的增加而增加，這是因為，當閃蒸溫度和膨脹機1出口壓力一定時，隨閃蒸壓力的降低，膨脹機1的進出口的流股的焓差減小，即膨脹機1進出口的壓差降低，從而閃蒸出的氣體含量降低，由此導致膨脹機1的輸出功降低；由公式(4)可以看出，熱效率只與凈輸出功和吸熱量有關。隨著閃蒸壓力的升高，閃蒸雙循環(huán)的吸熱量增加，但其增加幅度小于做功的改變，所以改變閃蒸壓力時的循環(huán)熱效率和循環(huán)凈輸出功的變化趨勢相同。另外，閃蒸壓力的改變對泵的消耗功率均不產(chǎn)生影響，且有機朗肯循環(huán)中膨脹機2的做功改變只與工質的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力有關。綜上，在可模擬范圍內，當閃蒸壓力為5 000 kPa時，閃蒸雙循環(huán)的凈輸出功和熱效率達到最大值，分別為6.9 MW和25.8%。

圖6 閃蒸壓力對閃蒸雙循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

圖7展示了閃蒸溫度對閃蒸雙循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響。從圖7可以看出，閃蒸雙循環(huán)的凈輸出功和熱效率均隨閃蒸溫度的增加而增加，但凈輸出功呈線性增長趨勢，而熱效率的增長趨勢是逐漸加快的。這是因為，隨著閃蒸溫度的增加，進入膨脹機1中的氣態(tài)工質的質量流量增多，從而使得膨脹機1的輸出功增加，導致閃蒸循環(huán)的吸熱量增加，而有機朗肯循環(huán)的吸熱量降低，同時泵的消耗功和膨脹機2的輸出功不變，所以閃蒸溫度對凈輸出功的影響是積極的。然而熱效率與凈輸出功和吸熱量兩個量有關，改變閃蒸溫度后，閃蒸循環(huán)和有機朗肯循環(huán)吸熱量的變化趨勢相反，所以凈輸出功的影響逐漸占據(jù)主導。即，當閃蒸溫度為270 ℃時，閃蒸雙循環(huán)的凈輸出功和熱效率達到最大值，分別為7.4 MW和34.9%。

圖7 閃蒸溫度對閃蒸雙循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

3.4 系統(tǒng)效率的分析

圖8 蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力對有機朗肯循環(huán)冷效率的影響

圖9 蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)效率的影響

4 結論

針對廢氣中溫室氣體的排放量較大這一問題，本文設計了一種基于LNG冷能的閃蒸雙循環(huán)碳捕集系統(tǒng)。該系統(tǒng)提出了一種將化學吸收法和熱力循環(huán)相結合的方法對廢氣中的CO2進行捕集，通過Aspen Plus軟件對化學吸收劑的溫度設定進行模擬優(yōu)化，然后對閃蒸雙循環(huán)系統(tǒng)進行熱力性能的分析，并得到如下結論：

(1)在模擬醇胺溶液的脫碳過程中，利用Aspen Plus進行靈敏度和優(yōu)化分析，得到當CO2脫出率達到95%甚至更高時，最優(yōu)進料溫度為25℃，吸收塔塔頂壓力為110 kPa。

(2)在有機朗肯循環(huán)中，增大蒸發(fā)溫度和降低蒸發(fā)壓力，均有利于提高有機朗肯循環(huán)的凈輸出功、熱效率和冷效率；在閃蒸雙循環(huán)系統(tǒng)中，增加閃蒸溫度和壓力可使系統(tǒng)的凈輸出功、熱效率和效率達到可模擬范圍內的最優(yōu)值，即7.4 MW、34.9%和28.8%。