基于LNG冷能的閃蒸雙循環碳捕集系統的熱力學分析

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，可實現綠色環保、廢物利用，對構建生態文明有重要意義。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種很有前景的發電技術，多與燃氣輪機發電技術相結合，也可在許多電化學反應中產生直流電，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，此時陽極產物中的酸性氣體CO2含量較多，酸性氣體會嚴重影響生存環境，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復合的SOFC系統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復合的SOFC發電系統的過程中，需要注意選擇高臨界溫度的工質，循環必需在高壓下運行[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和有機朗肯循環的SOFC復合發電系統，并對CO2捕獲技術展開討論。該系統由于CO2捕獲技術的增加，使得發電回收效率略有降低，為36%，但CO2捕集量為CO2排放量的30%，整個系統在廢氣回收方面有明顯優勢。岳秀艷[10]等人提出了一種新型的SOFC-燃氣輪機-卡琳娜循環的聯合發電系統，并通過EES對系統進行仿真模擬，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合循環系統的能量利用率提高。Minli[11]等對一體化SOFC，ORC和吸收式制冷機三聯產系統進行了熱力學分析，并研究了系統對CO2捕集效果的影響，結果表明，有無CO2捕集系統對三聯產效率的影響不大。

通過上面的討論，多數學者將SOFC與熱力循環系統復合在一起進行研究，從而提高SOFC系統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冷能的閃蒸雙循環碳捕集系統。系統采用LNG冷能為循環提供冷量，分別討論了閃蒸壓力和溫度，蒸發溫度和壓力對系統熱力學性能的影響。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供氣進行調峰。

1 系統介紹

SOFC釋放的煙氣經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與吸收劑發生化學反應而形成弱聯結化合物，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)送往閃蒸雙循環系統，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驅動發電，降溫降壓后的氣液混合流體被高溫高壓狀態下的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器加熱有機朗肯循環工質R245fa，被加熱后的氣態工質進入膨脹機2膨脹做功，并驅動發電機發電。膨脹機出口出的低溫低壓氣液混合工質經低溫高壓狀態的天然氣冷凝后由泵2送回蒸發器，構成封閉的朗肯循環回路。經氣化后的LNG滿足一般城鎮天然氣輸送溫度和壓力，可供城鎮燃氣調峰使用。具體流程如圖1所示。

圖1 基于LNG冷能利用的閃蒸雙循環系統示意圖

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：整個系統運行處于穩定狀態；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和飽和氣態；膨脹機效率和泵效率均為定值；模擬初始參數設定見表2[12-14]。

表2 系統模擬初始參數

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

蒸發器

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)

系統凈輸出功

Wnet=∑WT-∑WP

(3)

系統熱效率

(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化分析，結果如圖2和圖3所示。根據圖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化

圖3 吸收塔塔頂壓力的優化

3.2 蒸發壓力和蒸發溫度對有機朗肯循環熱力性能的影響

蒸發溫度和蒸發壓力對有機朗肯循環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，保持蒸發壓力不變的情況下，隨透平進口溫度的增加，有機朗肯循環凈輸出功和熱效率呈現出相反的變化趨勢，但保持蒸發溫度不變時，二者均隨蒸發壓力的增大而減小。出現該變化趨勢的原因都是由于蒸發溫度和蒸發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，循環中未規定熱源在蒸發器的出口溫度，則循環吸熱量隨著蒸發溫度和蒸發壓力的增大而增大。所以，當增大蒸發溫度時，吸熱量的改變量占主導因素，所以熱效率與凈輸出功呈現出相反的變化趨勢。當蒸發壓力變化時，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壓力的升高而降低的趨勢。

圖4 蒸發溫度對有機朗肯循環凈輸出功和熱效率的影響

圖5 蒸發壓力對有機朗肯循環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熱力性能的影響

圖6展示了閃蒸壓力對閃蒸雙循環凈輸出功和熱效率的影響。從圖6可以看出，閃蒸雙循環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熱效率和循環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生影響，且有機朗肯循環中膨脹機2的做功改變只與工質的蒸發溫度和蒸發壓力有關。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凈輸出功和熱效率的影響。從圖7可以看出，閃蒸雙循環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，導致閃蒸循環的吸熱量增加，而有機朗肯循環的吸熱量降低，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，閃蒸循環和有機朗肯循環吸熱量的變化趨勢相反，所以凈輸出功的影響逐漸占據主導。即，當閃蒸溫度為270 ℃時，閃蒸雙循環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凈輸出功和熱效率的影響

3.4 系統效率的分析

圖8 蒸發溫度和蒸發壓力對有機朗肯循環冷效率的影響

圖9 蒸發溫度和蒸發壓力對系統效率的影響

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冷能的閃蒸雙循環碳捕集系統。該系統提出了一種將化學吸收法和熱力循環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化，然后對閃蒸雙循環系統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進行靈敏度和優化分析，得到當CO2脫出率達到95%甚至更高時，最優進料溫度為25℃，吸收塔塔頂壓力為110 kPa。

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