CO2液化與純化過程中的能耗分析

唐志飛

（杭州快凱高效節能新技術有限公司, 浙江杭州 310051）

1 概述

我國的二氧化碳回收液化純化技術在近十多年間得到了迅猛的發展，雖然其原料來源不同，但采用的工藝路線是相近的，不外乎為氣體壓縮、凈化、冷卻液化、精餾這幾個過程，只是凈化的工藝不同，所得到的液體二氧化碳產品在質量及能耗差異較大而已。

無論是何種質量的液體二氧化碳產品，在其生產過程中，絕大多數采用的是低溫液化工藝，即將常壓的CO2氣體加壓到2.0～3.0 MPa，在對應的飽和溫度下，采用制冷機組吸收潛熱使其液化，冷凝過程放出的熱量由制冷機組帶走，從而使CO2氣體液化為液體[1-2]。

低溫液化在我國CO2回收行業內有著許多成熟的技術，但CO2回收液化產生能耗高、成本高的問題仍很突出。雖然許多CO2液化企業在裝置工藝優化、節能改造方面做了不少的研究和探索，也取得了較好的效果，但是單位產品（噸產品）能耗仍居高不下。目前，原料CO2氣純度在95%以上的，其噸產品電耗為190～230 kW·h，原料CO2氣純度在80%～90%的，其噸產品電耗超過250 kW·h，個別企業甚至在270 kW·h左右。總體能耗較高，與理論消耗值相比相差太大，對企業CO2回收液化的成本影響較大，特別是在近年液體CO2市場低迷的背景下，給CO2回收液化企業的經濟效益帶來了嚴重的影響。

就整個CO2的液化、純化過程分析，每個過程均對其產品能量消耗及成本有影響，但其過程的能量消耗主要集中在原料氣體的壓縮和液化這兩個關鍵過程。本文以CO2液化純化過程中CO2氣體的壓縮和液化為切入點，對CO2液化與純化過程中的節能提出一些相關技術，供CO2生產企業選擇參考。

2 CO2液化、純化過程中能耗分布淺析

我們以某CO2原料氣為例，通過Aspen Plus軟件按一般流程進行過程模擬[1]，對其過程中的能耗進行分析。

在CO2液化純化過程中，壓縮與冷凍功耗基本上就是整個過程的功耗，降低壓縮與冷凍的功耗是CO2液化的關鍵。

3 節能措施

3.1 降低原料氣進壓縮機前水含量

用Aspen Plus軟件模擬圖文分析[3-4]從圖1、圖2及表1可以看出進氣溫度為20 ℃和40 ℃時，含水量相差3.764%，20 ℃時壓縮機的排氣量比40 ℃時提高11.17%。故降低進入壓縮機的CO2原料氣溫度，提高了壓縮機排氣量，相應地減少了壓縮機能耗，同時也減少了壓縮機腐蝕等故障，減少了壓縮機啟停能耗。所以，有條件采用低溫水，或采用氨冷降低壓縮機進口溫度很有意義。

圖1 含水量和溫度關系圖

圖2 壓縮機排氣量和溫度關系圖

3.2 采用合適的凈化液化壓力和液化溫度

（1）通過模擬可得到在同樣的液化溫度下壓力、原料氣濃度與收率的關系。

在操作溫度相同的情況下，操作壓力越高產品CO2收率越高，原料氣CO2濃度越高收率越高。當純度在90%～98%時，若壓力超過2.6 MPa，則回收率曲線明顯放緩，再提高壓力意義已經不大了。所以，根據原料氣中CO2含量選擇合適的壓力十分必要。

（2）通過模擬可得到在同樣的液化壓力和原料氣濃度下溫度與收率的關系。

在操作壓力（2.5 MPa）相同的情況下，操作溫度越低產品CO2收率越高，原料氣CO2濃度越高收率越高。但純度在90%～98%時，若溫度在-16℃以上，則收率下降很快，某些濃度下的收率很快就下降到零。所以，根據原料氣中CO2含量選擇合適的溫度十分必要。

由于CO2低溫液化時功耗主要是制冷與壓縮上，制冷功耗大的原因主要在于制冷機的蒸發溫度比較低，性能系數小而功耗大。所以提高液化壓力，壓縮機的功耗會增加而制冷壓縮機的功耗會減小，并且由于制冷機功耗減小，使總的功耗也在下降。所以，升高壓力有利于降低整個功耗。如果考慮到壓力上升使飽和溫度升高，致液體CO2溫度升高，可通過過冷進行補償，且過冷功耗較低。

3.3 采用雙級制冷系統或復疊式制冷

目前CO2液化裝置普遍采用單機螺桿壓縮機，但在低溫工況下單級螺桿壓縮機有以下不利因素：①容積效率下降。蒸發溫度越低，壓力比越高，螺桿壓縮機基元容積之間的壓比及壓差越大，內泄漏大，容積效率下降。②性能系數降低。蒸發壓力越低，則制取單位制冷量的功耗越大。③產生欠壓縮，噪聲增大，排氣溫度上升[5]。

雙級壓縮機組由低壓到高壓通過兩次壓縮來完成，這樣的輸氣系數要高于單級壓縮機；同時每一級的壓比減少，排氣溫度相對較低，適合大壓比工況下工作，適合低溫工況使用。

CO2的液化，在壓力不變的條件下，溫度越低越利于液化。其工作狀態基本上為低溫工況，特別是中低濃度的CO2液化，更需低溫工況，故雙級制冷系統在CO2液化裝置中有很好的應用意義。

復疊式制冷機組通常由兩個單獨的制冷系統組成，分別稱為高溫級及低溫級部分。高溫部分使用中溫制冷劑（在CO2裝置中用R717或R22），低溫部分使用低溫制冷劑（在CO2液化裝置中用CO2）。對于中低濃度的CO2原料氣（如CO2含量在90%以下的氣源），由于其含量較低，對液化壓力與液化溫度要求較嚴格，復疊式制冷機組有其明顯的優勢。

以下是較低CO2含量的原料氣（以濃度80%為例），按分別采用雙機雙級制冷工藝與復疊制冷工藝進行的Aspen Plus模擬過程[6-8]。

3.3.1 雙機雙級制冷工藝（-30 ℃液化）

雙機雙級制冷工藝如圖3。

圖3 雙機雙級工藝

3.3.2 采用復疊制冷工藝（-30 ℃一級液化+-45 ℃二級液化）

復疊制冷工藝如圖4。

圖4 采用復疊工藝

通過比較可以看出，采用復疊制冷工藝電耗要比雙級制冷工藝的電耗降低7%～10%，主要原因是復疊制冷工藝CO2收率高，同樣產能情況下，用的原料氣氣量少，無用功耗大大減少了。

以上兩種制冷方式，杭州快凱高效節能新技術有限公司均有實際應用裝置，且運行能耗明顯低于傳統的單機單級制冷系統。

分別采用單級制冷系統與雙級制冷系統的兩個運行工廠電耗比較見表2。

表2 分別采用單機單級制冷系統與雙級制冷系統的兩個運行工廠電耗比較

甲廠是我們選取的目前在單級制冷裝置中電耗較低的廠家之一。

無論是高濃度還是中低濃度CO2原料氣采用雙級制冷系統，其能耗均比傳統的制冷系統要節省得多，故選用制冷工藝時應優先采用雙級制冷工藝。特別是對于低濃度CO2原料氣，復疊式制冷工藝應作為裝置工藝的首選。

3.4 二氧化碳氣體壓縮機采用無級調節技術

對于有的壓縮機長期需開近路閥的液化生產裝置，一般是在旁路管線和旁通閥的作用下，使壓縮機排出的氣體能夠部分或全部返回進氣管，從而對流量進行調節，但是其調節方式經濟性差，造成了能源的巨大浪費。鑒于此，有條件的或新建裝置考慮采用往復活塞壓縮機排氣量無級調節方法，該方法是通過一個控制系統和一個或多個能夠壓開吸氣閥的執行機構，控制壓縮機吸氣閥的強制壓開或自由開閉，使壓縮機加載循環與空載循環間隔分布并符合占空比，從而均勻的提供所需排氣量，節省能耗，達到最佳經濟運行要求。

3.5 采用傳熱效率高的換熱設備

CO2液化過程中換熱設備是必不可少的，選用高效率傳熱設備對CO2液化過程中的節能是相當有利的。

由于CO2介質在液化時已處于干凈、無腐蝕、不易堵塞的狀況，故選用如內翅管、板翅式十分有必要。特別是板翅式換熱器，具有傳熱效率高的優勢，冷熱介質間在實際運行中可達到小于3 ℃的溫差，若其用于液化，則可大大提高傳熱效率，提高制冷機的效率，有利于降低制冷功耗。另外板翅式換熱器還具有結構緊湊、質量輕、占地面積小的優點。

3.6 其他技術

其他技術如：（1）節流膨脹冷卻液化技術，尚屬研發中。由于受CO2性質和膨脹機限制，預計難以突破。

（2）超音速渦流堆液化技術。目前僅有設想，尚無實驗裝置，但從有關資料可以看出，其所需壓縮的CO2氣體量和終端壓力較高，是用壓縮功耗替代制冷功耗，其總功耗應比傳統液化工藝還要高。

4 結語

綜上所述，所以無論是老裝置改造還是新建液體CO2裝置，對于CO2液化中的節能，應從提高壓力和優化制冷系統上著手。應優先選擇合理的液化壓力和采用高效節能的制冷系統，同時借用一些在其他行業已廣泛應用的節能技術。