基于LNG冷能的闪蒸双循环碳捕集系统的热力学分析

王力勇

(中石化烟台龙口液化天然气有限公司，山东 烟台 265700)

0 引言

对废气、废水进行脱硝、脱碳、脱硫处理，可实现绿色环保、废物利用，对构建生态文明有重要意义。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种很有前景的发电技术，多与燃气轮机发电技术相结合，也可在许多电化学反应中产生直流电，是一种新型，洁净，高效的能源技术[1]。但SOFC对燃气中杂质的容许值较高，所以排出气体中也含有杂质。用甲烷做燃料电池的阳极，阴极通入氧气，此时阳极产物中的酸性气体CO2含量较多，酸性气体会严重影响生存环境，应该寻找相应的办法在保证能量效率的前提下，降低SOFC排气中的CO2含量。

目前对于SOFC的应用涉及到很多方面。SOFC的基本性能表现和结构设计在文献中有详细介绍[2-3]。Akkaya and Sahin[4]的研究展示了与有机朗肯循环复合的SOFC系统的能量效率可以提高到25%。但Ozcan提出在设计与有机朗肯循环复合的SOFC发电系统的过程中，需要注意选择高临界温度的工质，循环必需在高压下运行[5]。在SOFC工厂中进行CO2捕集的方法之一是通过高纯度氧气的燃烧来完成阳极废气的氧化，从而形成基于CO2的水溶液，其与水冷凝后可以获得高纯度的CO2[6-8]。Pan等[9]设计了基于卡琳娜循环和有机朗肯循环的SOFC复合发电系统，并对CO2捕获技术展开讨论。该系统由于CO2捕获技术的增加，使得发电回收效率略有降低，为36%，但CO2捕集量为CO2排放量的30%，整个系统在废气回收方面有明显优势。岳秀艳[10]等人提出了一种新型的SOFC-燃气轮机-卡琳娜循环的联合发电系统，并通过EES对系统进行仿真模拟，得到在一定范围内，增大空气流率、燃料流率获水蒸气碳比并不能使联合循环系统的能量利用率提高。Minli[11]等对一体化SOFC，ORC和吸收式制冷机三联产系统进行了热力学分析，并研究了系统对CO2捕集效果的影响，结果表明，有无CO2捕集系统对三联产效率的影响不大。

通过上面的讨论，多数学者将SOFC与热力循环系统复合在一起进行研究，从而提高SOFC系统的能源综合利用效率并减少废气中CO2的排放。本文采用化学吸收法对SOFC系统的废气进行脱碳处理，设计了一种基于LNG冷能的闪蒸双循环碳捕集系统。系统采用LNG冷能为循环提供冷量，分别讨论了闪蒸压力和温度，蒸发温度和压力对系统热力学性能的影响。在使用MDEA溶剂进行脱碳的过程中，通过Aspen Plus软件对进料温度和塔顶压力进行了优化。最后，LNG在捕集CO2的过程中被气化，气化后的天然气可对城镇供气进行调峰。

1 系统介绍

SOFC释放的烟气经过降温后进入吸收塔的下部，从下向上流动，与从上而下流动的胺贫液逆流接触，烟气中的CO2与吸收剂发生化学反应而形成弱联结化合物，脱除了CO2的净化气从吸收塔塔顶被排出吸收塔，吸收了CO2的吸收剂(富液)送往闪蒸双循环系统，废气组分含量见表1。

表1 SOFC的废气成分组成

富液通入闪蒸设备被分离成气液两相，分离后的气体流被通入蒸汽透平膨胀机1驱动发电，降温降压后的气液混合流体被高温高压状态下的LNG冷凝变回贫胺溶液，可以再次通入吸收塔作为吸收剂。另一股流体进入蒸发器加热有机朗肯循环工质R245fa，被加热后的气态工质进入膨胀机2膨胀做功，并驱动发电机发电。膨胀机出口出的低温低压气液混合工质经低温高压状态的天然气冷凝后由泵2送回蒸发器，构成封闭的朗肯循环回路。经气化后的LNG满足一般城镇天然气输送温度和压力，可供城镇燃气调峰使用。具体流程如图1所示。

图1 基于LNG冷能利用的闪蒸双循环系统示意图

2 热力学模型

在模拟计算前，流程需要满足的前提条件如下：整个系统运行处于稳定状态；LNG被假设为纯甲烷；由于压降对熵变和焓变的影响较小，故为突出各物流间的变化关系，忽略各部件的压力降；塔中每部分气体混合均匀；不考虑化学反应动力学的影响；工质在泵和膨胀机的入口处分别为饱和液态和饱和气态；膨胀机效率和泵效率均为定值；模拟初始参数设定见表2[12-14]。

表2 系统模拟初始参数

接下来，我们提出在模拟过程中需要的所有数学模型[15-17]，利用Aspen Plus[18-19]来做系统的热力学计算，解释系统性能随关键热力学参数变化的原因。

蒸发器

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)

系统净输出功

Wnet=∑WT-∑WP

(3)

系统热效率

(4)

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

(5)

(6)

(7)

3 结果与讨论

3.1 吸收塔压力和温度对CO2脱除率的影响

废气中CO2含量或CO2脱除率的大小是判别该工艺是否可行的第一主要指标。本文采用N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液作为吸收剂，采用吸收率来衡量吸收效果。吸收率的定义为

吸收率=吸收塔吸收的CO2的质量流量/原料气中总CO2质量流量×100%

利用plus对吸收器中吸收剂醇胺溶液进行了灵敏度分析和优化分析，结果如图2和图3所示。根据图2可以看出，当吸收剂在常温25 ℃时，出口气体中酸性气体CO2的含量几乎全部被吸收，所以吸收剂选用25 ℃进料。根据图3可以看出，吸收塔塔顶压力为110 kPa时效果最好。

图2 吸收剂进料温度的优化

图3 吸收塔塔顶压力的优化

3.2 蒸发压力和蒸发温度对有机朗肯循环热力性能的影响

蒸发温度和蒸发压力对有机朗肯循环净输出功和热效率的影响如图4和图5所示。从图4和图5中可以分别看出，保持蒸发压力不变的情况下，随透平进口温度的增加，有机朗肯循环净输出功和热效率呈现出相反的变化趋势，但保持蒸发温度不变时，二者均随蒸发压力的增大而减小。出现该变化趋势的原因都是由于蒸发温度和蒸发压力的改变可以影响膨胀机内焓差的变化，从而导致做功量的改变。与此同时，循环中未规定热源在蒸发器的出口温度，则循环吸热量随着蒸发温度和蒸发压力的增大而增大。所以，当增大蒸发温度时，吸热量的改变量占主导因素，所以热效率与净输出功呈现出相反的变化趋势。当蒸发压力变化时，吸热量的增大和净输出功的降低共同导致了热效率随蒸发压力的升高而降低的趋势。

图4 蒸发温度对有机朗肯循环净输出功和热效率的影响

图5 蒸发压力对有机朗肯循环净输出功和热效率的影响

3.3 闪蒸压力和闪蒸温度对系统热力性能的影响

图6展示了闪蒸压力对闪蒸双循环净输出功和热效率的影响。从图6可以看出，闪蒸双循环的净输出功和热效率均随闪蒸压力的增加而增加，这是因为，当闪蒸温度和膨胀机1出口压力一定时，随闪蒸压力的降低，膨胀机1的进出口的流股的焓差减小，即膨胀机1进出口的压差降低，从而闪蒸出的气体含量降低，由此导致膨胀机1的输出功降低；由公式(4)可以看出，热效率只与净输出功和吸热量有关。随着闪蒸压力的升高，闪蒸双循环的吸热量增加，但其增加幅度小于做功的改变，所以改变闪蒸压力时的循环热效率和循环净输出功的变化趋势相同。另外，闪蒸压力的改变对泵的消耗功率均不产生影响，且有机朗肯循环中膨胀机2的做功改变只与工质的蒸发温度和蒸发压力有关。综上，在可模拟范围内，当闪蒸压力为5 000 kPa时，闪蒸双循环的净输出功和热效率达到最大值，分别为6.9 MW和25.8%。

图6 闪蒸压力对闪蒸双循环净输出功和热效率的影响

图7展示了闪蒸温度对闪蒸双循环净输出功和热效率的影响。从图7可以看出，闪蒸双循环的净输出功和热效率均随闪蒸温度的增加而增加，但净输出功呈线性增长趋势，而热效率的增长趋势是逐渐加快的。这是因为，随着闪蒸温度的增加，进入膨胀机1中的气态工质的质量流量增多，从而使得膨胀机1的输出功增加，导致闪蒸循环的吸热量增加，而有机朗肯循环的吸热量降低，同时泵的消耗功和膨胀机2的输出功不变，所以闪蒸温度对净输出功的影响是积极的。然而热效率与净输出功和吸热量两个量有关，改变闪蒸温度后，闪蒸循环和有机朗肯循环吸热量的变化趋势相反，所以净输出功的影响逐渐占据主导。即，当闪蒸温度为270 ℃时，闪蒸双循环的净输出功和热效率达到最大值，分别为7.4 MW和34.9%。

图7 闪蒸温度对闪蒸双循环净输出功和热效率的影响

3.4 系统效率的分析

图8 蒸发温度和蒸发压力对有机朗肯循环冷效率的影响

图9 蒸发温度和蒸发压力对系统效率的影响

4 结论

针对废气中温室气体的排放量较大这一问题，本文设计了一种基于LNG冷能的闪蒸双循环碳捕集系统。该系统提出了一种将化学吸收法和热力循环相结合的方法对废气中的CO2进行捕集，通过Aspen Plus软件对化学吸收剂的温度设定进行模拟优化，然后对闪蒸双循环系统进行热力性能的分析，并得到如下结论：

(1)在模拟醇胺溶液的脱碳过程中，利用Aspen Plus进行灵敏度和优化分析，得到当CO2脱出率达到95%甚至更高时，最优进料温度为25℃，吸收塔塔顶压力为110 kPa。

(2)在有机朗肯循环中，增大蒸发温度和降低蒸发压力，均有利于提高有机朗肯循环的净输出功、热效率和冷效率；在闪蒸双循环系统中，增加闪蒸温度和压力可使系统的净输出功、热效率和效率达到可模拟范围内的最优值，即7.4 MW、34.9%和28.8%。