渦流管在二氧化碳生產中的節能應用

唐志飛

（杭州快凱高效節能新技術有限公司，浙江杭州 310051）

渦流管，又稱蘭克·赫爾胥（Ranque-Hilsch）管，是一種結構簡單、易維修、可將一股高壓氣體即可分離出高溫和低溫兩股低壓氣流的設備，因其獨特的性能特點，在工業領域有諸多應用。本文根據渦流管的能力分離效應，來探討在工業化二氧化碳生產過程中如何最大化挖掘利用CO2低溫精餾過程中排放的低溫不凝氣余冷，如何降低干燥系統再生過程中再生能耗，從而降低整個工業化二氧化碳裝置生產過程中的能量消耗，對節能減排有著積極意義。

1 二氧化碳工業化裝置液化精餾系統低溫不凝尾氣利用現狀

國內外絕大多數二氧化碳工業化裝置都是回收利用煤化工、石油化工、化肥、煤氣等行業的各種富含CO2的工業尾氣，經過壓縮增壓、脫硫、脫硝、除雜、干燥脫水，再經過液化、低溫精餾過程來生產合乎標準要求的工業級、食品級或高純液體二氧化碳。其中低溫精餾系統會產生占于原料氣8%～15%（隨原料氣CO2濃度的升高而減少），-20 ～-25 ℃，2.2 ～3.0 MPa的不凝尾氣，其主要成分為CO2、N2，其中CO2含量80%～90%，N2含量10%～20%。

1.1 低溫不凝尾氣利用現狀簡述

目前對不凝氣的處理方法主要是回收余冷后作脫水干燥系統再生時的再生氣源，當干燥系統不再生時則直接放空，其具體過程舉例如下：

來自低溫精餾系統-25 ℃，2.3 MPa 的低溫不凝氣尾氣經過減壓閥（FA）減壓至0.1 ～0.03 MPa，-56 ℃，去余冷回收器跟來自干燥系統38 ℃，2.3 MPa 的原料CO2氣進行換熱回收其余冷，自身被原料氣加熱至30 ℃，同時原料CO2氣被預冷。回收余冷后30 ℃的不凝尾氣通過三通閥（FB）當干燥系統不再生時自動切換至安全處放空，當干燥系統需要再生時則切換至再生加熱器加熱至220 ℃后，作為干燥系統的再生氣源送入干燥系統。低溫不凝尾氣利用現狀見下圖1。

圖1 低溫不凝尾氣利用現狀圖

1.2 低溫不凝尾氣利用現狀模擬計算

以1 000 m3(標)/h，2.3 MPa，-22 ℃的不凝尾氣為基準，通過用Aspen Plus 進行模擬計算可得：

余冷回收器回收余冷QL=VCpΔtⅠ=131.288 MJ

再生加熱器的加熱量Qr1=VCpΔtⅠ=331.665 MJ。

QL——回收余冷冷量（MJ），Qr1——再生加熱器加熱量（MJ）

V——不凝尾氣量[m3(標)/h]，Cp——等壓比熱容[MJ/m3(標)·℃]

ΔtⅠ——低溫不凝氣在余冷回收器中的溫升（℃）

ΔtⅡ——不凝氣在再生加熱器中的溫升（℃）

2 對現有二氧化碳裝置不凝尾氣利用現狀的分析與思考

1）雖然回收了低溫不凝尾氣的余冷，達到了一定的節能效果，但因其過程簡單，未能進一步挖掘回收不凝尾氣的潛在余冷；

2）當回收余冷后的不凝尾氣作為干燥系統的再生氣源被電加熱器加熱至220 ℃的過程中，未采用有效的節能措施來降低再生加熱器的電能消耗。

3）不凝尾氣在從高壓到低壓的過程中，僅簡單地通過調節閥FA 做絕熱等熵膨脹制冷，再次產生冷量進行回收利用，未能有效利用不凝尾氣余壓進一步節能。

因此，可考慮利用不凝尾氣的余壓，通過渦流管的制冷制熱效應（能量分離效應）把不凝尾氣分成冷熱兩股氣體，再分別回收其冷量和熱量，來降低液化精餾系統的制冷負荷和再生加熱器的加熱負荷。

3 不凝尾氣渦流管余冷余熱回收系統

3.1 不凝尾氣渦流管余冷余熱回收系統設計理論依據

渦流管的能量分離效應是以渦流管進出口的壓差為動力，來進行能量分離的，何曙[1]（鄭州輕工業學院）通過壓力對渦流管性能影響研究，發現并不是渦流管進出口壓差越大，能量分離效果越好，根據王征[2]（浙江大學）對渦流管性能及其與制冷系統的耦合特性研究研究發現壓差過大相反還會出現冷熱反轉現象。

根據二氧化碳工業化裝置液化精餾系統低溫不凝尾氣特點，主要組分為CO2，其余為少量N2，同時結合張國慶[3]（北京工業大學）對不同氣體對渦流管能量分離效果的影響研究和張磊[4]（內蒙古科技大學）對的渦流管能量分離效應性能實驗研究，對于工質為CO2的渦流管能量分離系統，在冷物流比率在0.58，渦流管進口壓力0.4 MPa（渦流管出口常壓）時，可獲得最佳制冷制熱溫度效應，其最佳制冷、制熱效應分別為29.3 ℃、35.9 ℃。根據姜曙[5]（北京工業大學）對渦流管能量分離性能的研究，發現四流道渦流管的能量分離效果最好，故本文渦流管余冷余熱回收系統選用四流道渦流管。

3.2 不凝尾氣渦流管余冷余熱回收系統簡述

來自低溫精餾系統-22 ℃，2.3 MPa 的低溫不凝氣尾氣經過減壓閥（F1）減壓至0.4 MPa，-50 ℃，去余冷回收器Ⅱ回收余冷，自身被原料氣加熱至25 ℃，隨后去渦流管（四流道）進行能量分離產生制冷和致熱效應，即通過渦流管后被分成冷熱兩股流體通過調節閥（F2）調節冷物流比率至0.58。從渦流管冷端出來的0.03 MPa，-4.3 ℃的冷流體去余冷回收器Ⅰ跟來自干燥系統的CO2原料氣換熱，回收渦流管冷物流余冷，使渦流管冷物流的溫度升至30 ℃；從渦流管熱端出來的0.03 MPa，60.9 ℃的熱物流則和回收余冷后的渦流管冷物流混合，混合約43 ℃的常溫不凝尾氣通過三通閥（F3）當干燥系統不再生時自動切換至安全處放空，當干燥系統需要再生時則切換至再生電加熱器加熱至220 ℃后，作為干燥系統的再生氣源送入干燥系統。不凝尾氣渦流管余冷余熱回收系統見下圖2。

圖2 不凝尾氣渦流管余冷余熱回收系統

3.3 不凝尾氣渦流管余冷余熱回收系統模擬計算

由于渦流管的能量分離效應至今還沒有一個統一準確的熱力學理論模型來進行描述和解釋，故此可將渦流管當作一個黑箱系統進行處理，來簡化模擬計算過程。

同樣以1 000 m3(標)/h，2.3 MPa，-22 ℃的不凝尾氣為基準，通過用Aspen Plus 進行模擬計算可得：

余冷回收器Ⅰ回收余冷QL1=VCpΔtⅠ=31.411 MJ

余冷回收器Ⅱ回收余冷QL2=VCpΔtⅡ=122.904 MJ

總的余冷回收量QLZ=QL1+QL2=154.315 MJ

再生加熱器的加熱量Qr2=VCpΔtш=310.436 MJ。

QL1——余冷回收器Ⅰ回收余冷冷量（MJ）

QL2——余冷回收器Ⅱ回收余冷冷量（MJ）

QLz——渦流管余冷余熱回收系統總回收余冷冷量（MJ）

Qr2——渦流管余冷余熱回收系再生加熱器加熱量（MJ）

V——不凝尾氣量[m3(標)/h]，Cp——等壓比熱容[MJ/m3(標)·℃]

ΔtⅠ——低溫不凝氣在余冷回收器Ⅰ中的溫升（℃）

ΔtⅡ——低溫不凝氣在余冷回收器Ⅱ中的溫升（℃）

Δtш——不凝氣在再生加熱器中的溫升（℃）

4 模擬計算結果對比

根據本文第一部分和第三部分模擬計算結果，帶渦流管余冷余熱回收系統的比不帶渦流管的二氧化碳裝置不凝尾氣處理系統可多回收余冷：

再生加熱器可節約加熱量：

5 結論

通過本文的論述和模擬計算結果的對比，在工業化二氧化碳裝置生產過程中引入渦流管余冷余熱回收系統，有著顯著的節能效果，對擬建二氧化碳回收裝置節能設計和在運行二氧化碳回收裝置的節能改造具有很好的指導和推廣價值。