CO2液化與純化過程中的能耗分析

唐志飛

（杭州快凱高效節(jié)能新技術(shù)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(shù)在近十多年間得到了迅猛的發(fā)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(chǎn)品在質(zhì)量及能耗差異較大而已。

無論是何種質(zhì)量的液體二氧化碳產(chǎn)品，在其生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)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(yīng)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(yè)內(nèi)有著許多成熟的技術(shù)，但CO2回收液化產(chǎn)生能耗高、成本高的問題仍很突出。雖然許多CO2液化企業(yè)在裝置工藝優(yōu)化、節(jié)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(chǎn)品（噸產(chǎn)品）能耗仍居高不下。目前，原料CO2氣純度在95%以上的，其噸產(chǎn)品電耗為190～230 kW·h，原料CO2氣純度在80%～90%的，其噸產(chǎn)品電耗超過250 kW·h，個別企業(yè)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(yè)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(yè)的經(jīng)濟(jì)效益帶來了嚴(yán)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(chǎn)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(guān)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(jié)能提出一些相關(guān)技術(shù)，供CO2生產(chǎn)企業(yè)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(jìn)行過程模擬[1]，對其過程中的能耗進(jìn)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(guān)鍵。

3 節(jié)能措施

3.1 降低原料氣進(jìn)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(jìn)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(jìn)入壓縮機的CO2原料氣溫度，提高了壓縮機排氣量，相應(yīng)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(jìn)口溫度很有意義。

圖1 含水量和溫度關(guān)系圖

圖2 壓縮機排氣量和溫度關(guān)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(guān)系。

在操作溫度相同的情況下，操作壓力越高產(chǎn)品CO2收率越高，原料氣CO2濃度越高收率越高。當(dāng)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(jīng)不大了。所以，根據(jù)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(guān)系。

在操作壓力（2.5 MPa）相同的情況下，操作溫度越低產(chǎn)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(jù)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(fā)溫度比較低，性能系數(shù)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(jìn)行補償，且過冷功耗較低。

3.3 采用雙級制冷系統(tǒng)或復(fù)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(fā)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(nèi)泄漏大，容積效率下降。②性能系數(shù)降低。蒸發(fā)壓力越低，則制取單位制冷量的功耗越大。③產(chǎn)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(shù)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(tài)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(tǒng)在CO2液化裝置中有很好的應(yīng)用意義。

復(fù)疊式制冷機組通常由兩個單獨的制冷系統(tǒng)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(yán)格，復(fù)疊式制冷機組有其明顯的優(yōu)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(fù)疊制冷工藝進(jìn)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(fù)疊制冷工藝（-30 ℃一級液化+-45 ℃二級液化）

復(fù)疊制冷工藝如圖4。

圖4 采用復(fù)疊工藝

通過比較可以看出，采用復(fù)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(fù)疊制冷工藝CO2收率高，同樣產(chǎn)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(jié)能新技術(shù)有限公司均有實際應(yīng)用裝置，且運行能耗明顯低于傳統(tǒng)的單機單級制冷系統(tǒng)。

分別采用單級制冷系統(tǒng)與雙級制冷系統(tǒng)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(tǒng)與雙級制冷系統(tǒng)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(tǒng)，其能耗均比傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)要節(jié)省得多，故選用制冷工藝時應(yīng)優(yōu)先采用雙級制冷工藝。特別是對于低濃度CO2原料氣，復(fù)疊式制冷工藝應(yīng)作為裝置工藝的首選。

3.4 二氧化碳?xì)怏w壓縮機采用無級調(diào)節(jié)技術(shù)

對于有的壓縮機長期需開近路閥的液化生產(chǎn)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(jìn)氣管，從而對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是其調(diào)節(jié)方式經(jīng)濟(jì)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(fù)活塞壓縮機排氣量無級調(diào)節(jié)方法，該方法是通過一個控制系統(tǒng)和一個或多個能夠壓開吸氣閥的執(zhí)行機構(gòu)，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(huán)與空載循環(huán)間隔分布并符合占空比，從而均勻的提供所需排氣量，節(jié)省能耗，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運行要求。

3.5 采用傳熱效率高的換熱設(shè)備

CO2液化過程中換熱設(shè)備是必不可少的，選用高效率傳熱設(shè)備對CO2液化過程中的節(jié)能是相當(dāng)有利的。

由于CO2介質(zhì)在液化時已處于干凈、無腐蝕、不易堵塞的狀況，故選用如內(nèi)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(yōu)勢，冷熱介質(zhì)間在實際運行中可達(dá)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(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、占地面積小的優(yōu)點。

3.6 其他技術(shù)

其他技術(shù)如：（1）節(jié)流膨脹冷卻液化技術(shù)，尚屬研發(fā)中。由于受CO2性質(zhì)和膨脹機限制，預(yù)計難以突破。

（2）超音速渦流堆液化技術(shù)。目前僅有設(shè)想，尚無實驗裝置，但從有關(guān)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(yīng)比傳統(tǒng)液化工藝還要高。

4 結(jié)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(jié)能，應(yīng)從提高壓力和優(yōu)化制冷系統(tǒng)上著手。應(yīng)優(yōu)先選擇合理的液化壓力和采用高效節(jié)能的制冷系統(tǒng)，同時借用一些在其他行業(yè)已廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。