CO2液化項(xiàng)目中液化壓力及制冷劑的選擇

化國

(中國昆侖工程公司，北京100037)

摘要：隨著CO2減排日益成為世界各國研究的焦點(diǎn)，在CO2液化項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，同時(shí)兼顧節(jié)省投資、簡(jiǎn)化系統(tǒng)等，是具有重要的現(xiàn)實(shí)意義的。本文對(duì)采用制冷機(jī)直接液化CO2的方案進(jìn)行了分析，探求最佳液化壓力、分析適合選用的制冷劑，以期最大程度的降低能耗。通過計(jì)算，總結(jié)了液化總功耗隨液化壓力的變化規(guī)律：隨著液化壓力的提高，液化總功耗降低，但降低的幅度逐漸減小。在工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量提高液化壓力；在采用較低的液化壓力時(shí)，選用帶經(jīng)濟(jì)器的制冷機(jī)是最佳選擇。另外，對(duì)于CO2液化過程中采用不同制冷劑時(shí)的性能進(jìn)行了比較，指出應(yīng)優(yōu)先選用氨或R507作為制冷劑。

關(guān)鍵詞：CO2液化；液化方案；液化壓力；制冷劑；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TB66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6339 (2015) 05-0443-04

Abstract：As the research of CO2 emission reduction has become a hot topic around the world, it is of great significance in CO2 liquefaction project to reduce energy consumption and cost, and meanwhile to simplify the system. In order to reduce the energy consumption to a great extent, this paper analyzed the technical proposal using refrigerator to liquefy CO2, and discussed the optimum liquefaction pressure and refrigerants. Through calculation, it summarized the variation tendency that total power consumption influenced by liquefaction pressure: with the rising of liquefaction pressure, the total power consumption reduces, but the reduce amplitudes decreases. In practical projects, the liquefaction pressure should be set as high as possible. In cases that low liquefaction pressure cannot but be used, refrigerator with an economizer can be used as an optimum solution. For CO2 liquefaction process, the refrigeration cycle performances are analyzed and studied with different refrigerants, which indicate that R717 and R507 are optimum refrigerants.

收稿日期2015-04-01修訂稿日期2015-05-31

作者簡(jiǎn)介：化國(1981~)，男，碩士，工程師，主要從事制冷與低溫工程相關(guān)的設(shè)計(jì)工作。

The Selection of Liquefaction Pressure and Refrigerant in CO2Liquefaction ProjectHUA Guo

(China Kunlun Contracting & Engineering Corp., Beijing 100037,China)

Key words：CO2liquefaction; liquefaction proposal; liquefaction pressure; refrigerant; energy saving

0引言

二氧化碳(CO2)在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而且來源廣泛。在應(yīng)用以及回收利用CO2的過程中，常需要將其液化。CO2是引起溫室效應(yīng)的最主要因素，為減緩其對(duì)氣候變暖的影響，世界各國正在開展CO2減排方面的研究工作[1-2]。CCS(CO2捕獲與封存技術(shù))和EOR(提高油氣采收率技術(shù))是當(dāng)前CO2減排技術(shù)中的研究熱點(diǎn)，其中重要的一環(huán)就是將CO2液化，以提高儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)男蔥3-4]。正是在這樣的背景下，對(duì)CO2液化技術(shù)進(jìn)行研究，提高液化效率，降低液化功耗，同時(shí)兼顧節(jié)省投資、簡(jiǎn)化系統(tǒng)等方面，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

正如Abdullah所述，在CCS等項(xiàng)目中涉及CO2的大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，關(guān)于CO2液化循環(huán)的詳細(xì)研究為數(shù)不多；Abdullah使用HYSYS軟件對(duì)幾種應(yīng)用于CO2液化方案的制冷循環(huán)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算[5]。國內(nèi)的研究多集中在對(duì)CO2的兩種液化方案(高壓液化和低溫液化)的對(duì)比分析上[4,6]。

本文對(duì)采用制冷機(jī)直接液化CO2的方案進(jìn)行了計(jì)算分析，以節(jié)能降耗為前提，主要對(duì)液化過程中CO2液化壓力及制冷劑的選擇進(jìn)行了分析，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。

1制冷機(jī)直接液化方案

根據(jù)CO2的熱物理性質(zhì)，常有高壓液化(將CO2加壓至臨界壓力以上，再冷卻液化，不使用制冷機(jī))和低溫液化(先將CO2加壓再利用制冷機(jī)冷卻液化)兩種方案。高壓液化在應(yīng)用時(shí)有諸多限制。低溫液化可以規(guī)?；a(chǎn)，具有明顯的工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，獲得了廣泛的應(yīng)用。

低溫液化常指低溫低壓液化，本文拓寬為采用制冷機(jī)的液化，并不局限于低溫低壓。再有，制冷機(jī)直接液化方案是將加壓后的CO2在制冷機(jī)內(nèi)降溫至液化點(diǎn)以下而直接完全液化，不同于先用制冷機(jī)預(yù)冷再節(jié)流液化的方案。制冷機(jī)直接液化方案避免了節(jié)流液化方案中的節(jié)流損失，提高了液化效率，同時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔。

采用制冷機(jī)直接液化的方案中，液化壓力的選擇是關(guān)鍵因素，制冷劑的選擇也直接影響液化總功耗。液化壓力的選擇，決定了CO2氣體壓縮機(jī)的排氣壓力，是壓縮機(jī)選型的依據(jù)；決定了制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力，從而決定了制冷循環(huán)和制冷機(jī)的選型。液化壓力低則CO2氣體壓縮機(jī)功耗小、制冷機(jī)功耗大，反之則CO2氣體壓縮機(jī)功耗大、制冷機(jī)功耗小，存在液化總功耗隨液化壓力的變化關(guān)系。

2液化壓力的選擇

2.1　計(jì)算參數(shù)及方法

本文計(jì)算模型的基本假設(shè)及參數(shù)如下：對(duì)于1 kg/s(以下稱單位液化量)的純凈CO2氣體，進(jìn)口狀態(tài)為101 kPa、40℃。為便于儲(chǔ)存，取液化后的CO2液體過冷5℃。CO2氣體壓縮機(jī)按活塞式壓縮機(jī)、3級(jí)壓縮計(jì)算，取壓縮機(jī)絕熱效率為70%，機(jī)械效率為90%。制冷機(jī)按單級(jí)壓縮理論循環(huán)計(jì)算，取制冷壓縮機(jī)絕熱效率為70%，制冷壓縮機(jī)吸氣過熱5℃。冷凝溫度為38℃，過冷5℃。取CO2氣體壓縮機(jī)排氣壓力比制冷液化壓力高50 kPa，以模擬實(shí)際項(xiàng)目中的干燥機(jī)及管路壓降。不計(jì)換熱器內(nèi)的壓降。將循環(huán)冷卻水的循環(huán)量折算為電耗計(jì)入各項(xiàng)功耗。

制冷機(jī)理論循環(huán)的計(jì)算在Cool Pack軟件中完成。壓縮機(jī)每一級(jí)的理論壓縮功按下式計(jì)算

(1)

式中Wad——等熵壓縮過程壓縮功/kW；

p1——吸氣壓力/kPa；

p2——排氣壓力/kPa；

V1——體積流量/m3·s-1；

k——等熵壓縮指數(shù)。

2.2　液化總功耗隨液化壓力的變化規(guī)律

圖1是采用氨為制冷劑，單位液化量功耗隨液化壓力的變化關(guān)系曲線。采用不同的制冷劑、對(duì)于不同的CO2入口壓力、改變絕熱效率的取值時(shí)均有相似的變化規(guī)律。由圖可以看出：隨著液化壓力的提高，單位液化量功耗逐漸降低，但降低的幅度逐漸減小。液化壓力選為3 MPa比選為2 MPa時(shí)，可節(jié)省功耗約5.2%，每噸液體CO2產(chǎn)品可節(jié)電約10 kW·h，10萬t/年CO2液化項(xiàng)目每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約60萬元(電費(fèi)按0.6元/kW·h計(jì))，節(jié)能效益是非常顯著的。

圖1　氨制冷劑，單位液化量功耗隨液化壓力的變化關(guān)系曲線

圖2表明了單位液化量功耗中，CO2氣體壓縮機(jī)功耗和制冷機(jī)功耗的占比情況。對(duì)制冷機(jī)而言，一方面，隨著液化壓力提高，CO2潛熱減少，制冷負(fù)荷降低，使得制冷機(jī)功耗明顯降低；另一方面，隨著液化壓力的提高，制冷機(jī)蒸發(fā)溫度相應(yīng)提高，性能系數(shù)增大，進(jìn)一步降低了制冷機(jī)功耗。制冷機(jī)功耗減少的幅度大于壓縮機(jī)功耗增加的幅度，總功耗降低。液化壓力提高到一定程度以后，制冷機(jī)功耗在總液化功耗中所占的比例越來越小，使得總液化功耗不再明顯減少，總功耗曲線變得平緩?？梢哉J(rèn)為5 MPa是最佳液化壓力，在5 MPa以后，液化總功耗隨液化壓力提高而降低的值有限。若要進(jìn)一步降低液化功耗則需要采用更多級(jí)數(shù)的氣體壓縮機(jī)。

圖2　氨制冷劑，功耗隨液化壓力的變化關(guān)系曲線

2.3　對(duì)上述變化規(guī)律的應(yīng)用分析

選用較高的液化壓力時(shí)，CO2液化溫度相應(yīng)提高，儲(chǔ)存或輸送時(shí)的散熱損失小，可以使液化總功耗進(jìn)一步降低。因此在實(shí)際工程項(xiàng)目中，從節(jié)能降耗的角度看，應(yīng)采用盡可能高的液化壓力。特別是在需要高壓力CO2的場(chǎng)合，如CO2驅(qū)油項(xiàng)目中，采用較高的液化壓力節(jié)能效果更為顯著?？梢灶A(yù)測(cè)，隨著液體CO2輸送技術(shù)的發(fā)展，CO2液化項(xiàng)目中將廣泛選擇較高的液化壓力。

目前，CO2液化壓力常受到儲(chǔ)存容器、運(yùn)輸車輛承壓能力的限制。一般情況下CO2儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力在2.5MPa以下[4,7-8]，這也是目前低溫液化方案多采用2.5 MPa左右液化壓力、同時(shí)液化溫度較低的原因所在。

液化壓力太低時(shí)，除了節(jié)能效果差，對(duì)制冷機(jī)的要求也高。由于壓比過大，單級(jí)壓縮制冷循環(huán)已不適用。圖3示意了以氨為制冷劑，幾種制冷循環(huán)的單位液化量功耗對(duì)比情況。所采用的計(jì)算參數(shù)及方法與2.1節(jié)相同。由圖3可見，采用帶經(jīng)濟(jì)器制冷循環(huán)和兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)后功耗明顯降低。

圖3　氨制冷劑，不同制冷循環(huán)的單位液化量功耗對(duì)比曲線

雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)使系統(tǒng)和操作都變的復(fù)雜；且從制冷性能上分析，在蒸發(fā)溫度低于-35℃時(shí)采用雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)才比較有利[9]。而在CO2液化項(xiàng)目上，無論從節(jié)能降耗的角度考慮，還是從避免制冷劑側(cè)為負(fù)壓的角度考慮，蒸發(fā)溫度都不應(yīng)低于-35℃(對(duì)應(yīng)的液化壓力約1.7 MPa)。因此在CO2液化項(xiàng)目上，一般無需采用雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)，采用帶經(jīng)濟(jì)器制冷機(jī)是最佳選擇。

3制冷劑的選擇

CO2液化項(xiàng)目中，目前廣泛應(yīng)用的制冷劑為R22和氨。但R22將于2030年禁止生產(chǎn)。此外，可供選擇的制冷劑有：丙烷、R134a、R407C、R410A、R404A、R507、CO2等。本文對(duì)以上制冷劑用于CO2液化項(xiàng)目時(shí)的性能進(jìn)行了計(jì)算比較。計(jì)算參數(shù)及計(jì)算方法與2.1節(jié)相同。采用不同制冷劑時(shí)，制冷機(jī)軸功率、單位容積制冷量隨CO2液化壓力的變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4　制冷機(jī)軸功率隨液化壓力的變化關(guān)系曲線

圖5　單位容積制冷量隨液化壓力的變化關(guān)系曲線

由圖4可見，在較低液化壓力下，以R404A為制冷劑的制冷機(jī)軸功率明顯偏高；另外，R404A為近共沸混合物，存在一定的溫度滑變。R407C、R410A與其類似。在應(yīng)用于CO2液化項(xiàng)目時(shí)，R404A、R410A和R407C并不具備優(yōu)勢(shì)。

由圖5可見， R134a的單位容積制冷量明顯偏低，應(yīng)用時(shí)需要大排量的壓縮機(jī)和大尺寸的管道，造成設(shè)備投資增加，不適宜應(yīng)用于較大規(guī)模的項(xiàng)目中。

CO2本身是一種環(huán)保性能優(yōu)良的制冷劑，單位容積制冷量大，近年來倍受關(guān)注。但由于CO2的臨界溫度低，難以獲得合適的冷卻介質(zhì)；跨臨界制冷系統(tǒng)中又存在高壓側(cè)壓力高、承壓要求高的缺點(diǎn)。以CO2為制冷劑，無論是跨臨界循環(huán)還是亞臨界循環(huán)，功耗都明顯偏高。綜合來看，CO2液化項(xiàng)目中并不適宜采用CO2作為制冷劑。

因此，CO2液化項(xiàng)目中，適宜選用的制冷劑為氨、丙烷、R22和R507。雖然R22是一種優(yōu)良的制冷劑，在考慮到環(huán)境保護(hù)的限制時(shí)也不適宜選用。

氨和丙烷屬于天然制冷劑，環(huán)保性能好。氨的制冷性能優(yōu)越，傳熱性能好，流動(dòng)阻力??；但氨具有明顯的缺點(diǎn)：毒性大、具有刺激性氣味。丙烷熱力性質(zhì)與氨接近，但流動(dòng)壓降比氨大，要求管徑大些；丙烷的缺點(diǎn)是具有可燃性。氨比丙烷具有更好的熱力性能和傳輸性能，應(yīng)用更為廣泛。以氨或丙烷作為制冷劑時(shí)要求防爆，增加了投資及設(shè)備布置難度。但對(duì)于本身需要防爆的應(yīng)用場(chǎng)合，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是明顯的。

R507在制冷能力和傳輸性質(zhì)方面與R502相近，是一種優(yōu)良的制冷劑。在不需要防爆的項(xiàng)目中，采用R507作為制冷劑，設(shè)備投資少、系統(tǒng)簡(jiǎn)化、便于設(shè)備布置，優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

4結(jié)論

(1)采用制冷機(jī)直接液化CO2的方案中，隨著液化壓力的提高，液化總功耗逐漸降低，但降低的幅度逐漸減小。在工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量提高液化壓力，同時(shí)選用帶經(jīng)濟(jì)器的制冷機(jī)，以盡可能地降低能耗。

(2)CO2液化項(xiàng)目中，適宜選用的制冷劑為氨、丙烷、R22和R507，應(yīng)優(yōu)先選用氨或R507。氨更適合應(yīng)用在需要防爆的場(chǎng)合，R507更適合應(yīng)用在非防爆的場(chǎng)合。

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