王力勇

(中石化煙臺(tái)龍口液化天然氣有限公司，山東 煙臺(tái) 265700)

0 引言

對(duì)廢氣、廢水進(jìn)行脫硝、脫碳、脫硫處理，可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、廢物利用，對(duì)構(gòu)建生態(tài)文明有重要意義。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種很有前景的發(fā)電技術(shù)，多與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，也可在許多電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生直流電，是一種新型，潔凈，高效的能源技術(shù)[1]。但SOFC對(duì)燃?xì)庵须s質(zhì)的容許值較高，所以排出氣體中也含有雜質(zhì)。用甲烷做燃料電池的陽極，陰極通入氧氣，此時(shí)陽極產(chǎn)物中的酸性氣體CO2含量較多，酸性氣體會(huì)嚴(yán)重影響生存環(huán)境，應(yīng)該尋找相應(yīng)的辦法在保證能量效率的前提下，降低SOFC排氣中的CO2含量。

目前對(duì)于SOFC的應(yīng)用涉及到很多方面。SOFC的基本性能表現(xiàn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在文獻(xiàn)中有詳細(xì)介紹[2-3]。Akkaya and Sahin[4]的研究展示了與有機(jī)朗肯循環(huán)復(fù)合的SOFC系統(tǒng)的能量效率可以提高到25%。但Ozcan提出在設(shè)計(jì)與有機(jī)朗肯循環(huán)復(fù)合的SOFC發(fā)電系統(tǒng)的過程中，需要注意選擇高臨界溫度的工質(zhì)，循環(huán)必需在高壓下運(yùn)行[5]。在SOFC工廠中進(jìn)行CO2捕集的方法之一是通過高純度氧氣的燃燒來完成陽極廢氣的氧化，從而形成基于CO2的水溶液，其與水冷凝后可以獲得高純度的CO2[6-8]。Pan等[9]設(shè)計(jì)了基于卡琳娜循環(huán)和有機(jī)朗肯循環(huán)的SOFC復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)CO2捕獲技術(shù)展開討論。該系統(tǒng)由于CO2捕獲技術(shù)的增加，使得發(fā)電回收效率略有降低，為36%，但CO2捕集量為CO2排放量的30%，整個(gè)系統(tǒng)在廢氣回收方面有明顯優(yōu)勢(shì)。岳秀艷[10]等人提出了一種新型的SOFC-燃?xì)廨啓C(jī)-卡琳娜循環(huán)的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，并通過EES對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，得到在一定范圍內(nèi)，增大空氣流率、燃料流率獲水蒸氣碳比并不能使聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的能量利用率提高。Minli[11]等對(duì)一體化SOFC，ORC和吸收式制冷機(jī)三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，并研究了系統(tǒng)對(duì)CO2捕集效果的影響，結(jié)果表明，有無CO2捕集系統(tǒng)對(duì)三聯(lián)產(chǎn)效率的影響不大。

通過上面的討論，多數(shù)學(xué)者將SOFC與熱力循環(huán)系統(tǒng)復(fù)合在一起進(jìn)行研究，從而提高SOFC系統(tǒng)的能源綜合利用效率并減少廢氣中CO2的排放。本文采用化學(xué)吸收法對(duì)SOFC系統(tǒng)的廢氣進(jìn)行脫碳處理，設(shè)計(jì)了一種基于LNG冷能的閃蒸雙循環(huán)碳捕集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LNG冷能為循環(huán)提供冷量，分別討論了閃蒸壓力和溫度，蒸發(fā)溫度和壓力對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響。在使用MDEA溶劑進(jìn)行脫碳的過程中，通過Aspen Plus軟件對(duì)進(jìn)料溫度和塔頂壓力進(jìn)行了優(yōu)化。最后，LNG在捕集CO2的過程中被氣化，氣化后的天然氣可對(duì)城鎮(zhèn)供氣進(jìn)行調(diào)峰。

1 系統(tǒng)介紹

SOFC釋放的煙氣經(jīng)過降溫后進(jìn)入吸收塔的下部，從下向上流動(dòng)，與從上而下流動(dòng)的胺貧液逆流接觸，煙氣中的CO2與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成弱聯(lián)結(jié)化合物，脫除了CO2的凈化氣從吸收塔塔頂被排出吸收塔，吸收了CO2的吸收劑(富液)送往閃蒸雙循環(huán)系統(tǒng)，廢氣組分含量見表1。

表1 SOFC的廢氣成分組成

富液通入閃蒸設(shè)備被分離成氣液兩相，分離后的氣體流被通入蒸汽透平膨脹機(jī)1驅(qū)動(dòng)發(fā)電，降溫降壓后的氣液混合流體被高溫高壓狀態(tài)下的LNG冷凝變回貧胺溶液，可以再次通入吸收塔作為吸收劑。另一股流體進(jìn)入蒸發(fā)器加熱有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)R245fa，被加熱后的氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)2膨脹做功，并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。膨脹機(jī)出口出的低溫低壓氣液混合工質(zhì)經(jīng)低溫高壓狀態(tài)的天然氣冷凝后由泵2送回蒸發(fā)器，構(gòu)成封閉的朗肯循環(huán)回路。經(jīng)氣化后的LNG滿足一般城鎮(zhèn)天然氣輸送溫度和壓力，可供城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)峰使用。具體流程如圖1所示。

圖1 基于LNG冷能利用的閃蒸雙循環(huán)系統(tǒng)示意圖

2 熱力學(xué)模型

在模擬計(jì)算前，流程需要滿足的前提條件如下：整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行處于穩(wěn)定狀態(tài)；LNG被假設(shè)為純甲烷；由于壓降對(duì)熵變和焓變的影響較小，故為突出各物流間的變化關(guān)系，忽略各部件的壓力降；塔中每部分氣體混合均勻；不考慮化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響；工質(zhì)在泵和膨脹機(jī)的入口處分別為飽和液態(tài)和飽和氣態(tài)；膨脹機(jī)效率和泵效率均為定值；模擬初始參數(shù)設(shè)定見表2[12-14]。

表2 系統(tǒng)模擬初始參數(shù)

接下來，我們提出在模擬過程中需要的所有數(shù)學(xué)模型[15-17]，利用Aspen Plus[18-19]來做系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算，解釋系統(tǒng)性能隨關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)變化的原因。

蒸發(fā)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)

系統(tǒng)凈輸出功

Wnet=∑WT-∑WP

(3)

系統(tǒng)熱效率

(4)

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

(5)

(6)

(7)

3 結(jié)果與討論

3.1 吸收塔壓力和溫度對(duì)CO2脫除率的影響

廢氣中CO2含量或CO2脫除率的大小是判別該工藝是否可行的第一主要指標(biāo)。本文采用N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液作為吸收劑，采用吸收率來衡量吸收效果。吸收率的定義為

吸收率=吸收塔吸收的CO2的質(zhì)量流量/原料氣中總CO2質(zhì)量流量×100%

利用plus對(duì)吸收器中吸收劑醇胺溶液進(jìn)行了靈敏度分析和優(yōu)化分析，結(jié)果如圖2和圖3所示。根據(jù)圖2可以看出，當(dāng)吸收劑在常溫25 ℃時(shí)，出口氣體中酸性氣體CO2的含量幾乎全部被吸收，所以吸收劑選用25 ℃進(jìn)料。根據(jù)圖3可以看出，吸收塔塔頂壓力為110 kPa時(shí)效果最好。

圖2 吸收劑進(jìn)料溫度的優(yōu)化

圖3 吸收塔塔頂壓力的優(yōu)化

3.2 蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)熱力性能的影響

蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以分別看出，保持蒸發(fā)壓力不變的情況下，隨透平進(jìn)口溫度的增加，有機(jī)朗肯循環(huán)凈輸出功和熱效率呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，但保持蒸發(fā)溫度不變時(shí)，二者均隨蒸發(fā)壓力的增大而減小。出現(xiàn)該變化趨勢(shì)的原因都是由于蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力的改變可以影響膨脹機(jī)內(nèi)焓差的變化，從而導(dǎo)致做功量的改變。與此同時(shí)，循環(huán)中未規(guī)定熱源在蒸發(fā)器的出口溫度，則循環(huán)吸熱量隨著蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力的增大而增大。所以，當(dāng)增大蒸發(fā)溫度時(shí)，吸熱量的改變量占主導(dǎo)因素，所以熱效率與凈輸出功呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。當(dāng)蒸發(fā)壓力變化時(shí)，吸熱量的增大和凈輸出功的降低共同導(dǎo)致了熱效率隨蒸發(fā)壓力的升高而降低的趨勢(shì)。

圖4 蒸發(fā)溫度對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

圖5 蒸發(fā)壓力對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

3.3 閃蒸壓力和閃蒸溫度對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響

圖6展示了閃蒸壓力對(duì)閃蒸雙循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響。從圖6可以看出，閃蒸雙循環(huán)的凈輸出功和熱效率均隨閃蒸壓力的增加而增加，這是因?yàn)?，?dāng)閃蒸溫度和膨脹機(jī)1出口壓力一定時(shí)，隨閃蒸壓力的降低，膨脹機(jī)1的進(jìn)出口的流股的焓差減小，即膨脹機(jī)1進(jìn)出口的壓差降低，從而閃蒸出的氣體含量降低，由此導(dǎo)致膨脹機(jī)1的輸出功降低；由公式(4)可以看出，熱效率只與凈輸出功和吸熱量有關(guān)。隨著閃蒸壓力的升高，閃蒸雙循環(huán)的吸熱量增加，但其增加幅度小于做功的改變，所以改變閃蒸壓力時(shí)的循環(huán)熱效率和循環(huán)凈輸出功的變化趨勢(shì)相同。另外，閃蒸壓力的改變對(duì)泵的消耗功率均不產(chǎn)生影響，且有機(jī)朗肯循環(huán)中膨脹機(jī)2的做功改變只與工質(zhì)的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力有關(guān)。綜上，在可模擬范圍內(nèi)，當(dāng)閃蒸壓力為5 000 kPa時(shí)，閃蒸雙循環(huán)的凈輸出功和熱效率達(dá)到最大值，分別為6.9 MW和25.8%。

圖6 閃蒸壓力對(duì)閃蒸雙循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

圖7展示了閃蒸溫度對(duì)閃蒸雙循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響。從圖7可以看出，閃蒸雙循環(huán)的凈輸出功和熱效率均隨閃蒸溫度的增加而增加，但凈輸出功呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而熱效率的增長(zhǎng)趨勢(shì)是逐漸加快的。這是因?yàn)?，隨著閃蒸溫度的增加，進(jìn)入膨脹機(jī)1中的氣態(tài)工質(zhì)的質(zhì)量流量增多，從而使得膨脹機(jī)1的輸出功增加，導(dǎo)致閃蒸循環(huán)的吸熱量增加，而有機(jī)朗肯循環(huán)的吸熱量降低，同時(shí)泵的消耗功和膨脹機(jī)2的輸出功不變，所以閃蒸溫度對(duì)凈輸出功的影響是積極的。然而熱效率與凈輸出功和吸熱量?jī)蓚€(gè)量有關(guān)，改變閃蒸溫度后，閃蒸循環(huán)和有機(jī)朗肯循環(huán)吸熱量的變化趨勢(shì)相反，所以凈輸出功的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)。即，當(dāng)閃蒸溫度為270 ℃時(shí)，閃蒸雙循環(huán)的凈輸出功和熱效率達(dá)到最大值，分別為7.4 MW和34.9%。

圖7 閃蒸溫度對(duì)閃蒸雙循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

3.4 系統(tǒng)效率的分析

圖8 蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)冷效率的影響

圖9 蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)效率的影響

4 結(jié)論

針對(duì)廢氣中溫室氣體的排放量較大這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于LNG冷能的閃蒸雙循環(huán)碳捕集系統(tǒng)。該系統(tǒng)提出了一種將化學(xué)吸收法和熱力循環(huán)相結(jié)合的方法對(duì)廢氣中的CO2進(jìn)行捕集，通過Aspen Plus軟件對(duì)化學(xué)吸收劑的溫度設(shè)定進(jìn)行模擬優(yōu)化，然后對(duì)閃蒸雙循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱力性能的分析，并得到如下結(jié)論：

(1)在模擬醇胺溶液的脫碳過程中，利用Aspen Plus進(jìn)行靈敏度和優(yōu)化分析，得到當(dāng)CO2脫出率達(dá)到95%甚至更高時(shí)，最優(yōu)進(jìn)料溫度為25℃，吸收塔塔頂壓力為110 kPa。

(2)在有機(jī)朗肯循環(huán)中，增大蒸發(fā)溫度和降低蒸發(fā)壓力，均有利于提高有機(jī)朗肯循環(huán)的凈輸出功、熱效率和冷效率；在閃蒸雙循環(huán)系統(tǒng)中，增加閃蒸溫度和壓力可使系統(tǒng)的凈輸出功、熱效率和效率達(dá)到可模擬范圍內(nèi)的最優(yōu)值，即7.4 MW、34.9%和28.8%。