改进二氧化碳液化系统的节能分析

    1 液化原理

    目前,国内外的CO₂工业液化方法一般是将常压的CO₂气体加压到2 MPa左右,对应的饱和温度大约-20℃左右,再用制冷机组吸收潜热使其液化,使用的制冷工质一般是R502和R22,这一方法称为低温液化方法[1]。下面将对这种方法进行分析。

    低温液化法的热力学原理及生产流程简图如图1和图2所示。生产过程产生的CO₂气体(状态1)经CO₂压缩机压缩到一定压力4后冷却到该压力下的饱和温度T_kcol时开始液化,在冷凝到状态5时全部变成饱和液体,冷凝过程放出的热量由制冷机组带走。图2中虚框部分为制冷机组,它的蒸发器同时又是CO₂的 冷凝器。另外,由于液体储罐温度很低,还要使用制冷机进行冷却,图1中1´-2´-3´-4´过程为制冷机组的工作过程。低温液化过程的液化温度一般在 -20e左右,因此制冷机组的蒸发温度也在-25e左右。目前大多数制冷机组使用R502为工质,而R502是含有CFC115的共沸混合物,属于被禁用 的工质,所以在新建系统中需要使用无害工质[2,3]。

    以某CO₂液化工段为例,其液化采用低温液化的方法,将酒精发酵过程中产生的CO₂气体经干 燥、过滤后进入压缩机。进口的状态为011 MPa, 15℃。由二级压缩机进行压缩,升高到液化压力116 MPa,对应的饱和温度为-25℃,在冷凝蒸发器中冷凝成为饱和液体,储存在低温储罐中。它的制冷机组采用R502单级制冷循环,蒸发温度 te=-30℃,冷凝温度tk=40℃, CO2的液化产量为270 kg/h。据技术资料介绍低温液体储罐的吸热量为0.019kJ/ (kg•s),单位液化产量的耗水量为29 kg,功耗为520.3 kJ/kg,平均输入功率大约为40 kW。

    为了分析这种循环的不足以便于做出改进,下面对这种方案进行热力学分析。

    对于图1所示的热力循环,计算了单位液化量的功耗、火用损耗等,按照液化量mCO₂= 270 kg/h(0.075 kg/s),环境状态psur= 0.1 MPa,Tsur=25℃, CO2进口状态为011 MPa, 20e[1]。

    图3为这一方案的单位液化量功耗图。从图中可以看到在2 MPa以下的冷凝压力时, R502压缩机的功耗高于CO₂压缩机的功耗。例如在118 MPa时R502压缩机的功耗是280 kJ/kg,而CO₂压缩机的功耗是210 kJ/kg。制冷压缩机的功耗超过CO₂压缩机的功耗30%。还可以发现,随着冷凝压力的升高,CO₂压缩机的功耗增加, R502压缩机的功耗减小,而且减小的幅度很大。由CO₂和R502的汽化潜热对比可以知道,随着饱和压力的升高, CO₂的潜热急剧下降,而R502的潜热减小较缓慢,同时压力升高时制冷机的性能系数增加,两方面的原因造成制冷机功耗的迅速减小,进而使总功耗减小。可见,要减小单位液化量功耗,减小制冷机功耗是最有效的途径,而提高液化压力是一个行之有效的方法。