冷能利用与CO2分离一体化研究进展

    减缓温室效应是21世纪环境和能源科学共同面临的难题,燃用含碳化石燃料(煤、石油、天然气)排放的CO₂是导致温室效应的重要原因[1]。为控制温室气体CO₂排放所采取的措施包括提高电厂能源利用率、采用低炭燃料和可再生能源发电、使用核能发电等,更重要的措施是开拓CO₂分离、储存和利用技术[2]。目前普遍采用的一些CO₂回收技术(如吸收法)还不能用于现阶段的动力系统,原因是CO₂分离能耗过高,致使系统效率大幅度降低(9%~37%)[3]。动力系统分离CO₂能耗大的原因主要有两方面:一是烟气尾气CO₂浓度被空气中的N2稀释,分离时需要消耗更多的能量;二是分离出来的气体CO₂压缩液化过程也消耗大量的能量。

    利用冷能分离CO2可成为降低CO₂分离能耗的一个新途径,它有以下优点:①可以在较低压力下得到液体CO₂产品;②液体CO₂可以用液体泵升压,而液体泵的功耗远小于压缩机,节省了大量压缩功。目前已经开展了一些利用冷能分离CO2的研究工作,如用制冷循环减少CO₂压缩功[4]、利用LNG液化CO₂等[5]。冷能利用与CO₂分离一体化是利用低温冷能从混合气体中直接液化分离CO₂、将原来的CO₂分离和液化两个过程用一步来实现的,由此可大幅度降低CO₂分离能耗。因此,冷能利用与CO₂分离一体化作为CO₂分离技术的一个新的研究方向受到国内外学者的关注。

    1 余热吸收制冷与CO₂分离一体化

    余热利用是动力系统中一个比较关键的问题。余热利用的程度不仅是评价动力系统的重要指标,而且也是系统挖潜之处。动力系统的余热来源主要有高温排烟、间冷热等。如果这些热量能够得到合理利用,系统效率必然提高。动力系统与制冷循环结合的好处在于,制冷循环需要的热源温度通常在100~200e,这部分热量可由动力系统的余热供给。这样,既利用了动力系统的余热,又制出一定温度的冷量。将制冷循环用于液化动力系统中的CO₂,可以减少CO₂压缩功。

    文献[6]提出了一种用余热吸收制冷液化CO₂的循环,该循环是基于比利时学者Mathieu等提出的MATIANT循环[7]。MATIANT循环由一个超临界CO₂朗肯循环(20-1-2-3-4-5-6-11-12-13)和一个再热布雷顿循环(14-15-16-17-18-19)组成,采用三级压缩液化CO₂气体,当透平初温为1 300℃时,系统热效率为45%。如图1所示,在MATIANT系统中加入氨水吸收式制冷循环(单元n)时,可以利用系统内140~160℃左右的中低温余热(压缩机间冷热、冷凝器排放的热量等,在图中用虚线表示),使部分CO₂气体(流股7)温度降到-25e,这样CO₂在118 MPa左右的压力下(压缩机a2出口压力)就可以液化,而不必压缩到临界压力附近,由此节省了部分CO₂压缩功。在这一系统中,可提供给制冷循环的余热有限,产生的冷量不足以将压缩机a2出口处的CO₂气体全部降温液化,所以还有一部分CO₂气体(流股4)仍然用压缩法液化。采用吸收式制冷的系统较原MATIANT系统效率提高了2.6个百分点。