LNG冷能用于CO2跨临界朗肯循环和CO2液化回收
1 引言
作为三大主要能源之一的天然气由于其高效率和清洁而被广泛使用,但考虑到地理条件的原因,不宜用管道进行气态的远洋运输,一般采用液化天然气(LNG)的形式来进行远洋贸易。这意味着LNG在用户使用前必须再次气化,而由于液化天然气(LNG)和大气环境之间存在极大的温差,LNG气化的过程中有大量的冷量释放出来。据理论估算,释放的冷能约为850kJ/kg。如果回收这部分的冷能用来发电,可获得240kWh/t的电力输出。因此充分利用LNG的冷能越来越受到重视。
将LNG冷能用于发电有很多种方法[1],例如:高压天然气的直接膨胀做功,冷却燃气轮机进口空气,冷却联合循环中的蒸汽冷凝器,以及朗肯循环等等。传统的低温朗肯循环是在LNG的储存温度(约为111K)和环境温度之间运行[2-4]。
从卡诺循环可知,热力循环的效率是与高低温热源的温差成比例的。而如果循环是在LNG的储存温度和燃气轮机排放的废气温度下进行时则能获得更大的温差,由此而来的输出功也将随之增大。
近年来,化石燃料的加快消耗已经导致了越来越多的环境问题。控制温室气体CO2的排放正在引起全球的关注。在各种工业用途排放的废气中,CO2的含量相当高,更为重要的是,废气的温度一般不高,采用常规的方式利用效率低下,而且不能有效减少CO2的排放。因此近年来对CO2减排的研究工作也开始受到重视。除了直接减少CO2的发生量外,也在探索将过程中产生的CO2回收利用的方法。CO2的回收方法主要有物理化学吸收、低温分馏和膜分离等,其能量消耗可能导致整个动力循环效率下降10%左右[5, 6]。Zhang等人提出了结合甲烷燃烧的超临界朗肯循环来回收CO2,能量效率和火用效率分别超过65%和50%[7]。Mathieu等人提出了一种称作零排放MATIANT的循环,它由超临界循环和布雷顿循环组成,效率可达45%[8-10]。Yamaguchi等人提出了结合太阳能利用冷能和实现供热循环的流程,并分析了发电效率和供热效率[11]。Chen等人则对比研究了使用跨临界CO2和R123为工质的回收工业余热的朗肯循环的出功及效率的问题[12]。本文构建了结合回收LNG物理火用和实现CO2减排的朗肯循环,工质采用CO2,并且利用的是含有CO2和H2O的温度不高的废热,它可以是燃气轮机乏气、也可以是其它热力过程的燃烧产物。
2 循环结构
本文构建的实现LNG物理火用回收和CO2液化回收的流程及其T-S图分别见图1和图2。
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