CO 2液化项目中液化压力及制冷剂的选择

CO2液化项目中液化压力及制冷剂的选择

化国

(中国昆仑工程公司，北京100037)

摘要：随着CO2减排日益成为世界各国研究的焦点，在CO2液化项目中，实现节能降耗，同时兼顾节省投资、简化系统等，是具有重要的现实意义的。本文对采用制冷机直接液化CO2的方案进行了分析，探求最佳液化压力、分析适合选用的制冷剂，以期最大程度的降低能耗。通过计算，总结了液化总功耗随液化压力的变化规律：随着液化压力的提高，液化总功耗降低，但降低的幅度逐渐减小。在工程项目的实际应用中，应尽量提高液化压力；在采用较低的液化压力时，选用带经济器的制冷机是最佳选择。另外，对于CO2液化过程中采用不同制冷剂时的性能进行了比较，指出应优先选用氨或R507作为制冷剂。

关键词：CO2液化；液化方案；液化压力；制冷剂；节能

中图分类号：TB66

文献标识码：A

文章编号：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修订稿日期2015-05-31

作者简介：化国(1981~)，男，硕士，工程师，主要从事制冷与低温工程相关的设计工作。

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)在国民经济各领域有着广泛的应用，而且来源广泛。在应用以及回收利用CO2的过程中，常需要将其液化。CO2是引起温室效应的最主要因素，为减缓其对气候变暖的影响，世界各国正在开展CO2减排方面的研究工作[1-2]。CCS(CO2捕获与封存技术)和EOR(提高油气采收率技术)是当前CO2减排技术中的研究热点，其中重要的一环就是将CO2液化，以提高储存及运输的效率[3-4]。正是在这样的背景下，对CO2液化技术进行研究，提高液化效率，降低液化功耗，同时兼顾节省投资、简化系统等方面，具有重要的现实意义。

正如Abdullah所述，在CCS等项目中涉及CO2的大规模应用时，关于CO2液化循环的详细研究为数不多；Abdullah使用HYSYS软件对几种应用于CO2液化方案的制冷循环进行了对比计算[5]。国内的研究多集中在对CO2的两种液化方案(高压液化和低温液化)的对比分析上[4,6]。

本文对采用制冷机直接液化CO2的方案进行了计算分析，以节能降耗为前提，主要对液化过程中CO2液化压力及制冷剂的选择进行了分析，并得出了相应的结论。

1制冷机直接液化方案

根据CO2的热物理性质，常有高压液化(将CO2加压至临界压力以上，再冷却液化，不使用制冷机)和低温液化(先将CO2加压再利用制冷机冷却液化)两种方案。高压液化在应用时有诸多限制。低温液化可以规模化生产，具有明显的工程应用优势，获得了广泛的应用。

低温液化常指低温低压液化，本文拓宽为采用制冷机的液化，并不局限于低温低压。再有，制冷机直接液化方案是将加压后的CO2在制冷机内降温至液化点以下而直接完全液化，不同于先用制冷机预冷再节流液化的方案。制冷机直接液化方案避免了节流液化方案中的节流损失，提高了液化效率，同时系统简洁。

采用制冷机直接液化的方案中，液化压力的选择是关键因素，制冷剂的选择也直接影响液化总功耗。液化压力的选择，决定了CO2气体压缩机的排气压力，是压缩机选型的依据；决定了制冷机的蒸发温度和蒸发压力，从而决定了制冷循环和制冷机的选型。液化压力低则CO2气体压缩机功耗小、制冷机功耗大，反之则CO2气体压缩机功耗大、制冷机功耗小，存在液化总功耗随液化压力的变化关系。

2液化压力的选择

2.1　计算参数及方法

本文计算模型的基本假设及参数如下：对于1 kg/s(以下称单位液化量)的纯净CO2气体，进口状态为101 kPa、40℃。为便于储存，取液化后的CO2液体过冷5℃。CO2气体压缩机按活塞式压缩机、3级压缩计算，取压缩机绝热效率为70%，机械效率为90%。制冷机按单级压缩理论循环计算，取制冷压缩机绝热效率为70%，制冷压缩机吸气过热5℃。冷凝温度为38℃，过冷5℃。取CO2气体压缩机排气压力比制冷液化压力高50 kPa，以模拟实际项目中的干燥机及管路压降。不计换热器内的压降。将循环冷却水的循环量折算为电耗计入各项功耗。

制冷机理论循环的计算在Cool Pack软件中完成。压缩机每一级的理论压缩功按下式计算

(1)

式中Wad——等熵压缩过程压缩功/kW；

p1——吸气压力/kPa；

p2——排气压力/kPa；

V1——体积流量/m3·s-1；

k——等熵压缩指数。

2.2　液化总功耗随液化压力的变化规律

图1是采用氨为制冷剂，单位液化量功耗随液化压力的变化关系曲线。采用不同的制冷剂、对于不同的CO2入口压力、改变绝热效率的取值时均有相似的变化规律。由图可以看出：随着液化压力的提高，单位液化量功耗逐渐降低，但降低的幅度逐渐减小。液化压力选为3 MPa比选为2 MPa时，可节省功耗约5.2%，每吨液体CO2产品可节电约10 kW·h，10万t/年CO2液化项目每年可节省运行费用约60万元(电费按0.6元/kW·h计)，节能效益是非常显著的。

图1　氨制冷剂，单位液化量功耗随液化压力的变化关系曲线

图2表明了单位液化量功耗中，CO2气体压缩机功耗和制冷机功耗的占比情况。对制冷机而言，一方面，随着液化压力提高，CO2潜热减少，制冷负荷降低，使得制冷机功耗明显降低；另一方面，随着液化压力的提高，制冷机蒸发温度相应提高，性能系数增大，进一步降低了制冷机功耗。制冷机功耗减少的幅度大于压缩机功耗增加的幅度，总功耗降低。液化压力提高到一定程度以后，制冷机功耗在总液化功耗中所占的比例越来越小，使得总液化功耗不再明显减少，总功耗曲线变得平缓。可以认为5 MPa是最佳液化压力，在5 MPa以后，液化总功耗随液化压力提高而降低的值有限。若要进一步降低液化功耗则需要采用更多级数的气体压缩机。

图2　氨制冷剂，功耗随液化压力的变化关系曲线

2.3　对上述变化规律的应用分析

选用较高的液化压力时，CO2液化温度相应提高，储存或输送时的散热损失小，可以使液化总功耗进一步降低。因此在实际工程项目中，从节能降耗的角度看，应采用尽可能高的液化压力。特别是在需要高压力CO2的场合，如CO2驱油项目中，采用较高的液化压力节能效果更为显著。可以预测，随着液体CO2输送技术的发展，CO2液化项目中将广泛选择较高的液化压力。

目前，CO2液化压力常受到储存容器、运输车辆承压能力的限制。一般情况下CO2储罐的设计压力在2.5MPa以下[4,7-8]，这也是目前低温液化方案多采用2.5 MPa左右液化压力、同时液化温度较低的原因所在。

液化压力太低时，除了节能效果差，对制冷机的要求也高。由于压比过大，单级压缩制冷循环已不适用。图3示意了以氨为制冷剂，几种制冷循环的单位液化量功耗对比情况。所采用的计算参数及方法与2.1节相同。由图3可见，采用带经济器制冷循环和两级压缩制冷循环后功耗明显降低。

图3　氨制冷剂，不同制冷循环的单位液化量功耗对比曲线

双级压缩制冷循环使系统和操作都变的复杂；且从制冷性能上分析，在蒸发温度低于-35℃时采用双级压缩制冷循环才比较有利[9]。而在CO2液化项目上，无论从节能降耗的角度考虑，还是从避免制冷剂侧为负压的角度考虑，蒸发温度都不应低于-35℃(对应的液化压力约1.7 MPa)。因此在CO2液化项目上，一般无需采用双级压缩制冷循环，采用带经济器制冷机是最佳选择。

3制冷剂的选择

CO2液化项目中，目前广泛应用的制冷剂为R22和氨。但R22将于2030年禁止生产。此外，可供选择的制冷剂有：丙烷、R134a、R407C、R410A、R404A、R507、CO2等。本文对以上制冷剂用于CO2液化项目时的性能进行了计算比较。计算参数及计算方法与2.1节相同。采用不同制冷剂时，制冷机轴功率、单位容积制冷量随CO2液化压力的变化曲线如图4、图5所示。

图4　制冷机轴功率随液化压力的变化关系曲线

图5　单位容积制冷量随液化压力的变化关系曲线

由图4可见，在较低液化压力下，以R404A为制冷剂的制冷机轴功率明显偏高；另外，R404A为近共沸混合物，存在一定的温度滑变。R407C、R410A与其类似。在应用于CO2液化项目时，R404A、R410A和R407C并不具备优势。

由图5可见， R134a的单位容积制冷量明显偏低，应用时需要大排量的压缩机和大尺寸的管道，造成设备投资增加，不适宜应用于较大规模的项目中。

CO2本身是一种环保性能优良的制冷剂，单位容积制冷量大，近年来倍受关注。但由于CO2的临界温度低，难以获得合适的冷却介质；跨临界制冷系统中又存在高压侧压力高、承压要求高的缺点。以CO2为制冷剂，无论是跨临界循环还是亚临界循环，功耗都明显偏高。综合来看，CO2液化项目中并不适宜采用CO2作为制冷剂。

因此，CO2液化项目中，适宜选用的制冷剂为氨、丙烷、R22和R507。虽然R22是一种优良的制冷剂，在考虑到环境保护的限制时也不适宜选用。

氨和丙烷属于天然制冷剂，环保性能好。氨的制冷性能优越，传热性能好，流动阻力小；但氨具有明显的缺点：毒性大、具有刺激性气味。丙烷热力性质与氨接近，但流动压降比氨大，要求管径大些；丙烷的缺点是具有可燃性。氨比丙烷具有更好的热力性能和传输性能，应用更为广泛。以氨或丙烷作为制冷剂时要求防爆，增加了投资及设备布置难度。但对于本身需要防爆的应用场合，其应用优势是明显的。

R507在制冷能力和传输性质方面与R502相近，是一种优良的制冷剂。在不需要防爆的项目中，采用R507作为制冷剂，设备投资少、系统简化、便于设备布置，优势是非常明显的。

4结论

(1)采用制冷机直接液化CO2的方案中，随着液化压力的提高，液化总功耗逐渐降低，但降低的幅度逐渐减小。在工程项目的实际应用中，应尽量提高液化压力，同时选用带经济器的制冷机，以尽可能地降低能耗。

(2)CO2液化项目中，适宜选用的制冷剂为氨、丙烷、R22和R507，应优先选用氨或R507。氨更适合应用在需要防爆的场合，R507更适合应用在非防爆的场合。

参考文献

[1]雷向福，张颗，杨国伟，等.2 MW电励磁直驱同步风力发电机研制[J].大电机技术，2013(2):9-12.

[2]张志春，刘洪伟.我国发展风电产业的战略性分析[J].电网与清洁能源，2013，29(5)：67-72.

[3]Byeong-Yong Yoo, et al. Development of CO2terminal and CO2carrier for future commercialized CCS market[J].Greenhouse Gas Control,2013(12):323-332.

[4]喻西崇,等.CO2地面处理、液化和运输技术[J].天然气工业,2008,28(8):99-101.

[5]Abdullah Alabdulkarem, et al. Development of CO2liquefaction cycles for CO2sequestration [J].Applied Thermal Engineering,2012(33-34):144-156.

[6]张东.二氧化碳液化与输送技术[J].广东化工,2012,39(4):23-25.

[7]丁成扬.二氧化碳低温储运技术[J].科技传播,2011,8(上):109-112.

[8]成东键，钱卫明.二氧化碳的低温储储存和运输[J].油气储运,1994,13(3):30-33.

[9]董天禄.离心式/螺杆式制冷机组及其应用[M].北京:机械工业出版社,2001.

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