以燃煤废气为热源的LNG冷能三级利用系统

潘振，仇阳，乔伟彪，宗月，陈树军

（1辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2中国石油大学（华东） 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580）

应用技术

以燃煤废气为热源的LNG冷能三级利用系统

潘振1，仇阳1，乔伟彪1，宗月1，陈树军2

（1辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2中国石油大学（华东） 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580）

随着化石燃料的日益枯竭，回收工业过程中产生的低温余热已成为一种利用能源的重要方式，针对能量回收再利用的问题，将低温燃煤废气（70℃）及LNG（-162℃）冷能进行联合利用，以朗肯循环为基础，设计了一种可以在发电的同时，对CO2进行液化的LNG冷能三级式利用系统。详细分析了膨胀机入口压力和温度对LNG冷能三级式利用系统热力性能的影响，确定了循环参数，利用HYSYS进行模拟计算，并与之相对应的LNG冷能二级式利用系统进行比较。结果表明：设计的三级式系统发电单元的热效率及㶲效率较二级式系统分别提升了57.74%及36.67%；三级式系统总净输出功较二级式系统提升了61.16%，按90%发电效率，0.5元/（kW·h）电价计算，三级式系统每年可带来约52万元的经济效益，CO2液化量为1580kg/h，每年可减排约CO21.365×104t，具有可观的经济效益和较好的减排效果。

液化天然气；燃煤废气；冷能；有机朗肯循环；热力学；模拟；发电；减排

2015年12月12日巴黎气候变化大会通过了全球气候变化新协定。《巴黎协定》中指出，各方将加强对气候变化威胁的全球应对，并定下了21世纪下半叶实现温室气体净零排放的目标。而我国是以煤炭为一次性能源、以火力发电为主的国家，以300MW燃煤机组为例，其CO2年排放量约为1.5×106t［1］，在造成严重的环境污染的同时又浪费了大量的低温热能。若能将燃煤废气所携带的低温热能充分利用并运用技术手段将排放的CO2进行回收，则可以在创造巨大经济价值的同时，对减少温室气体排放做出贡献。

针对目前余热利用率低的现状［2］，GUO等［3］、WANG等［4］、HUNG等［5］及SCHUSTER等［6］已经对有机朗肯循环回收各种不同形式的低温余热能源进行了大量的工作。吴俐俊等［7］对比研究了3种中低温余热发电系统，结果表明在回收低温余热方面，有机朗肯循环有着较好的热效率、㶲效率和发电量，肯定了有机朗肯循环在回收低温余热上的优势。杨凯等［8］利用有机朗肯循环回收车用采油机排气余热，结果显示循环具有较高的余热回收效率和发动机热效率。根据热力学原理：热力循环中热转功效率最大值受制于理想卡诺循环效率，热源温度越低，冷源温度越高，循环效率越低。LNG作为一种超低温（-162℃）液体，汽化过程中释放大量的冷能，约为830～860kJ/kg［9-10］。若能将其与低温余热联合应用，则能大幅降低冷源温度，进而提高余热的利用率。王强等［11-12］在分析LNG物理冷㶲的基础上，对基于低温位热源的LNG冷能回收低温动力系统进行了分析，指出冷凝温度以及蒸发压力对循环效率有重要的影响。SHI等［13］和MIYAZAKI等［14］各自提出了使用氨水作为工质的联合循环，并对各部件进行了能量分析，结果显示循环能达到较高的循环热效率和㶲效率。

通过以上学者研究可发现，利用朗肯循环，将LNG冷能和工业余热联合利用可以达到较好的能源利用效果。基于此，本文以朗肯循环为基础，将燃煤废气和LNG冷能联合应用，建立了一种LNG冷能三级式利用系统，该系统可以利用LNG的冷能及低温余热资源对燃煤电厂进行发电调峰的同时，对燃煤废气进行CO2液化，以期达到节能减排的目的。

1　LNG冷能三级系统分析

1.1系统计算热力基础

循环系统主要包括冷凝器、蒸发器等换热设备和工质泵、膨胀机等动力机械，以回收单位质量流量LNG的冷量㶲为例（1kg/s），为简化计算，低温燃煤废气以100%CO2计算，对各设备的㶲损失、系统循环热效率、换热设备㶲效率和系统㶲效率计算如式（1）～式（12）［15-16］。

蒸发器热平衡方程

蒸发器㶲损

冷凝器热平衡方程

冷凝器㶲损

泵的㶲损

式中，ΔSs,p表示工质在泵中进出口的熵增。膨胀机的㶲损

式中，ΔSs,e表示工质在膨胀机中进出口的熵增。

LNG㶲值的计算见式（7）。

式中，hL0和SL0分别为LNG初始状态下的比焓和比熵。

废气㶲值

式中，TH为废气初始状态下的温度，K。

净输出功Wnet

循环热效率ηsys

换热设备㶲效率ηx

系统的㶲效率ηexg

1.2发电循环工质选择

考虑到LNG的低温特性，为实现LNG气化曲线和循环工质冷凝曲线更好的匹配，要求工质在低温状态下冷凝。工质冷凝压力低至常压以下时，系统要添加真空设备，操作复杂，故此循环工质冷凝压力一般为微正。表1为常见工质在微正压下冷凝温度。

表1　常见工质微正压下冷凝温度

由卡诺定理可知工质的冷凝温度越低，则循环效率越高，因此冷凝器中最小传热温差越小越好，但是减小传热温差会导致冷凝器换热面积增加，低温工程中相关的大量文献推荐最小传热温差采用5℃［17-18］。循环Ⅰ中，LNG在冷凝器Ⅰ的出口温度为-106.5℃，为减小换热温差应取冷凝温度接近-106.5℃的工质。循环Ⅱ中，LNG在冷凝器Ⅱ出口温度约为-75.48℃，故应取冷凝温度接近-75.48℃的工质。由表1可以看出，工质R1150和R170分别满足循环Ⅰ和循环Ⅱ需要。

1.3系统设计及简介

LNG接收站一般建设在沿海地区，所气化得到的天然气大多为本地用户所消费，LNG的组成与产地有关，不同地区出产的天然气成分有一定的差别。参考沿海某接收站所接受的LNG组分，其各组分的体积比为甲烷97%、乙烷2%、丙烷1%。LNG的流量为1kg/s，汽化压力为2MPa，初始温度为-162℃，LNG气化的最终温度为20℃。

不同压力下的LNG气化T-S（熵）曲线如图1为所示。从图1可以看出，LNG的气化经历了液相段、两相段和气相段三部分。不同的区段LNG呈现不同的气化特征。因此对其冷能进行回收时应按区段分别进行。以2MPa下LNG气化过程为例，LNG冷㶲Exc释放情况如表2所示。

由表2可知，液相区和两相区所释放的冷㶲占据整个气化过程中冷㶲的大部分份额，采用燃煤废气低温余热构建朗肯发电系统只需尽量利用液相区和两相区的冷㶲即可。而气相区释放的冷㶲略大于液相区释放的冷㶲，因此可利用气相区释放的冷㶲构建燃煤废气中CO2回收工艺。

图1　不同压力下LNG气化曲线

表2　2MPa下各阶段LNG冷㶲值对比

系统由两级朗肯循环发电和CO2液化三部分组成。循环Ⅰ：以LNG为冷源（-162℃），低温燃煤废气为热源（70℃），循环工质R1150经加压泵Ⅰ、蒸发器Ⅰ后变为高温高压工质蒸气进入膨胀机Ⅰ做功，带动发电机发电，做功后的低压工质蒸气进入冷凝器Ⅰ与LNG进行换热冷凝，循环完成。循环Ⅱ：工质R170经加压泵Ⅱ、蒸发器Ⅱ后变为高温高压工质蒸气进入膨胀机Ⅱ做功，带动发电机发电，做功后的低压工质蒸气进入冷凝器Ⅱ与LNG进行换热冷凝，循环完成。其中，循环Ⅱ中的冷、热源分别是循环Ⅰ中与工质R1150换热后的LNG和燃煤废气。经两次换热后的气态LNG依然携带部分冷能，故此利用低温气态LNG与两次换热后的低温CO2构建CO2液化单元。具体流程如图2所示。其中循环Ⅱ和CO2液化单元所需能量由循环Ⅰ中产生的能量来提供，循环II中的发电量可作为燃煤电厂发电调峰使用。

作为对照，构建以LNG为冷源，低温燃煤废气为热源的LNG冷能两级利用系统，如图3所示。依据文献［19-21］选取丙烷为循环工质，并在气化等量的LNG前提下，对该系统进行热力计算，与设计的LNG冷能三级式利用系统进行对比。

图2　LNG冷能三级利用系统流程图

图3　LNG冷能两级利用系统流程图

2　计算结果和分析

取膨胀机出口工质压力为定值（P=0.11MPa），讨论膨胀机入口压力与温度对LNG冷能三级利用系统热力性能的影响。

2.1循环Ⅰ中净输出功随压力比和随膨胀机入口温度的变化

图4表示循环Ⅰ中净输出功随压力比（膨胀机入口压力和冷凝器出口压力比值）和膨胀机入口温度的变化情况，从图4可知，净输出功量随温度的升高呈线性增加，随着比压的增加呈阶梯式增加。这是由于蒸发压力的提高使得蒸发器内部换热温差降低，有效地降低了蒸发器内部的不可逆损失，大幅度提高了净输出功量。而净输出功随温度升高而增加则是由于随着温度升高，工质质量流量减少，工质泵的泵功降低，使得净输出功量呈上升趋势。

图4　循环Ⅰ净输出功随压力比和膨胀机入口温度的变化

综上所述可知，压力比和膨胀机入口温度均对净输出功有较大的影响，但压力对其影响远大于温度对其的影响。故此，在选择蒸发温度及蒸发压力时应取较高的温度和较大的压力。

2.265℃时膨胀机入口压力对循环Ⅰ净输出功的影响

为提高净输出功，在忽略换热面积的情况下，将循环Ⅰ的蒸发温度设定为蒸发器允许的最高蒸发温度，此时蒸发器出口温度为65℃。分析此时膨胀机入口压力对循环Ⅰ中净输出功的影响如图5所示。由图5可知，在温度一定的情况下，净输出功量随压力增高而明显增大，但其增长斜率随压力增大而逐渐减小。这是因为膨胀机入口压力越大，膨胀机出口处工质温度越低，与LNG温差越小，在换热量不变的情况下工质质量流量增大，即膨胀机输出功提高的同时工质泵的泵功也随之提高，导致了净输出功增加量逐渐减小。且当压力超过4.7MPa时，膨胀机出口工质温度低于其液化温度，导致液相存在，故此，其压力应低于4.7MPa。为满足高净输出功，循环Ⅰ中压力取4.7MPa。

2.3循环Ⅱ中净输出功及CO2液化量随压力比和膨胀机入口温度的变化

图6表示循环Ⅱ中系统净输出功随压力比和膨胀机入口温度的变化情况，从图6可知，与循环Ⅰ类似，蒸发温度及压力比对净输出功量均有较大影响，但压力对其影响要大于温度对其的影响。

图7表示CO2液化量与循环Ⅱ中压力比和温度的变化关系。由图7可以看出，CO2液化量随着膨胀机入口温度的升高而降低，随着压力比的增加，降低幅度变小。这是因为当压力一定时，膨胀机出口工质温度随入口温度的升高而升高，使得冷凝器Ⅱ出口LNG气化比增大，即循环Ⅱ中LNG可用能增加，导致CO2液化单元可用能减少，进而降低了CO2的液化量。而当压力增大时，膨胀机出口工质温度降低，冷凝器中温差减小，减少了对CO2液化单元可用能的占用，使得CO2液化量增大。因此综合图6、图7可以得出，为增大循环Ⅱ中净输出功和第三部分CO2液化量，应取较大的压力。

图5　65℃时循环Ⅰ中膨胀机入口压力对循环Ⅰ净输出功的影响

图6　循环Ⅱ中系统净输出功随压力比和膨胀机入口温度的变化

2.461℃时膨胀机入口压力对循环Ⅱ中净输出功的影响

与循环Ⅰ相同，为取得最大净输出功，在忽略换热面积的情况下，将循环Ⅱ的蒸发温度设定为蒸发器允许的最高蒸发温度，此时蒸发器出口温度为61℃。图8表示61℃时循环Ⅱ中净输出功随膨胀机入口压力的变化关系。由图8可以明显看出循环Ⅱ净输出功值随压力增大呈先增大后减小的趋势，在压力为3.5MPa时，净输出功达到峰值。故本循环蒸发压力选取3.5MPa。

2.5HYSYS模拟计算与结果比对

借助化工模拟软件ASPEN HYSYS分别对两种系统在各自最优参数下进行稳态模拟计算。关键过程控制方程为PR实际气体状态方程。原料LNG组分为：甲烷97%，乙烷2%，丙烷1%。LNG的流量为1kg/s，气化压力2MPa，初始温度为-162℃，最终气化温度为20℃。为简便计算，低温（70℃）燃煤废气为100%CO2气体。参比系统为LNG冷能两级利用系统，两种系统关键操作参数见表3，具体计算结果对比如表4所示

图7　循环Ⅱ中压力比和膨胀机入口温度对CO2液化量的影响

图8　61℃时循环Ⅱ中净输出功随膨胀机入口压力的变化

表3　系统关键操作参数表

表4　两种系统计算结果比对表

3　结 论

（1）设计了一种与低温燃煤废气相结合的，以发电为主，CO2液化为辅的LNG冷能三级式利用系统，通过对该系统分析发现，系统做功量会随着压比和膨胀机入口温度的增加而增大。且压比对其影响要远大于温度对其的影响。为取得最大净输出功，在忽略换热面积的前提下，将蒸发温度设定为蒸发器允许的最高蒸发温度。在循环Ⅰ中，没有最佳做功压力，但当压力超过4.7MPa时，膨胀机出口出现液体工质，故循环Ⅰ压力应控制在4.7MPa以内。在循环Ⅱ中存在最佳做功压力，即当压力在3.5MPa时，净输出功值最大。

（2）为方便比对，构建了LNG冷能两级式利用系统。三级式系统与之相比，系统总净输出功提高了61.16%，发电单元热效率和㶲效率分别提高了57.74%和36.67%，两种系统液化单元CO2液化量基本持平。

（3）LNG冷能三级式利用系统以回收单位质量流量LNG的冷量㶲为例（1kg/s），每小时总净输出功为133.39kW，按发电效率90%计算，每年发电量（按360天计算）达106kW·h，可实现电厂调峰的目的，CO2每小时液化量为1580kg，每年（按360天计算）减排CO2可达13651.2t，具有较大的经济价值和良好的减排效果。

符 号 说 明

EH——废气㶲值，kW

Ein——LNG初始的㶲值，kW

EL——LNG㶲值，kW

Eout——LNG升温至20℃后的㶲值，kW

hHin,evap——废气在蒸发器中的进口比焓，kJ/kg

hHout,evap——废气在蒸发器中的出口比焓，kJ/kg

hLin,c——LNG在冷凝器中的进口比焓，kJ/kg

hLout,c——LNG在冷凝器中的出口比焓，kJ/kg

hSin,evap——工质在蒸发器中的进口比焓，kJ/kg

hSout,evap——工质在蒸发器中的出口比焓，kJ/kg

h0——LNG初始状态下的比焓，kJ/kg

Δhs,c——工质在冷凝器中的进出口焓变，kJ/kg

Δhs,evap——工质在蒸发器中的进出口焓变，kJ/kg

Ie——膨胀机㶲损，kW

Ievap——蒸发器㶲损，kW

Ip——泵中的㶲损，kW

mH——废气质量流量，kg/s

mL——LNG质量流量，kg/s

ms——工质质量流量，kg/s

Q——热量，kJ

S0——LNG初始状态下的比熵，kJ/（k·kg）

ΔSs,p——工质在泵中的进出口熵增，kJ/（kmol·℃）

ΔSS,evap——工质在蒸发器中的进出口熵增，

kJ/（kmol·℃）

ΔSH,evap——废气在蒸发器中的进出口熵增，

kJ/（kmol·℃）

ΔSL,c——LNG在冷凝器中进出口熵增，

kJ/（kmol·℃）

ΔSL,evap——工质在蒸发器中的进出口熵增，

kJ/（kmol·℃）

ΔSs,c——工质在冷凝器中的进出口熵增，

kJ/（kmol·℃）

TH——废气的初始温度，K

T0——环境温度，℃

THin,evap——废气在蒸发器中的进口温度，K

THout,evap——废气在蒸发器中的出口温度，K

TLin,c——LNG在冷凝器中的进口温度，K

TLout,c——LNG在冷凝器中的出口温度，K

Wnet——净输出功，kW

ηexg——系统㶲效率

ηsys——循环热效率

ηx—— 换热设备㶲效率

∑Wp—— 总消耗功，kW

∑Wt—— 系统总输出功，kW

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A three-stage utilization system of LNG cold energy with coal-fired waste gas heat source

PAN Zhen1，QIU Yang1，QIAO Weibiao1，ZONG Yue1，CHEN Shujun2
（1College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，Liaoning，China；2College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580，Shandong，China）

With the increasing depletion of fossil fuels，recovering industrial low temperature waste heat is becoming an effective way to save energy. Aimed at the problem of energy recovery and reuse，based on the organic Rankine cycle and using low-temperature coal-fired waste gas（about 70℃）and cold energy of liquefied natural gas（LNG，about -162℃），this paper presents a three-stage system by which CO2liquefaction and power generation are achieved. The effects of expander inlet pressure and temperature on thermal performance of the LNG three-stage cold energy utilization system were analyzed in detail，and the optimal cycle parameters were obtained. HYSYS software simulation for the system was done with comparative analysis on a three-stage system and a two-stage system. The results show that for a three-stage cold energy utilization system，the thermal efficiency and energy efficiency of the generating unit increased 57.74% and 36.67% compared to those of a two-stage system；the net work output was 61.16% greater than that of a two-stage system. According to the efficiency of 90% power generation and 0.5 Yuan/（kW·h） calculation，the three-stage cold energy utilization system can result in saving of 0.52 million RMB every year. At the same time，the CO2liquefaction capacity is1580kg/h which can reduce emission of CO2about 1.365×104t/a. The system can bring considerable economic benefit and achieve better emission reduction.

liquefied natural gas；coal-fired waste gas；cold energy；organic Rankine cycle；thermodynamics；simulation；power generation；emission reduction

TE 09

A

1000-6613（2016）11-3720-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.050

2016-04-05；修改稿日期：2016-05-05。

国家自然科学基金项目 （51306210）。

及联系人：潘振（1981—）,男，博士，副教授，主要研究方向为天然气综合利用技术。E-mail 28335719@qq.com。