二氧化碳回收系统的节能分析

二氧化碳回收和利用

第32卷　第1期　　　西　安　交　通　大　学　学　报　Vol.32　№1

　1998年1月　　Jan.1998JOURNALOFXI′ANJIAOTONGUNIVERSITY

二氧化碳回收系统的节能分析

张早校　郁永章　曲天非

(西安交通大学,710049,摘要　,并且实施了节能、节

水优化改造,实现了投资少、.、利用低位热能、,值得推广应用.关键词　节能　节水　TK018

TheEnergy2SavingAnalysisofCarbonDioxideRecoverySystem

ZhangZaoxiao　YuYongzhang　QuTianfei

(Xi′anJiaotongUniversity,710049,Xi′an)

Abstract　Thispaperpresentsanenergy2savingpotentialanalysisofcarbondioxiderecoverysysteminabrewery.Theschemesofenergy2savingandwatersavingareintroducedwhichproducenotableeffectwithalittlecost.Theseenergy2savingschemeshaveimportantreferencevaluesformakinguseoflowlevelthermalenergyandraisingenergyutilizationratio,andcanbeappliedinalotofindustryfields.Keywords　carbondioxide　recoverysystem　energysaving　watersaving

　　二氧化碳是重要的化工原料,对啤酒、饮料、食品、粮食等也具有良好的保鲜作用.在酿酒厂的酒精

发酵过程中产生大量纯度很高的二氧化碳,是重要的副产品,常常通过回收来加以使用.目前,国内外普遍采用低温液化的方法回收酒精发酵过程中产生的二氧化碳,整个回收过程是高耗能过程.对整个低温液化及汽化系统进行热力学分析,结合工艺特点和生产需要,对原有系统进行节能优化和挖潜改造,可以收到投资少、见效快、降低能耗、节约水资源等效果,是一件具有高的投资回报率的事情.本文以某酿酒厂二氧化碳回收系统的节能改造为例,

介绍节

能优化挖潜改造的成功经验.

1　CO2回收系统简述

在酿酒厂酒精发酵过程中,主要发生的化学反应为[1]

C6H12O6→2CO2+2C2H5OH+108.68kJ

(1)

在此过程中,气体CO2的产量为酒精产量的95.5%.整个酒精发酵过程是在密闭的发酵罐中进行的,生产过程存在着不连续性.另外,生产工艺对

收到日期:1997203210.　张早校:男,1963年8月生,化学工程学院化工机械与设备系,副教授.

二氧化碳回收和利用

第1期　　　　　　　　　　　　　　　　　　张早校等:二氧化碳回收系统的节能分析101

CO2的需要也存在着不连续性.因此需要将发酵过

程中产生的大量CO2气体液化贮存.目前,国内外普遍采用低温液化方法来贮存CO2,采用加热气化的方法给用户提供CO2气体,其主要的生产流程如图1所示.在图1中,冷凝蒸发器4作为CO2系统的冷凝器,同时又是低温制冷工质的蒸发器[2].为了保持CO2贮液罐5的低温状态,制冷系统处于频繁的开停以及变工况运行状态,不仅增加了能耗,而且容易产生液击,损坏阀片,对制冷压缩机造成损害.

另一方面,当生产工艺需要CO2气体时,必须将贮液罐5中的CO2液体加热汽化才能使用.该厂原引进系统采用蒸气加热水来汽化CO

2,要消耗大量的热量和水量.分析和优化设计,节能效果.

需要CO2气体且发酵过程有CO2气源供应时,则可将工艺产生的CO2气体通过压缩机升压后,沿图2中虚线(2)直接排入CO2贮气罐供用户使用.由于省掉了CO2气体低温冷凝液化过程,大大降低了能耗.另外,由于从CO2压缩机排出来的CO2气体经水冷却后温度还偏高,可将CO2液体贮罐中的少量CO

2液体直接沿图2中虚线(3)排入CO2气体贮罐,与较高温度的CO2气体混合,达到所要求的温度.

1:CO2压缩机;　2:CO2压缩机水冷却器;　3:干燥塔;　4:冷凝

蒸发器;　5:CO2贮液罐;　6:CO2汽化器;　7:CO2贮气罐;　

8:制冷压缩机;　9:氟利昂冷凝器;　10:节流阀;　11:CO2液体

流量自动调节阀;　12:CO2气体流量自动调节阀

图2　节能型CO2液化、汽化系统图

1:CO2压缩机;　2:CO2压缩机水冷却器;　3:干燥塔;　4:冷凝

2.2　节能方案理论推导

蒸发器;　5:CO2贮液罐;　6:CO2汽化器;　7:CO2贮气罐;　

8:制冷压缩机;　9:氟利昂冷凝器;　10:节流阀

图1　低温液化CO2生产流程简图

为了分析图2所示节能方案的节能潜力,假定CO2气体比热c为定值,设定m1、m2分别为虚线

(2)、(3)所代表的CO2的质量流量,t1为压缩机排

2　节能优化改造原理

对整个CO2液化、汽化系统的优化设计,主要

是在满足各种工艺需要的条件下,如何进行CO2液化系统、制冷系统和CO2汽化系统的负荷分配,以便使整个系统对外界所需的能源供应量为最少.2.1　CO2液化、汽化系统节能方案

出并经冷却的CO2气体温度,t2为CO2贮液罐的液

体温度,t3为贮气罐中用户要求的CO2气体温度,q为温度t2时的CO2气化潜热.若不考虑温度梯度等不均匀因素,不考虑管道热损失,则上述节能过程有如下稳态热平衡方程

m1气体冷却放热量(t1>t3)

Q1=m1c(t1-t3)

m2液体汽化吸热量(t3>t2)

Q2=m2[q+c(t3-t2)]=m2qg

(3)(2)

由于生产、贮存和使用CO2气体的不连续性,图1所示的系统配置具有明显的能源浪费现象,即液化、汽化的重复耗能过程.对图1所示的流程加以改进,增加图2所示的虚线部分(2)和(3),则可以起到节能效果.

当用户不需要CO2气体时,由发酵过程生产的CO2通过压缩机升压,并通过制冷系统低温液化,贮存在CO2贮液罐中.当用户需要CO2气体而发酵过程无CO2气体供应时,可以将CO2贮液罐中的液体CO2通过汽化器7加热汽化后供用户使用.当用户

式中　qg———汽化1kgCO2所需的热量,kJ/kg.

(4)而Q1=Q2由此可得

m2=[m1c(t1-t3)][q+c(t3-t2)]

(5)

式(5)即为提供温度为t3、流量为(m1+m2)的CO2

气体时所需液体CO

2的流量.

液化1kg的CO2时,制冷设备所耗的功为

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卷

WR=[q+c(t1-t2)]/ε(6)

ε—式中　——制冷系统的制冷系数.

当用户需要的CO2气体流量为(m1+m2)时,对于图1所示的原系统,需要的能量为

Q11=(m1+m2)(WCO2+WR+qg)(7)

这样既造成了低位热能的浪费,也造成了大量水资

源的浪费.

原来的水系统如图3所示.CO2

压缩机中间冷

式中　WCO2———压缩CO2气体的比功,kJ/kg;

对于图2所示的节能系统,m1、m2流股需要的能量分别为

Qm1=m1WCO2

Qm2=m2(WCO2+WR)

(8)(9)

32液化、汽化系统水流程简图

则图2所示系统比图1节省的能耗为

ΔQ=Q11-(Qm1+Qm2)

=m1WR+(m1)(10)

将(5)式代入(10)式,ΔQ=m1[q+-t2](+1/ε)

(11)

若m1=1.0kg/s,t1=40℃,t2=-20℃,t3=10℃,c=1090J/(kg K),则t2=-20℃时对应的气化潜热q=270kJ/kg,由(5)式可得m2=0111kg/s.假定制冷机的实际制冷系数ε=210,则由(11)式可得到节省的能耗为ΔQ=50311kW.

上例说明,只需要液化极少量的CO2,就能满足工艺用CO2气体的需要,而且带来了大量的能源节约.

上述节能方案的前提是CO2贮液罐已有一定的CO2液体贮量.若无CO2液体存在,则可将从CO2压缩机排出的CO2气体分成m1、m2两股质量

1获得了一定的温

升;同样,制冷系统冷凝器中冷却水2也获得了一定温升.按照工艺用水的温度水平,1、2两部分冷却水所携带的热能完全可以用于CO2汽化器汽化所需的热量(甚至还有 …… 此处隐藏：3444字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……