一种新型液化天然气再气化多联产系统的能量、有效能、经济及环境分析：该系统集发电、低温碳捕集、冷储存和冷冻海水淡化技术于一体

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Energy, exergy, economic and environmental analysis of a novel liquefied natural gas regasification-based multigeneration system integrating power generation, cryogenic carbon capture, cold storage and freeze desalination

　　帕尔萨·德赫加恩普尔（Parsa Dehghanpour）| 穆罕默德·阿里·比贾尔奇（Mohamad Ali Bijarchi）
伊朗德黑兰沙里夫理工大学机械工程系

**摘要**
由于全球对能源和水的需求不断增长，以及对环境污染和气候变化的担忧日益加剧，开发高效、清洁的集成多联产系统受到了关注。在液化天然气终端的再气化过程中释放的冷能为利用低温资源开发集成工厂提供了机会。本研究提出了一种新型多联产系统，该系统集成了联合动力循环、抗升华碳捕获过程、冷储存仓库和冷冻海水淡化装置，所有这些过程都由液化天然气的再气化驱动。该系统同时产生电力、固态二氧化碳、冷却剂、淡水以及天然气，并处理液化天然气储罐中产生的蒸发气体。对系统进行了能量、熵、经济性和环境方面的分析。评估了关键运行参数（包括 pinch point 温度差、燃烧室入口压力、抗升华温度、过量空气百分比、冷却负荷和燃料质量流量）对能量效率、熵效率、净现值和回收期的影响。在基准运行条件下，该系统实现了 40.42% 的熵效率、9.69 亿美元的净现值和 3.95 年的回收期，同时提供 4 兆瓦的冷却负荷、8.99 千克/秒的淡水、2.85 千克/秒的固态二氧化碳、12.76 兆瓦的电力和 70 千克/秒的天然气。结果表明，抗升华温度和过量空气比例对系统的经济性和热力学性能影响最大。

**引言**
多联产系统提供了一种有效利用有限自然资源的方法，以满足人类不断增长的需求。联合冷却、供暖和发电（CCHP）系统以及结合淡水生产的联合热电（CHP）系统是这类配置的著名例子，与传统单联产系统相比，它们显示出更高的效率[[1], [2]]。在设计多联产系统时，整合能够确保高盈利能力和低环境影响的适当子系统至关重要[3]。与石油或煤炭相比，天然气被广泛认为是更清洁的化石燃料，主要是因为其较低的二氧化碳排放量，这归因于甲烷是主要成分。由于其低环境影响和高燃烧效率，预计全球天然气产量将从 2023 年的 42180 亿立方米增加到 2050 年的 43770 亿立方米，而石油和煤炭的产量预计将下降[4]。为了长距离运输天然气，需要通过低温制冷将其液化成液化天然气（LNG），因为管道效率低且成本高[5]。LNG 被输送到再气化终端，并在约 -160°C 下储存，然后蒸发并输入分配网络[6]。LNG 的再气化会释放大量冷能，大约为 370 kJ/kg[7]。传统的再气化系统使用海水或空气来蒸发 LNG（例如开放式架式蒸发器（ORV）[8]），导致这些冷能散失到环境中。为了提高能源效率，研究人员提出了在 LNG 再气化过程中回收和利用这些冷能的系统。Ghaebi 等人[9] 对使用 LNG 作为冷源、工业废热/常见可再生能源热作为热源的氨-水联合冷却和发电循环进行了能量、熵和经济分析，评估了第一定律和第二定律效率、产品成本率和能量输出等参数。Mosaffa 等人[10] 研究了一种集成氨/水动力循环、模块化氦反应器和 LNG 再气化的混合系统，其中 LNG 作为热汇，反应器热作为热源。Taheri 等人[11] 分析并优化了一种基于生物质的 CCP 系统，该系统包括氢气生产和 LNG 再气化。他们发现系统的入口燃料质量流量对其能量效率和成本率有显著影响。

**蒸发气体（BOG）**
由于热泄漏，LNG 储罐中会形成主要由甲烷蒸气组成的蒸发气体（BOG）。其积聚会增加压力并带来安全隐患，因为它占据的体积远大于 LNG[12]。传统的 BOG 处理方法（如排放和燃烧）会造成经济损失和环境危害。研究人员开发了更高效、更环保的 BOG 处理系统，这些系统利用了 LNG 的冷能。Bao 等人[13] 评估了三种 BOG 处理方法，包括使用 LNG 的冷能进行 BOG 再冷凝、集成 BOG 再冷凝和使用 LNG 冷能进行发电。后一种方法获得了最高的净现值和净电力输出。Noh 等人[14] 比较了使用 LNG 冷能的 BOG 驱动涡轮机与 BOG 再冷凝系统，发现前者在热效率和经济效益方面更优。前者实现了 59.8% 的熵效率，比后者高出约 2.8%，净利润几乎翻倍。

**碳捕获**
为了减少化石燃料燃烧产生的烟气中二氧化碳的环境影响，可以实施碳捕获方法。主要有三种 CO2 捕获方法：燃烧前捕获[15]、富氧燃烧[16] 和燃烧后捕获。燃烧后捕获在空气-燃料燃烧后将 CO2 从烟气中分离出来，适用于现有工厂的改造，尽管低 CO2 浓度使得该过程能耗较高[17]。CO2 分离方法包括化学吸收、吸附、膜分离、基于微藻的过程和低温碳捕获技术。方法的选择取决于烟气成分、温度、流量和 CO2 浓度[18]。低温碳捕获（CCC）基于冷凝和抗升华特性分离 CO2。在 CO2 三相点压力以下，通过抗升华分离；以上则通过液化分离。研究评估了低温填充床[19]、抗升华[20]、天然气中的 CCC[21]、外部冷却回路[22] 和基于斯特林冷却器的系统[23]。CCC 可提供高纯度（高达 99%）的碳捕获率，潜在地再利用液化/固态 CO2，并消除了有毒化学物质的使用[17]。然而，CCC 面临的主要挑战是提供冷能需求。基于制冷的冷能生成在低 CO2 浓度下能耗较高，因为需要更低的温度来实现 CO2 的抗升华[24]。在这种情况下，化学捕获可能更具成本效益[25]。LNG 再气化可以更高效地提供冷能，尽管系统性能取决于地点。此外，还必须去除烟气中的水分以防止冰的形成和在抗升华等系统中堵塞。许多研究人员提出了采用低温方法的碳捕获系统。Liu 等人[26] 分析了一个结合 CO2 液化和 LNG 冷能的 CCHP 系统。在 6.52% 的 CO2 浓度和 20.4 千克/秒的烟气流量下，该系统捕获了 7.92 吨/小时的 CO2，熵效率为 38.39%。Ghorbani 等人[1] 研究了一个结合海水淡化、富氧燃烧发电、CO2 液化和 LNG 再气化的混合系统。在 27.45% 的 CO2 浓度和 181.45 千克/秒的富氧燃烧烟气流量下，该系统液化了 88.4 千克/小时的 CO2，熵效率为 91.73%。Gomez 等人[27] 分析了一个 LNG 再气化-ORC-富氧燃烧系统，从 2.379 千克/秒的烟气流量中捕获了 2.23 千克/小时的液化 CO2，熵效率为 53.7%。Enayatizadeh 等人[28] 设计了一个从 508.7 千克/秒的烟气（3% 的 CO2 摩尔浓度）中生产干冰的系统，每年捕获 488,059 吨，熵效率为 59.3%。他们的结果表明，压缩功率对所需冷却能量的敏感性取决于抗升华过程中确定的烟气温度。

**连续低温制冷**
连续低温制冷需要大量能源；LNG 再气化产生的冷能提供了一种高效的替代方案。Rocca 探索了基于 LNG 的冷能回收，用于农业食品冷冻[29] 和商业/住宅制冷[30]。在农业食品系统中，CO2 通过 LNG 冷能液化，然后通过总冷却负荷为 1.3 兆瓦的储存和制冷单元循环。大型超市系统使用液化 CO2 来冷却乙二醇，用于食品储存和零售展示单元。Dispenza 等人[31] 提出了一种使用乙烷/乙烯作为中间流体进行发电和 CO2 用于冷储存的模块化再气化系统，实现了 64-71% 的熵效率。Li 等人[32] 分析了一种使用 LNG 冷能的三级冷仓库系统，以 R23 作为中间冷却剂，在 -15°C、-30°C 和 -60°C 下运行，使 COP（性能系数）从 1.07 提高到 1.48，熵效率从 43.89% 提高到 66.68%，LNG 压力范围为 1-9 MPa。

**海水淡化**
为应对日益增长的淡水需求和气候变化，已经开发了许多海水淡化厂，并预计将进一步扩展。许多研究证明，集成能源和淡化系统可以提高热效率。冷冻海水淡化（FD）因其较低的能源需求而受到关注；冷冻需要 330 kJ/kg 的能量，而蒸发需要 2256 kJ/kg[33]。FD 系统也比膜系统更不易污染[34]。LNG 再气化过程中释放的冷能可以用于 FD。Bruno 等人[35] 评估了一个 LNG-ORC-FD 系统，其中 LNG 用于冷凝器，海水用于蒸发器，冷却至 -5.62°C 以生产 50% 重量的冰盐混合物。该系统实现了 13.33% 的熵效率、11.24 兆瓦的电力和 137.5 千克/秒的淡水输出。Eghtesad 等人[36] 对结合 FD 的动力循环进行了能量、熵和熵经济分析，模拟了 LNG 管道上的冰形成，并证明了其经济可行性。Chang 等人[37] 研究了 FD 参数，包括冷却剂温度、冷冻时间和清洗方法。他们强调了冰清洗对纯度的重要性。

**本研究**
本研究提出了一种基于 LNG 冷能回收的新型多联产系统。与大多数现有研究不同，现有研究通常只关注与 LNG 再气化相关的一两种技术，而提出的系统集成了多个子系统，以同时产生电力、生产淡水、提供制冷冷能和捕获固态二氧化碳。这种集成提高了热力学性能、改善了经济结果并减少了环境影响。据作者所知，之前没有研究对包括 LNG 再气化、BOG 处理、发电、低温碳捕获、冷储存仓库和冷冻海水淡化在内的集成多联产系统进行全面的能量、熵、经济和环境分析，以及参数研究。本研究的目标是：（1）提出一种结合上述技术的环保多联产系统；（2）进行详细的能量、熵、经济和环境评估；（3）进行参数分析，研究抗升华温度、蒸发器 pinch point、过量空气百分比、燃烧室入口压力、燃料质量流量和冷却负荷等关键因素对系统热力学和经济性能的影响。

**论文结构**
第 2 节介绍了所提出的系统配置；第 3 节描述了控制方程和假设；第 4 节讨论了参数分析和结果；第 5 节总结了研究。

**过程描述**
图 1 展示了所提出系统的示意图。它包括以下集成子部分：
• 使用 BOG 作为燃料的联合动力循环
• 通过抗升华对联合循环烟气进行低温碳捕获
• 用于冷冻食品和干冰的冷储存仓库
• 海水冷冻淡化

LNG 再气化过程作为整个循环的热汇。它从 LNG 储罐（L1）中提取，并通过泵 1（L2）泵送到系统中。

**方法论、建模和假设**
所提出的系统使用 Refprop 9.1 作为流体属性源，在 MATLAB 中进行建模和分析。热力学、经济和环境方程的数学建模基于合理的假设，这些假设在以下部分详细说明。

**结果和讨论**
在本节中，进行了参数研究，以评估关键系统参数对热性能和经济盈利能力的影响。对于每个参数分析，所有其他变量参数保持不变，以确保准确和独立的评估。表 10 显示了研究的参数、它们的检查范围以及在其他参数评估中考虑的恒定值。

**结论和未来研究**
本研究提出并评估了一种新型多联产系统，包括联合动力循环、抗升华碳捕获过程、冷储存仓库和 LNG 再气化过程。LNG 储罐中产生的蒸发气体被用作联合动力循环的燃料，而产生的烟气通过抗升华过程处理以捕获 CO2。LNG 作为上述子系统的热汇。

**声明**
在撰写本文期间，使用了生成式 AI 和 AI 辅助技术。