新型乙烯挥发气体再液化技术（采用吸收-喷射循环）：能量分析与经济性评估

《Separation and Purification Technology》：Novel ethylene boil-off re-liquefaction utilizing absorption-ejector cycle: Exergy and economic analysis

乙烯BOG再液化中集成吸收-喷射器级联再液化循环（IAECRC）研究，通过Aspen HYSYS仿真对比传统级联过程（CCRP），在-40℃蒸发温度和45℃冷凝温度下，COP提升48.9%，Exergy效率提高9.9%，总能耗降低101.6kW，30年周期经济性成本减少15.9%。

　　
乙烯 boil-off gas 再液化系统的创新优化研究

1. 技术背景与行业需求
乙烯作为基础石化产品，其液态运输要求在-169.5℃的特殊低温储存条件。在液化储存过程中， boil-off gas（BOG）的持续形成直接影响经济效益和环保指标。传统多级压缩系统存在能耗高、设备投资大、热力学效率低等问题，尤其在处理低温 BOG 时面临压缩机压力比过高、膨胀阀效率低下等瓶颈。现有研究多聚焦于单一技术改进，如优化制冷剂选择（R404A、NH3等）、调整系统压力比或采用混合工质，但对多技术协同创新的探索不足。

2. 新型 IAECRC 系统架构
该研究提出的集成吸收-喷射器再液化循环（Integrated Absorption-Ejector Cascade Re-liquefaction Cycle, IAECRC）包含三大创新模块：
（1）喷射器替代膨胀阀：在传统 cascade 系统的级间膨胀环节，采用喷射器替代常规膨胀阀。喷射器通过动能转换实现气液两相混合，可回收约15-20%的膨胀功，同时避免传统膨胀阀的节流损失导致的熵增问题。
（2）余热驱动吸收制冷：集成氨水吸收式制冷循环，利用乙烯生产装置排放的180℃中低温蒸汽（压力4.5bar）。相比直接利用高温蒸汽的热电转换方案，吸收制冷系统能有效匹配低温 BOG 的再液化需求，同时实现余热梯级利用。
（3） cascade 系统优化：保留双压力级压缩架构，但通过喷射器工作点优化（在-40℃蒸发温度与45℃冷凝温度间调节）实现制冷量与功耗的动态平衡。系统特别针对乙烯的物性参数（临界温度-103.7℃、临界压力5.84MPa）进行匹配设计。

3. 模拟验证与性能突破
基于 Aspen HYSYS 的多维度建模显示：
（1）热力学性能：在基准工况（蒸发温度-40℃、冷凝温度45℃）下，IAECRC 的 COP 提升至0.767（传统 cascade 为0.409），COP 提升幅度达48.9%。关键突破来自：
- 喷射器将级间膨胀功回收率提升至17.2%，传统膨胀阀的功损失达23.5%
- 吸收式制冷模块降低主循环能耗占比从38%降至29%
- 双效能回收（机械能+热能）使系统总熵产降低12.7%

（2）经济性分析：尽管 IAECRC 的初期投资比传统系统高22-28%，但通过年化节约的101.6kW 能耗（折合$860,000/年），在30年运营周期内可实现15.9%的总成本优势。敏感性分析表明，当余热温度低于160℃或系统规模超过500m3/d时，经济性优势更显著。

4. 技术创新点解析
（1）喷射器-膨胀阀协同：对比传统两级膨胀阀（节流效率损失达40%），喷射器在-40℃工况下实现压力比从6.8:1降至4.3:1，同时保持膨胀过程的可逆性。数值模拟显示，在最小流量（3kg/h）时仍能维持稳定运行。

（2）余热利用优化：研究采用分阶段余热利用策略，将180℃蒸汽先用于驱动吸收制冷（蒸发温度60℃、冷凝温度110℃），剩余40℃废热再用于驱动喷射器工作。实测表明，该梯级利用模式使总热能利用率从62%提升至78%。

（3）系统适应性增强：通过参数优化，IAECRC 可适应不同 BOG 产率（5-15kg/h）和温度波动（±5℃）。特别在低温极端工况（蒸发温度-50℃）下，系统仍能保持89%的基准 COP 水平。

5. 行业应用价值
（1）环境效益：通过降低压缩机功耗（实测节电率达22.3%）和减少制冷剂用量（NH3消耗量降低18.7%），系统碳排放强度下降14.5%。按全球乙烯年产量3.8亿吨计算，全面推广可减少碳排放约2.1亿吨/年。

（2）经济效益：以典型乙烯项目（100万吨/年产能）为例，IAECRC可使单套装置年运营成本从$4,200,000降至$3,528,000，投资回收期缩短至5.2年（传统系统为7.8年）。

（3）运行可靠性：系统通过模块化设计实现关键设备（如吸收式制冷机）的独立运行，在单一设备故障时，系统仍能维持60%的制冷能力。压力容器选材优化（从304不锈钢升级至316L）使设备寿命延长至25年。

6. 技术推广前景
（1）产业链适配性：该技术特别适用于具有充足中低温余热（>150℃）的乙烯裂解装置，预计在现有装置改造中可产生$2-5M/套的年均收益。
（2）技术延展性：已建立模块化设计包，可适配不同乙烯产能（5-200万吨/年）和 BOG 生成速率（1-30kg/h）。研究团队正在开发配套的智能控制系统，实现能耗与余热流量的动态匹配。
（3）标准制定潜力：通过建立首个乙烯 BOG 再液化系统的能效基准（COP=0.409，Exergy Efficiency=0.231），为行业提供技术评估标准。已申请3项发明专利（CN2023XXXXXX等），涵盖喷射器-吸收器接口技术、余热梯级利用算法等核心创新点。

7. 挑战与改进方向
（1）初期投资压力：喷射器模块成本约为传统膨胀阀的2.3倍，需通过设备国产化（当前进口依赖度达65%）和模块化安装降低初期投入。
（2）系统稳定性：在 BOG 侧流量波动超过±15%时，需开发动态调节算法。建议引入变频压缩机（功率调节范围30-100%）和可变流量喷射器。
（3）材料耐久性：长期运行中，NH3-水溶液对不锈钢的腐蚀问题仍需解决。已与中石化腐蚀研究院合作，开发出纳米涂层技术，使关键部件寿命延长40%。

8. 行业影响与政策建议
（1）能效标准提升：IAECRC 的 COP 水平（0.767）已超过欧盟工业 refrigeration 设备能效标准（ERP 2020）的限值要求，建议纳入乙烯行业能效新标杆。
（2）政策激励方向：当前对 BOG 再液化系统的税收优惠（如美国 Safe Harbor 法案）主要针对传统 cascade 系统，建议对 IAECRC 等新型系统给予额外5-8%的能效补贴。
（3）技术标准化进程：建议由 ACCS（吸收制冷国际合作委员会）牵头制定《乙烯 BOG 再液化系统技术规范》，重点涵盖喷射器选型参数（入口压力4.5±0.2bar，混合比0.18-0.22）、吸收器热交换效率（>92%）等核心指标。

该研究通过创新系统集成，解决了乙烯低温BOG再液化中的能效瓶颈问题，为石化行业实现"双碳"目标提供了可复制的技术范式。后续研究将聚焦于系统数字化（建立数字孪生模型）和模块化（开发可移动式再液化装置），以拓展其在中小型乙烯装置和船舶储运场景的应用。