二氧化碳儲罐內部冷凝結構的設計

王雪菲，祝新宇，陸江峰，朱國忠，顧楓

二氧化碳儲罐內部冷凝結構的設計

王雪菲1，祝新宇2，陸江峰1，朱國忠1，顧楓1

（1. 張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215632； 2. 中集安瑞科能源裝備（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

二氧化碳作為一種重要的能源氣體，也是引起溫室效應的主要因素，對于它的減排和有效的利用成為一個值得探討的命題。二氧化碳在儲運時遇到難以穩定其壓力和溫度的問題，會造成安全閥的頻繁起跳，或者過度壓降后形成干冰，對儲罐性能造成損傷。通過在儲罐內設置一個冷凝裝置，使得二氧化碳氣體在儲罐內部進行熱交換，通過降溫來穩定罐內溫度和壓力，從而避免二氧化碳氣體壓力的突然上升后直接排放造成的資源浪費和環境危害。

二氧化碳；冷凝裝置；制冷；儲運

二氧化碳作為一種重要的工業氣體，廣泛地被應用于焊接、化工、食品加工、對新鮮肉類和蔬菜的冷卻冷凍包裝等各個領域中。2019年液態二氧化碳僅在食品領域的消耗量就達到了100多萬噸，隨著需求量的日益增加，二氧化碳的儲存、運輸和利用成為當下一個熱門的話題。

1 二氧化碳的儲運

1.1 二氧化碳的性質

在常溫下二氧化碳的狀態是無色無味的氣體，也是引起溫室效應、導致全球變暖的“罪魁禍首”。對二氧化碳氣體的減排和有效的利用是解決這一問題的有效手段。為方便對其進行存儲和運輸，一般將氣態的二氧化碳轉換為液態，轉換辦法主要有低溫液化和高壓液化。目前對于二氧化碳的儲存和運輸一般采用單層儲罐的高壓儲存運輸或者雙層儲罐的低溫儲存運輸。單層儲罐的充裝和儲運效率低，操作繁瑣，容易對環境造成污染，為了便于二氧化碳的儲存和運輸，常常采用雙層儲罐的低溫儲運。

1.2 二氧化碳儲存時的狀態

低溫液體儲罐是用于儲存液態二氧化碳的壓力容器，在使用時，當儲罐內部壓力超過其設定壓力時，需要通過手動排放閥進行泄壓，或通過安全閥自動泄壓以達到降壓的效果，但是手動排放也會導致過分泄壓的狀況出現。如果儲罐內的壓力在短時間內快速的下降，當下降到一定值的時候，儲罐內部的二氧化碳就會轉換為固體，也就是我們俗稱的干冰，進而對儲罐造成損傷。二氧化碳的頻繁超壓排放不利于二氧化碳的儲存，不僅會造成資源的浪費，而且對環境也會造成一定的危害。

2 冷凝裝置的結構

2.1 冷凝裝置的構造及效用

根據以上描述，為解決二氧化碳低溫儲罐安全閥泄放裝置及手動泄放閥無法穩定降壓，降壓速率無法精準控制的問題，以及造成熱帶地區二氧化碳儲罐內部的壓力升高過快，氣體嚴重浪費的問題，保證儲罐內部二氧化碳維持在一個較為穩定的狀態下，在儲罐內部加裝冷凝裝置，該冷凝裝置由制冷輸入管、制冷輸出管、冷凝盤管構成，制冷輸入管由外底封頭入，通過內容器與外殼的夾層到達內頂封頭，在內頂封頭上開孔，用雙面接頭將制冷輸入管和冷凝盤管連接，冷凝盤管的另一端用雙面接頭與制冷輸出管連接，形成一個內在的制冷機構。冷凝盤管呈盤旋狀懸掛于內容器的氣相空間，并用角鋼進行固定。在制冷輸入管內通入具有深冷特性的液氮作為冷媒，液氮通過冷凝盤管在罐內循環，與罐內的二氧化碳進行熱交換，將產生的二氧化碳氣體直接冷凝，從而避免二氧化碳氣體超壓后直接排放造成的浪費和危害。在現場使用時，可根據儲罐內二氧化碳的量計算穩定到某一壓力或某一溫度所需用的液氮的量，對液氮進行循環使用，經濟且高效。以上所述結構的部件均采用該奧氏體不銹鋼制作，完全可以承受-40 ℃的低溫，壓力等級均滿足低溫氣源和儲罐壓力的要求。該裝置結構簡單，制作難度低，經濟且高效。

2.2 冷凝盤管的結構

將冷凝盤管用角鋼可靠地固定在內頂封頭的氣相空間，利用螺旋形式對管線進行盤踞，結構緊湊，制冷的效率高，且這種結構制作簡單，避免了采用彎頭產生焊縫接頭的缺點。由于二氧化碳儲罐的充裝率≤95%，氣相空間有限，采用螺旋式盤管可有效地節省空間，并將制冷介質與儲罐內部的換熱面積最大化。當將液氮充入盤管內，液氮的流向隨著盤管的走向不斷地改變，液氮在離心力的作用下，會在垂直于軸向主流方向的截面上產生二次環流，增強了流體的混合，從而增強了制冷效果

2.3 冷凝裝置操作流程

連通液氮供源，打開制冷輸入閥和液氮輸出閥，液氮進入到冷凝盤管內，完成與罐內二氧化碳介質的熱交換，再通過制冷輸出罐排出，以此循環使用，達到壓力與溫度穩定的效果。

3 冷凝裝置的其他效用

二氧化碳儲罐在發貨前一般是打壓至0.03~0.06 MPa進行微正壓運輸。首充前須對儲罐進行預冷，這樣做不僅可以檢測二氧化碳儲罐和管道在低溫狀態下的性能，同時也可以對低溫閥門的密封性能等進行檢驗。預冷的同時降低罐內溫度，避免充裝時壓力過高，導致安全閥的起跳。對于裝有冷凝裝置的儲罐，則只需要在冷凝管內充裝一定量的液氮，即可完成預冷，省去了現場單獨對儲罐進行預冷的程序，避免了充裝時壓力過高造成氣體浪費的問題。

4 結束語

目前國內有部分結構是將二氧化碳排放口接入一個外部冷凝裝置，在外部冷凝后充入罐內，也就是需要在外部完成二氧化碳的二次冷凝，相對繁瑣，造價也較高。采用此種結構即可在儲罐內部完成換熱降溫，避免了外部二次冷凝工序，且成本低，結構簡單，易操作。

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Design of Condensing Disk Structure in Carbon Dioxide Storage Tanks

1,2,1,1,1

（1. Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China;2. CIMC Enric Energy Equipment (Suzhou) Co., Ltd., Suzhou Jiangsu 215000, China）

As an important energy gas, carbon dioxide is also the main factor causing the greenhouse effect, so its emission reduction and effective utilization have become a topic worth discussing.It is difficult to stabilize the pressure and temperature of carbon dioxide in storage and transportation, which causes frequent take-off of the safety valve, or the formation of dry ice after excessive pressure drop, damaging the performance of the storage tank. A condensing device in the storage tank was set up to make carbon dioxide gas heat exchange in the tank to stabilize the temperature and pressure in the tank by cooling, so as to avoid the sudden rise of carbon dioxide gas pressure and the waste of resources and environmental hazards caused by direct emissions.

Carbon dioxide; Condensing unit; Refrigeration; Storage and transportation

2020-08-10

王雪菲（1989-），女，江蘇省蘇州市人，中級工程師， 2012年畢業于蘭州理工大學技術工程學院過程裝備與控制工程專業，研究方向：壓力容器。

TU279.7+43

A

1004-0935（2020）12-1508-02