基于船舶LNG冷能循環利用的工藝設計

陳 盼，王銀炯

(1.舟山市知創科技開發有限公司,浙江 舟山 316000;2.寧波市鄞州盛飛專利代理事務所(特殊普通合伙)舟山分所,浙江 舟山 316000)

0 引言

LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然氣)冷能沿階梯形狀逐級降低的過程是一種氣化過程，在LNG冷能被利用的過程中，可以使用溫度較高的一端和冷庫的末端來實現對船舶LNG冷能的縱向多級利用。如今，世界各國在LNG冷能氣化過程中釋放的冷能被有效利用方面是一個逐漸被開發的產業，而且這個產業越來越多地引起船舶航運領域的關注。據船舶航運有關工作人員的測算，每噸LNG冷能氣化將會釋放出(830～860)MJ的冷能量。在船舶航運過程中，LNG中的這些冷能在通常氣化器中隨海水被舍棄了，造成了冷能量的大量浪費[1-5]。為此,本文設計了一種工藝系統，利用LNG冷能沿階梯形狀逐級降低的特點循環利用冷能,最終實現船舶冷能循環利用的最大優化。

1 船舶冷能循環利用的設計要求

針對LNG自身冷能的大量浪費、且沒有更好地被有效利用等問題與不足，根據船舶LNG冷能階梯形狀逐級降低的特點，設計一種新型LNG冷能循環利用的工藝系統，合理地利用這一能量的散失，實現冷能發電、淡化海水、冷能低溫研磨、空氣分離(冷能制液氧、制氫、制液氮、制稀有氣體液氬等)、冷能制取液化干冰或二氧化碳、冷能保鮮冷庫等。與此同時也提出了進行分級多層次使用，即深冷主要用于低溫研磨、空氣分離，中冷用于制液化干冰或二氧化碳，淺冷用于冷庫肉蛋菜保鮮等，將LNG冷能沿階梯形狀逐級降低的特點合理利用[6-10]。

2 LNG冷能應用于冷庫多級利用的系統結構

根據LNG冷能沿階梯形狀逐級降低的特點，合理安排布局充分利用冷能。對于同一需要降低溫度且溫度相差不大的系統或者部件可以按照橫向溫度場的排列分布，對于不同體系不同溫度場按照縱向排列分布，并調節LNG冷能的排列分布，最終達到船舶LNG冷能在階梯形狀逐級降低的過程中，無論是縱向部件或系統還是橫向部件或系統都可以被高效地利用，進而可以實現船舶冷能循環利用的最優設計。

圖1為LNG冷能階梯形狀利用后逐級降低的冷庫系統工藝流程。圖2為LNG儲存罐冷能應用于冷庫的系統工藝流程。LNG儲存罐1此時溫度為-162 ℃，以LNG儲存罐1中的冷能為動力源，由于此時的冷量溫度特別低，必須通過熱交換器(2、6、10、12)的冷量交換，從而使冷量可以被充分利用。考慮到大部分的換熱設備根本無法傳遞如此大的溫差，因此，采用中間冷媒介質(一般深冷采用乙二醇水溶液，中冷采用液氮、液氨等)來降低傳熱，經過中間冷媒介質無相變蓄冷后，再通過制冷劑以循環的形式將冷能傳遞給系統內的空氣，然后以系統內空氣為媒介，再一次傳遞冷能，便可以實現冷能在傳遞的過程中被合理地利用。

圖1 LNG冷能階梯形狀利用后逐級降低的冷庫系統工藝流程

當冷量第一次通過離心泵3的作用，經過熱交換器2以及其中間冷媒乙二醇水溶液傳遞后，與蓄冷箱4組成一個循環流通系統，使冷量處于流動傳遞狀態，使熱交換得到的冷能量儲藏在蓄冷箱里，以備下一環節的循環利用；通過離心泵5的作用給系統提供助力，當冷量再一次經過熱交換器6的冷交換，溫度達到深冷階段8，通過離心泵7給深冷階段8提供動力，熱交換器便與深冷階段8形成一個循環流通系統，此時溫度大約為(-150 ℃～-78 ℃)，此溫度下的冷能量可用于低溫研磨、空氣分離等，此時溫度仍然非常低，為了使下一環節可以得到有效的利用，必須再一次通過熱交換器10的冷量交換；通過離心泵9給中冷階段11的循環提供動力，熱交換器10與中冷階段11形成一個循環流通系統，此時的溫度大約為(-40 ℃～-78 ℃)左右，處于中冷階段11的冷量主要被冷庫應用于制液化干冰或二氧化碳來儲存冷能等。隨著冷能的進一步傳遞，為了使冷能可以最大化應用，通過離心泵13的作用，當剩余的冷量再一次通過熱交換器12的冷能傳遞，溫度達到淺冷階段，此時的溫度大約為-30 ℃～16 ℃，主要應用于冷庫中各食用物質、儲備糧的保鮮或者冷凍，船舶航運過程中需要儲備的物質主要有糧庫(米、小麥、玉米等)、蔬菜、干貨、魚類、肉庫、果實、蛋、奶類等，這些主要根據航線、航程以及工作人員的配備來合理安排，可以根據食用物質、儲備糧對冷能需求，以及各食用物質、儲備糧的物化特性來合理地安排食用物質、儲備糧在冷庫邊緣位置(主要是距離冷能動力源的位置)。另外冷庫內還安裝了額外的一套緩沖裝置，以備冷庫內其他主要設施發生故障時應急使用，以及一個干冰儲藏室，用來儲藏部分冷能。隨著冷能的進一步傳遞，冷能量越來越少，溫度越來越高，繼續按照縱向遞減分布，經過處理之后，最終的LNG即可被船舶上廚房等以天然氣的形式使用。

3 可行性分析

3.1 結構可行性分析

LNG儲存罐的位置擺放于冷庫中心或者附近位置，可以根據冷庫邊緣的庫存物質對于冷量的需求來移動某一個或者幾個LNG儲存罐的位置或者增減LNG儲存罐的個數來調節。

3.2 技術可行性分析

采用熱交換器使LNG儲存罐冷能量從儲存罐內部逐漸傳遞到冷庫，并以熱交換器和中間冷媒介質來傳遞冷能，以實現冷能多級高效傳遞并被利用，且對環境無污染。

1-LNG儲存罐；2,6,10,12-熱交換器；3,5,7,9,13-離心泵；4-蓄冷箱；8-深冷階段(低溫研磨、空氣分離)；11-中冷階段(液化干冰)；14-淺冷階段(冷藏冷庫)

3.3 經濟可行性分析

該工藝采用的是LNG儲存罐釋放的冷能，并采取相應的措施多級利用傳遞過程的冷能，使經濟成本大大減少。

4 結語

本文根據船舶LNG冷能階梯形狀逐級降低的特點，對這一能量在傳遞過程中進行了合理的多級、多向利用，并以此為基礎設計了一種船舶LNG冷能循環利用的工藝系統，根據船舶空間和物質的物化性質合理分配，最終實現船舶冷能的最優處理。

本文的理論研究和工藝設計方案都是在理想的條件下進行的，在理論研究過程中，針對船舶LNG冷能階梯形狀逐級降低的特點來設計分配船舶冷庫的空間，仍然存在一些不足，在冷能高效率應用方面仍需要進一步優化，以及應用了船舶主機或者鍋爐等方面降溫仍需進一步探討和研究。