基于船舶LNG冷能循环利用的工艺设计

陈 盼，王银炯

(1.舟山市知创科技开发有限公司,浙江 舟山 316000;2.宁波市鄞州盛飞专利代理事务所(特殊普通合伙)舟山分所,浙江 舟山 316000)

0 引言

LNG(Liquefied Natural Gas，液化天然气)冷能沿阶梯形状逐级降低的过程是一种气化过程，在LNG冷能被利用的过程中，可以使用温度较高的一端和冷库的末端来实现对船舶LNG冷能的纵向多级利用。如今，世界各国在LNG冷能气化过程中释放的冷能被有效利用方面是一个逐渐被开发的产业，而且这个产业越来越多地引起船舶航运领域的关注。据船舶航运有关工作人员的测算，每吨LNG冷能气化将会释放出(830～860)MJ的冷能量。在船舶航运过程中，LNG中的这些冷能在通常气化器中随海水被舍弃了，造成了冷能量的大量浪费[1-5]。为此,本文设计了一种工艺系统，利用LNG冷能沿阶梯形状逐级降低的特点循环利用冷能,最终实现船舶冷能循环利用的最大优化。

1 船舶冷能循环利用的设计要求

针对LNG自身冷能的大量浪费、且没有更好地被有效利用等问题与不足，根据船舶LNG冷能阶梯形状逐级降低的特点，设计一种新型LNG冷能循环利用的工艺系统，合理地利用这一能量的散失，实现冷能发电、淡化海水、冷能低温研磨、空气分离(冷能制液氧、制氢、制液氮、制稀有气体液氩等)、冷能制取液化干冰或二氧化碳、冷能保鲜冷库等。与此同时也提出了进行分级多层次使用，即深冷主要用于低温研磨、空气分离，中冷用于制液化干冰或二氧化碳，浅冷用于冷库肉蛋菜保鲜等，将LNG冷能沿阶梯形状逐级降低的特点合理利用[6-10]。

2 LNG冷能应用于冷库多级利用的系统结构

根据LNG冷能沿阶梯形状逐级降低的特点，合理安排布局充分利用冷能。对于同一需要降低温度且温度相差不大的系统或者部件可以按照横向温度场的排列分布，对于不同体系不同温度场按照纵向排列分布，并调节LNG冷能的排列分布，最终达到船舶LNG冷能在阶梯形状逐级降低的过程中，无论是纵向部件或系统还是横向部件或系统都可以被高效地利用，进而可以实现船舶冷能循环利用的最优设计。

图1为LNG冷能阶梯形状利用后逐级降低的冷库系统工艺流程。图2为LNG储存罐冷能应用于冷库的系统工艺流程。LNG储存罐1此时温度为-162 ℃，以LNG储存罐1中的冷能为动力源，由于此时的冷量温度特别低，必须通过热交换器(2、6、10、12)的冷量交换，从而使冷量可以被充分利用。考虑到大部分的换热设备根本无法传递如此大的温差，因此，采用中间冷媒介质(一般深冷采用乙二醇水溶液，中冷采用液氮、液氨等)来降低传热，经过中间冷媒介质无相变蓄冷后，再通过制冷剂以循环的形式将冷能传递给系统内的空气，然后以系统内空气为媒介，再一次传递冷能，便可以实现冷能在传递的过程中被合理地利用。

图1 LNG冷能阶梯形状利用后逐级降低的冷库系统工艺流程

当冷量第一次通过离心泵3的作用，经过热交换器2以及其中间冷媒乙二醇水溶液传递后，与蓄冷箱4组成一个循环流通系统，使冷量处于流动传递状态，使热交换得到的冷能量储藏在蓄冷箱里，以备下一环节的循环利用；通过离心泵5的作用给系统提供助力，当冷量再一次经过热交换器6的冷交换，温度达到深冷阶段8，通过离心泵7给深冷阶段8提供动力，热交换器便与深冷阶段8形成一个循环流通系统，此时温度大约为(-150 ℃～-78 ℃)，此温度下的冷能量可用于低温研磨、空气分离等，此时温度仍然非常低，为了使下一环节可以得到有效的利用，必须再一次通过热交换器10的冷量交换；通过离心泵9给中冷阶段11的循环提供动力，热交换器10与中冷阶段11形成一个循环流通系统，此时的温度大约为(-40 ℃～-78 ℃)左右，处于中冷阶段11的冷量主要被冷库应用于制液化干冰或二氧化碳来储存冷能等。随着冷能的进一步传递，为了使冷能可以最大化应用，通过离心泵13的作用，当剩余的冷量再一次通过热交换器12的冷能传递，温度达到浅冷阶段，此时的温度大约为-30 ℃～16 ℃，主要应用于冷库中各食用物质、储备粮的保鲜或者冷冻，船舶航运过程中需要储备的物质主要有粮库(米、小麦、玉米等)、蔬菜、干货、鱼类、肉库、果实、蛋、奶类等，这些主要根据航线、航程以及工作人员的配备来合理安排，可以根据食用物质、储备粮对冷能需求，以及各食用物质、储备粮的物化特性来合理地安排食用物质、储备粮在冷库边缘位置(主要是距离冷能动力源的位置)。另外冷库内还安装了额外的一套缓冲装置，以备冷库内其他主要设施发生故障时应急使用，以及一个干冰储藏室，用来储藏部分冷能。随着冷能的进一步传递，冷能量越来越少，温度越来越高，继续按照纵向递减分布，经过处理之后，最终的LNG即可被船舶上厨房等以天然气的形式使用。

3 可行性分析

3.1 结构可行性分析

LNG储存罐的位置摆放于冷库中心或者附近位置，可以根据冷库边缘的库存物质对于冷量的需求来移动某一个或者几个LNG储存罐的位置或者增减LNG储存罐的个数来调节。

3.2 技术可行性分析

采用热交换器使LNG储存罐冷能量从储存罐内部逐渐传递到冷库，并以热交换器和中间冷媒介质来传递冷能，以实现冷能多级高效传递并被利用，且对环境无污染。

1-LNG储存罐；2,6,10,12-热交换器；3,5,7,9,13-离心泵；4-蓄冷箱；8-深冷阶段(低温研磨、空气分离)；11-中冷阶段(液化干冰)；14-浅冷阶段(冷藏冷库)

3.3 经济可行性分析

该工艺采用的是LNG储存罐释放的冷能，并采取相应的措施多级利用传递过程的冷能，使经济成本大大减少。

4 结语

本文根据船舶LNG冷能阶梯形状逐级降低的特点，对这一能量在传递过程中进行了合理的多级、多向利用，并以此为基础设计了一种船舶LNG冷能循环利用的工艺系统，根据船舶空间和物质的物化性质合理分配，最终实现船舶冷能的最优处理。

本文的理论研究和工艺设计方案都是在理想的条件下进行的，在理论研究过程中，针对船舶LNG冷能阶梯形状逐级降低的特点来设计分配船舶冷库的空间，仍然存在一些不足，在冷能高效率应用方面仍需要进一步优化，以及应用了船舶主机或者锅炉等方面降温仍需进一步探讨和研究。