一种利用氨燃料冷能的液化二氧化碳运输船货舱保温系统

1.本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种利用氨燃料冷能的液化二氧化碳运输船货舱保温系统。


背景技术：

2.全球变暖是目前国际社会密切关注的环境问题之一，co2是导致全球变暖的重要因素，碳减排、封存以及运输技术受到了各行业的广泛关注。常用的co2的封存方式主要有矿石碳化、海水固碳、矿井封存等，将co2运输至特定的区域封存，例如冰岛的存储能力约为2.5 万亿吨co2，超过了55年的全球co2排放量，因此这一过程可能需要通过海上运输将co2跨国、跨洲运输至储存能力较强的地区，液化二氧化碳(英文简称lco2)运输船正是运输 co2的重要手段之一。
3.为增加co2的海上运输量，co2通常在储罐中以液态的形式进行运输。全冷式储罐需要将储罐内温度降低至-79℃左右，但这与干冰的温度相近，极易使co2凝固成干冰，干冰作为固体与液化后的co2流体相比，在港口装卸货物时存在效率低、装卸困难等问题；全压式储罐采用至少73bar高压将co2液化，对储罐的压力要求极高。半冷半压c型储罐液化co2的工作压力约为7bar左右，温度约为-49℃左右，储罐的压力要求较低，并且-49℃的温度不会使co2凝固成干冰，因此，选择半冷半压式储罐运输lco2具有明显的优势。半冷半压式储罐外设有较厚的保温层，但储罐和外界环境仍旧存在一定的温差，不可避免地储罐中lco2会有bog(co2蒸发气)的产生。为此，采用半冷半压式储罐运输co2，船舶需要设置co2制冷系统使储罐内的lco2保持较低的温度，同时对产生的少量bog进行再液化处理，避免货舱内bog的产生。
4.在处理产生的bog的co2制冷系统中，使用海水(0～30℃)作为冷凝器中的冷却介质时，与lco2的温度(约-49℃)存在较大的温差，当冷凝温度与蒸发温度温差较大时，co2制冷系统的压缩机需要做较多的功，甚至采用复叠式制冷的方式才能达到所需的制冷效果， co2制冷系统的功耗非常大。
5.co2运输船作为更具环保理念的船舶，氢、氨等清洁燃料是其非常理想无碳燃料。但氢燃料价格昂贵，且商船的燃料消耗量大，因此氢燃料暂时无法在商船上广泛应用。氨燃料与氢相比价格便宜，并具有稳定的供应和便于储存、运输的优势，未来可能成为最受欢迎的船舶燃料之一，为此，有学者已经提出了氨燃料应用于船舶上。co2运输船使用氨作为燃料可实现船舶全航段的“零碳”排放。
6.氨燃料在船舶上常通过低温以液态形式储存，储罐外带有保温层，温度为-33℃，运输至船舶主机燃烧时会释放大量冷能，可以将这部分冷能用于lco2制冷，避免造成冷能的浪费。但氨燃料的温度高于lco2的温度，无法通过直接换热的方式为lco2制冷。
7.基于此，若是能提出一种利用氨燃料冷能的液化二氧化碳运输船货舱保温系统，利用氨燃料的冷能冷却co2制冷系统的制冷剂，进而利用制冷系统使储罐中产生的bog进行再液化，既合理利用了氨燃料的冷能，解决了氨燃料冷能的浪费问题，又可以大大降低co2制冷系统的能耗，这种系统具有非常高的实际应用价值。


技术实现要素：

8.本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种利用氨燃料冷能的液化二氧化碳运输船货舱保温系统。该系统将氨燃料作为冷源用来冷却lco2储罐中制冷系统的制冷剂，进而通过制冷系统为lco2储罐中的co2制冷，避免储罐内bog的产生，充分利用了氨燃料供给时释放的冷能。将氨燃料作为冷源(-33℃)冷却制冷剂与环境冷源(船舶通常是海水，0～30℃)冷却制冷剂相比有很大的优势，因为当冷凝温度与蒸发温度温差较大时，co2制冷系统的功耗较高：一方面，采用单级制冷时，co2制冷系统的压缩机需要做较多的功；另一方面，采用单级制冷可能无法达到lco2的制冷温度，需要采用复叠式制冷，系统更为复杂。而氨(-33℃)与lco2(-49℃)的温度相近，本发明中co2制冷系统无需采用复叠式制冷，仅通过单级制冷即可达到制冷温度，大幅度降低co2制冷系统的功耗；并且船舶全航段运输过程中不会排放co2，环保性非常好。
9.本发明系统包括：氨燃料储罐、驳运泵、一级增压泵、冷凝器、二级增压泵、缸套水加热器、膨胀阀、气体空间蒸发器、液体空间蒸发器、lco2储罐、压缩机。
10.所述氨燃料储罐、驳运泵、一级增压泵、冷凝器、二级增压泵、缸套水加热器通过管道依次连接，最终管道通向船舶主机，组成氨燃料供给系统。
11.所述冷凝器、膨胀阀、气体空间蒸发器、液体空间蒸发器、压缩机通过管道依次连接，气体空间蒸发器和液体空间蒸发器设置在lco2储罐中，组成co2制冷循环系统。
12.当船舶航行时，驳运泵将液氨从氨燃料储罐中运输至一级增压泵增压，增压后液氨作为冷却介质在冷凝器中与制冷剂a进行换热，再经二级增压泵将液氨增压至所需压力，最后经缸套水加热器利用主机的缸套加热水加热，满足主机的温度要求后输送至主机燃烧。
13.在co2制冷循环系统中，压缩机将气态的制冷剂a压缩至较高温度和压力的气态，然后进入冷凝器中与液氨换热冷凝成液体，随后经过膨胀阀减压后进入lco2储罐的气体空间蒸发器和液体空间蒸发器中，制冷剂a吸收lco2储罐中的热量而气化，气态的制冷剂a进入压缩机进行压缩，继续进行制冷循环；在lco2储罐中，气体空间蒸发器对储罐内产生的bog 进行再液化处理，液体空间蒸发器持续吸收储罐中的lco2的热量，使lco2保持低温，减少 bog的产生。
14.进一步的，为增加lco2储罐内的制冷效果，在船舶正浮且lco2储罐的充装率为95％时，气体空间蒸发器安装在储罐内lco2的自由液面以上，液态空间蒸发器安装在储罐内lco2的自由液面以下。
15.本发明有益效果：
16.1.本发明系统应用在以氨燃料为动力的液化二氧化碳运输船上，利用氨燃料的冷能来冷却co2制冷系统中的制冷剂，既合理利用了氨燃料的低品位冷能，避免了冷能浪费，又可以减少储罐内bog再液化时co2制冷系统的电力消耗，具有很好的经济性。
17.2.本发明系统应用在液化二氧化碳运输船上，船舶运输过程中lco2储罐不会产生co2蒸发气，同时氨燃料燃烧也不会产生co2，实现lco2的“零碳”运输，具有良好的应用前景。
18.3.本发明系统结构简单，成本较低，易于在船舶上实现，既减少了船舶能源消耗，降低运输成本，又不会排放co2气体和其他污染物，促进船舶的节能减排。
附图说明
19.图1是本发明的系统图；
20.图2是氨燃料储罐和lco2储罐在船舶上的安装位置示意图；
21.附图中：1.氨燃料储罐；2.驳运泵；3.一级增压泵；4.冷凝器；5.二级增压泵；6.缸套水加热器；7.膨胀阀；8.气体空间蒸发器；9.液体空间蒸发器；10.lco2储罐；11.压缩机。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
23.一种利用氨燃料冷能的液化二氧化碳运输船货舱保温系统，如图1所示，该系统包括：氨燃料储罐1、驳运泵2、一级增压泵3、冷凝器4、二级增压泵5、缸套水加热器6、膨胀阀 7、气体空间蒸发器8、液体空间蒸发器9、lco2储罐10、压缩机11。
24.如图1和图2所示，本发明系统应用在以氨为动力的液化二氧化碳运输船上，氨燃料储罐1设置在船舶艉楼前的甲板上，驳运泵2设置在氨燃料储罐1中，驳运泵2、一级增压泵3、冷凝器4、二级增压泵5、缸套水加热器6通过管道依次连接，最终通向船舶主机，组成氨燃料的供给系统；冷凝器4、膨胀阀7、气体空间蒸发器8、液体空间蒸发器9、压缩机11通过管道依次连接，气体空间蒸发器8和液体空间蒸发器9设置在lco2储罐10中，组成co2制冷循环系统。
25.如图2所示，lco2储罐10设于船舶货舱中，图中设置了6个示意性的lco2储罐10，为避免bog的产生，每个lco2储罐10都需要制冷，即每一个lco2储罐10中都设置气体空间蒸发器8和液体空间蒸发器9，每个储罐中两蒸发器的管道采用并联连接，形成单独的制冷循环。
26.在co2制冷循环系统中，制冷温度相对较低，并且在制冷过程中制冷剂a会发生相变。可以选择的制冷剂a有r14、r116、r23等。
27.当船舶航行时，驳运泵2将氨燃料从氨燃料储罐1驳运至一级增压泵3初步增压，增压后液氨流至冷凝器4中换热，增压的目的是为了提高液氨的饱和压力，进而提高饱和温度，防止液氨在换热时发生相变。换热后液氨由二级增压泵5增压至主机的供给压力约80bar，在缸套水加热器6中由主机的缸套加热水对液氨进行升温，供给船舶主机燃用。
28.在co2制冷循环系统中，压缩机11将气态的制冷剂a压缩至较高温度和压力的气态，然后进入冷凝器4中与液氨换热冷凝成液体，随后经过膨胀阀7减压后进入lco2储罐10的气体空间蒸发器8和液体空间蒸发器9中，制冷剂吸收lco2储罐10中的热量而气化，气态的制冷剂a进入压缩机11进行压缩，继续进行制冷循环，lco2储罐10中的气体空间蒸发器8对储罐内产生的bog进行再液化处理，液体空间蒸发器9持续吸收储罐中的lco2的热量，使lco2保持低温，减少bog的产生，在气体空间蒸发器8和液体空间蒸发器9的共同作用下，避免了lco2储罐10中bog的产生。
29.在co2制冷循环系统中，由于液氨的温度较低，与lco2的温度相近，液氨作为冷凝器4 的冷却介质能迅速将制冷剂a冷凝至很低的温度，减少了冷凝温度和蒸发温度的温差，压缩机11做较少的功即可达到所需制冷效果，大大降低了co2制冷系统的能耗。
30.co2制冷系统可以采用间歇制冷的方式为储罐中的lco2制冷，并将产生的bog再液化处理。当储罐内bog的压力低于设定的下限值时，co2制冷系统停止工作，当储罐内bog 的
压力高于设定的上限值时，co2制冷系统重新开始工作。通过间歇制冷进一步降低了co2制冷系统的能耗。
31.进一步的，为增加lco2储罐10内的制冷效果，在船舶正浮且lco2储罐10的充装率为 95％时，气体空间蒸发器8安装在储罐内lco2的自由液面以上的气体空间内，液态空间蒸发器9安装在储罐内lco2的自由液面以下。
32.综上所述，本发明系统应用在以氨燃料为动力的液化二氧化碳运输船上，利用氨燃料的冷能冷却co2制冷系统的制冷剂，进而利用制冷系统为lco2储罐10中的co2制冷，既合理利用了氨燃料的低品位冷能，解决了氨燃料冷能浪费的问题，又能减少co2制冷系统的电力消耗；同时船舶在运输co2时船舶本身也不会排放co2，实现了船舶在全航段的“零碳”运输，本发明有很高的现实意义。
33.以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。