基于卡琳娜循環的船舶余熱利用

黃錦杰 呂俊兵 蔣兆明

摘? 要：船舶柴油機的節能環保問題一直受到國內外的廣泛關注，當前的焦點是船舶尾氣的熱量一直未得到有效利用。本文主要以船舶柴油機的廢氣余熱回收利用為研究對象，比較了朗肯循環與卡琳娜循環回收廢氣余熱的優缺點，提出基于卡琳娜循環的船舶余熱用于主機脫硫的方案，并根據相應的實際案例，對方案進行分析驗證，最后從結構、設備條件以及經濟等方面分析了該方案的可行性。

關鍵詞：船舶余熱;卡琳娜循環;氨液;主機脫硫技術

0 引 言

隨著貿易全球化的快速發展，船舶在運輸行業上扮演著越來越重要的角色，但也給環境保護和資源節約等方面帶來了諸多問題。船舶柴油機的節能環保問題受到了國際社會的廣泛關注，再加上現階段IMO提出了新的EEDI造船標準，為了響應國際海事組織所提出的“航行更安全、水域更清潔”的要求，國內外都在進一步擴大現代造船理念的外延與內涵，積極探索EEDI能效指數，為船舶管理模式和造船技術提供可靠性依據[1]，進一步提高了船舶主機能效要求?，F階段，在所有熱機中熱效率占比最高的船舶柴油機主機，其熱效率也僅能達到一半，但該主機仍有大部分的燃料熱量，通過尾氣排煙、冷卻水等形式排入環境中，這不但帶來了能源的浪費，而且會造成嚴重的大氣污染。隨著技術不斷進步，柴油機廢氣渦輪增壓機的熱效率得到了提高，所以存在船舶尾氣中的余熱，能夠供往廢氣渦輪增壓機，而且也存在大部分剩余。

國內外的廢氣余熱回收利用的研究大多數基于提升船舶余熱回收效率的新型技術手段，既是滿足國際航運法律條文和規章制度的迫切需要，也符合當今世界節能減排的發展大趨勢。國外諸多公司、機構致力于研究目前在船舶主機余熱利用領域的技術路徑和相關裝置，旨在提高船舶的余熱利用。例如：MAN公司、瓦錫蘭（Wartsila）和日本三菱重工等柴油機及動力設施設備成套公司，都針對船舶柴油機開發相應的余熱回收裝置[2]。目前國內相關研究機構針對船舶柴油機余熱回收也進行了大量研究。劉長鋮[3]等針對 MANB&W公司的某型船用低速柴油機，自主設計余熱綜合回收利用系統，分析了環境溫度和主機負荷對余熱利用系統的影響。國內學者朱軼林[4]等研究一套朗肯循環系統，該系統是對船舶尾氣余熱進行回收利用，他們探討了膨脹比以及蒸發溫度對朗肯循環系統的影響因素，在六缸船舶柴油機上設計一套卡琳娜循環系統，研究表明可顯著提高柴油機尾氣利用率，同時降低燃油的消耗率。中船三井造船柴油機公司（上海），利用排氣總管進行一部分能量的旁通，提高船舶尾氣溫度，進而提高排氣熱量的利用率。

本文就卡琳娜循環系統進行探究，在降低SO2排放和提高船舶尾氣廢熱再利用等方面進行優化，能夠直接、高效地對船舶廢氣熱量再次利用，提高船舶營運效益，也能減少含硫物廢氣排放量，在一定程度上推動節能減排技術的創新。

1 船舶余熱利用

1.1 船舶余熱

船舶消耗燃料的設備主要有柴油機、柴油發電機、輔鍋爐等設備。其中，柴油機消耗的能量僅占總輸入能量的七到九成。在燃料燃燒過程中，氣缸所釋放出的全部能量，轉換為機械功的熱量在燃料產生的全部熱量當中僅占了一小部分，其余都以廢熱的形式排出船舶，在一定程度上，就是能源消耗設備未能夠完全利用的能源，即多余的、廢棄的能源。據不完全統計，各型船舶余熱資源占其燃料釋放熱能的二到六成不等，而在這些廢熱能源中，可被回收再利用的廢熱僅占廢熱總能的60%。

船舶航運業在總能源消耗中所占比重相對較大，燃料燃燒所釋放的熱量則分別通過主機排煙、機器設備的表面散熱以及各冷卻器的冷卻介質等形式消耗。根據能量守恒定律，柴油機能量轉換的數值范圍如下：

（1）柴油機的熱效率僅有28%～ 37%的熱量轉換為有效機械功;

（2）柴油機的排氣溫度約300℃～450℃，帶走的熱量約占燃料發熱總量的30%～40%;

（3）柴油機的缸套冷卻水溫度約占60℃～85℃，帶走的熱量約占燃料發熱總量的25%;

（4）柴油機的其他方面熱量損耗約占2%～8%，常見有機械表面散熱、摩擦損失熱、輻射熱等。

由以上數據可知，柴油機消耗燃油所產生的熱量，有50%～60%是被主機排煙和其他冷卻介質帶走并擴散到環境中的?？梢?，船舶余熱、廢熱等低品位熱能有著非常廣闊的利用空間。

1.2 余熱利用

根據余熱利用的原則，船上常見的利用途徑如圖1所示。傳統船舶上最常見的船舶余熱利用設備只有廢氣渦輪增壓器、廢氣鍋爐、輔助鍋爐海水淡化裝置等簡單設備，少數大功率船舶配置有蒸汽渦輪發電機，這些設備只是利用了一部分的船舶余熱，仍有大部分的低品位熱能未被利用，而被海水帶到外部環境當中。

船舶也可利用余熱等低品位熱能制冷脫硫，也是實現能源可持續利用的有效途徑，現階段利用余熱制冷的技術有：吸收式制冷、噴射式制冷和吸附式制冷這三種主要形式。以余熱為驅動力驅動相關設備進行制冷的技術?？捎么拔矚庥酂?，給裝有濃氨溶液的發生器進行加熱，氨與一部分水會蒸發形成混合氣體，混合氣體再通過進一步的精餾，獲得純度較高的氨氣，再把氨氣通入冷凝器中進行冷凝，最后形成氨液。

近年來，氨液常用于主機廢氣的脫硫處理，該技術因其脫硫效率高、無二次再生污染、脫硫副產品利用價值高等優勢而倍受關注。我國大部分造船廠對氨液脫硫技術工藝過程進行研究計劃，在大型柴油機組上大力建設氨液脫硫示范工程，進一步完善和改進脫硫工藝，降低SO2排放量。

2 卡琳娜循環

2.1 卡琳娜循環概述

卡琳娜循環，是以氨液為工質的熱動力循環的總稱，是Alexander I. Kalina 在美國動力學學術交流會上第一次提出的?；谠摴ぷ鬟^程中工質濃度的改變和工質相變的非等溫過程，讓整個循環過程與冷源、熱源有較合適的熱量轉換匹配關系。自從卡琳娜循環提出后，動力學界專家學者，以卡琳娜循環和在卡琳娜循環基礎上發展的用氨/水混合物為工質的熱力動力學循環為研究對象，進行相關討論和實驗研究。由于氨/水溶液臨界溫度相對比較低，讓卡琳娜循環系統可以適用于較低溫的熱源，如工業廢熱能、地熱和電冷聯產的熱循環系統，也能適用于壓燃式柴油發電機組底部循環系統中。

為了減少熱力能源損失，提高資源的有效利用率，轉用低沸點工質是利用低品味熱源的重要途徑。在國內，低品味熱能利用方面，經過了長時間的研究，研發了雙壓式、三壓式、補燃式、閃蒸式等余熱的技術手段?？漳妊h的基本構思，是以氨/水混合液作為工質的動力循環，適用于低品味廢熱的熱力循環系統，是一種節能減排的新型技術。

2.2 與朗肯循環的比較

卡琳娜循環和朗肯循環都是能夠把熱能轉化為機械能的動力循環系統，在船舶余熱利用方面得到了廣泛的應用。其中，朗肯循環是以低沸點有機物為工作介質的熱力循環系統，對于有機朗肯循環來說，循環工質的操作性能參數以及工質的選擇是影響系統主要性能的重要因素，可以用純凈的有機物或混合物作為循環工質[5]。

朗肯循環模型包括預熱器、蒸發器、冷凝器以及專用泵等，如圖2所示，首先，有機循環介質用預熱器加熱，等達到泡點溫度后，再流過蒸發器進行等溫蒸發，汽化后直接進入透平進行膨脹做功，隨著膨脹做工的持續，循環介質壓力不斷降低，再通過冷卻水進行冷卻液化直至完全液態，最后再進入專用泵，提高工作壓力，完成整個循環過程。

卡琳娜循環包括分離器、蒸發器、冷凝器、低溫回熱器、高溫回熱器、透平和專用泵等，如圖3所示，并用氨水混合物作為循環工質，氨水混合物循環工質在蒸發器中和煙氣進行換熱作用，然后進行進一步的蒸發，汽化后直接進入分離器進行分離，然后再用透平進行膨脹做功，循環工質在高溫回熱器中與回流氨水進行熱量交換，接著用膨脹過后的氣體，與熱量交換后的液體相互混合，通往低溫回熱器，然后在回熱器內與冷卻后的介質換熱，然后通過冷凝器把混合氣體冷卻成液態，最后通過專用泵回流形成一個完整的循環過程。

與朗肯循環相比，卡琳娜循環存在的缺點有：工藝流程相對復雜，因為相對于有機工質來說，在氨液全部蒸發之前，是以氣態和液態這兩種狀態存在，可以說氨液的整個蒸發過程都是變溫過程。在循環中利用閃蒸罐，來調整有機工質的工作濃度，降低回熱循環過程的平均溫度和透平的壓力[6]，但是卡琳娜循環也有其優點：

（1）能夠利用內部循環回熱技術，把透平排氣的部分余熱，供應到分餾過程中所需的能量上，使得能量能夠較好的進行循環利用，對于能量的節約以及工藝用熱的提供有著重要的意義;

（2）在冷凝器中進行冷凝的過程，其用料含氨量相對較少，可減少混合工質在整個冷凝過程中的不可逆行為，能夠滿足在低壓環境下工質完全冷凝的條件;

（3）在蒸發過程中，混合工質溫度不斷發生變化，也可減少混合工質在整個蒸發過程中的不可逆行為，能夠降低熱源的排氣溫度，提高熱源回收再利用效率，改善整個循環性能。

3 實例驗證分析

Jonsson等人[7-8]比較了傳統蒸汽動力循環和卡琳娜循環在船舶尾氣余熱回收方面的效率，并進行了實驗研究，得出卡琳娜循環系統的熱效率比單級蒸汽動力循環提高了45%，比多級復壓式蒸汽動力循環提高了25%，在經濟性方面，對比卡琳娜循環系統和朗肯循環系統兩個余熱回收系統，研究表明在能量輸出相同的情況下，卡琳娜循環系統比朗肯循環系統節約15%的費用，卡琳娜循環系統更具有經濟性能。

船舶將卡琳娜循環系統應用于回收余熱的過程中，氨水的濃度以及不穩定的熱源帶來了能量匯集復雜程度的增加，選用合適的研究方法和分析工具可以給學者理解系統的復雜工作過程帶來便利，從而提高工作效率，還能提高循環系統的熱效率。

Campos等[9]使用Aspen-HYSYS軟件，在經濟方面，分析比較卡琳娜循環和朗肯循環，通過計，得出了卡琳娜循環的最佳氨水濃度，在余熱回收方面，卡琳娜循環系統比朗肯循環系統更勝一籌，對于普遍的船舶余熱回收系統來說，采用卡琳娜動力循環系統能夠回收50%的凝結作用熱，在傳統的船舶余熱回收過程中，采用高熱電轉化率的卡琳娜動力循環系統，其經濟前景比較廣泛，該循環系統能夠降低柴油機的能量損耗，并在諸多方面帶來經濟效益。

4 結 論

船舶的余熱利用一直都是船舶行業在發展中的一個重要難題，基于卡琳娜循環系統的思考，本文提出在船舶上建立一個卡琳娜循環系統，讓船舶的排氣余熱可以更好地被利用，從收集余熱，再到使用余熱，使得船舶余熱的利用率能夠得到高，使得我國的資源利用能夠更加綠色，更加高效。相對于基于水蒸氣的朗肯循環系統，混合工質中氨水的沸點相對較低，容易進行蒸發作用，再通過低溫熱源的進一步的加熱，能夠使氨水完全蒸發為氣態，從而能夠利用回收過程中廢氣余熱;從工質上來說，卡琳娜循環以氨水為循環混合工質，余熱在進行蒸發冷凝時，整個過程是變溫的，表現出溫度滑移現象，與純工質相比，這種混合工質能夠在換熱過程中，更好地與熱源變溫特性曲線相匹配，能夠降低熱量交換過程的不可逆損失，提高船舶廢氣熱能利用率。

卡琳娜循環是一種能夠在低溫熱源回收方面性能較優越的新型熱力循環方式?？漳妊h在蒸發過程中，循環工質能夠進行等壓變溫蒸發，從而減少工質在吸熱過程中的不可逆性;同時，因為工質的含氨量較低，在冷凝過程中能夠克服朗肯循環中因采用低沸點有機物為工作介質所帶來的冷凝損失量較大的問題。當船舶柴油機組以卡琳娜動力循環為運行方式時，對發生器中的濃氨溶液進行加熱，與水同時蒸發形成混合氣，再通過精餾，獲得純度較高的氨氣，再對其進行冷凝，最后形成氨液，用于主機尾氣的脫硫處理。采用卡琳娜循環不僅能夠提高船舶廢氣余熱的利用率，還能制成氨液，對主機進行脫硫處理等，帶來了諸多方面的經濟效益。

參考文獻

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[9] CAMPOSRCE，ESCOBARPJC，VENTURINIOJ，etal. Exergetic and economic comparison of ORC and Kalina cycle for low temperature enhanced geothermal system in Brazil[J].Applied Thermal engineering，2013，52（1）：109-119.

作者簡介：

黃錦杰，本科，主要從事海事管理工作，（E-mail）1033857396@qq.com，18857062680

呂俊兵，本科，主要從事海事管理工作

蔣兆明，本科，主要從事海事管理工作