二氧化碳储罐内部冷凝结构的设计

王雪菲，祝新宇，陆江峰，朱国忠，顾枫

二氧化碳储罐内部冷凝结构的设计

王雪菲1，祝新宇2，陆江峰1，朱国忠1，顾枫1

（1. 张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏 张家港 215632； 2. 中集安瑞科能源装备（苏州）有限公司，江苏 苏州 215000）

二氧化碳作为一种重要的能源气体，也是引起温室效应的主要因素，对于它的减排和有效的利用成为一个值得探讨的命题。二氧化碳在储运时遇到难以稳定其压力和温度的问题，会造成安全阀的频繁起跳，或者过度压降后形成干冰，对储罐性能造成损伤。通过在储罐内设置一个冷凝装置，使得二氧化碳气体在储罐内部进行热交换，通过降温来稳定罐内温度和压力，从而避免二氧化碳气体压力的突然上升后直接排放造成的资源浪费和环境危害。

二氧化碳；冷凝装置；制冷；储运

二氧化碳作为一种重要的工业气体，广泛地被应用于焊接、化工、食品加工、对新鲜肉类和蔬菜的冷却冷冻包装等各个领域中。2019年液态二氧化碳仅在食品领域的消耗量就达到了100多万吨，随着需求量的日益增加，二氧化碳的储存、运输和利用成为当下一个热门的话题。

1 二氧化碳的储运

1.1 二氧化碳的性质

在常温下二氧化碳的状态是无色无味的气体，也是引起温室效应、导致全球变暖的“罪魁祸首”。对二氧化碳气体的减排和有效的利用是解决这一问题的有效手段。为方便对其进行存储和运输，一般将气态的二氧化碳转换为液态，转换办法主要有低温液化和高压液化。目前对于二氧化碳的储存和运输一般采用单层储罐的高压储存运输或者双层储罐的低温储存运输。单层储罐的充装和储运效率低，操作繁琐，容易对环境造成污染，为了便于二氧化碳的储存和运输，常常采用双层储罐的低温储运。

1.2 二氧化碳储存时的状态

低温液体储罐是用于储存液态二氧化碳的压力容器，在使用时，当储罐内部压力超过其设定压力时，需要通过手动排放阀进行泄压，或通过安全阀自动泄压以达到降压的效果，但是手动排放也会导致过分泄压的状况出现。如果储罐内的压力在短时间内快速的下降，当下降到一定值的时候，储罐内部的二氧化碳就会转换为固体，也就是我们俗称的干冰，进而对储罐造成损伤。二氧化碳的频繁超压排放不利于二氧化碳的储存，不仅会造成资源的浪费，而且对环境也会造成一定的危害。

2 冷凝装置的结构

2.1 冷凝装置的构造及效用

根据以上描述，为解决二氧化碳低温储罐安全阀泄放装置及手动泄放阀无法稳定降压，降压速率无法精准控制的问题，以及造成热带地区二氧化碳储罐内部的压力升高过快，气体严重浪费的问题，保证储罐内部二氧化碳维持在一个较为稳定的状态下，在储罐内部加装冷凝装置，该冷凝装置由制冷输入管、制冷输出管、冷凝盘管构成，制冷输入管由外底封头入，通过内容器与外壳的夹层到达内顶封头，在内顶封头上开孔，用双面接头将制冷输入管和冷凝盘管连接，冷凝盘管的另一端用双面接头与制冷输出管连接，形成一个内在的制冷机构。冷凝盘管呈盘旋状悬挂于内容器的气相空间，并用角钢进行固定。在制冷输入管内通入具有深冷特性的液氮作为冷媒，液氮通过冷凝盘管在罐内循环，与罐内的二氧化碳进行热交换，将产生的二氧化碳气体直接冷凝，从而避免二氧化碳气体超压后直接排放造成的浪费和危害。在现场使用时，可根据储罐内二氧化碳的量计算稳定到某一压力或某一温度所需用的液氮的量，对液氮进行循环使用，经济且高效。以上所述结构的部件均采用该奥氏体不锈钢制作，完全可以承受-40 ℃的低温，压力等级均满足低温气源和储罐压力的要求。该装置结构简单，制作难度低，经济且高效。

2.2 冷凝盘管的结构

将冷凝盘管用角钢可靠地固定在内顶封头的气相空间，利用螺旋形式对管线进行盘踞，结构紧凑，制冷的效率高，且这种结构制作简单，避免了采用弯头产生焊缝接头的缺点。由于二氧化碳储罐的充装率≤95%，气相空间有限，采用螺旋式盘管可有效地节省空间，并将制冷介质与储罐内部的换热面积最大化。当将液氮充入盘管内，液氮的流向随着盘管的走向不断地改变，液氮在离心力的作用下，会在垂直于轴向主流方向的截面上产生二次环流，增强了流体的混合，从而增强了制冷效果

2.3 冷凝装置操作流程

连通液氮供源，打开制冷输入阀和液氮输出阀，液氮进入到冷凝盘管内，完成与罐内二氧化碳介质的热交换，再通过制冷输出罐排出，以此循环使用，达到压力与温度稳定的效果。

3 冷凝装置的其他效用

二氧化碳储罐在发货前一般是打压至0.03~0.06 MPa进行微正压运输。首充前须对储罐进行预冷，这样做不仅可以检测二氧化碳储罐和管道在低温状态下的性能，同时也可以对低温阀门的密封性能等进行检验。预冷的同时降低罐内温度，避免充装时压力过高，导致安全阀的起跳。对于装有冷凝装置的储罐，则只需要在冷凝管内充装一定量的液氮，即可完成预冷，省去了现场单独对储罐进行预冷的程序，避免了充装时压力过高造成气体浪费的问题。

4 结束语

目前国内有部分结构是将二氧化碳排放口接入一个外部冷凝装置，在外部冷凝后充入罐内，也就是需要在外部完成二氧化碳的二次冷凝，相对繁琐，造价也较高。采用此种结构即可在储罐内部完成换热降温，避免了外部二次冷凝工序，且成本低，结构简单，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，江苏省苏州市人，中级工程师， 2012年毕业于兰州理工大学技术工程学院过程装备与控制工程专业，研究方向：压力容器。

TU279.7+43

A

1004-0935（2020）12-1508-02