基于卡琳娜循环的船舶余热利用

黄锦杰 吕俊兵 蒋兆明

摘  要：船舶柴油机的节能环保问题一直受到国内外的广泛关注，当前的焦点是船舶尾气的热量一直未得到有效利用。本文主要以船舶柴油机的废气余热回收利用为研究对象，比较了朗肯循环与卡琳娜循环回收废气余热的优缺点，提出基于卡琳娜循环的船舶余热用于主机脱硫的方案，并根据相应的实际案例，对方案进行分析验证，最后从结构、设备条件以及经济等方面分析了该方案的可行性。

关键词：船舶余热;卡琳娜循环;氨液;主机脱硫技术

0 引 言

随着贸易全球化的快速发展，船舶在运输行业上扮演着越来越重要的角色，但也给环境保护和资源节约等方面带来了诸多问题。船舶柴油机的节能环保问题受到了国际社会的广泛关注，再加上现阶段IMO提出了新的EEDI造船标准，为了响应国际海事组织所提出的“航行更安全、水域更清洁”的要求，国内外都在进一步扩大现代造船理念的外延与内涵，积极探索EEDI能效指数，为船舶管理模式和造船技术提供可靠性依据[1]，进一步提高了船舶主机能效要求。现阶段，在所有热机中热效率占比最高的船舶柴油机主机，其热效率也仅能达到一半，但该主机仍有大部分的燃料热量，通过尾气排烟、冷却水等形式排入环境中，这不但带来了能源的浪费，而且会造成严重的大气污染。随着技术不断进步，柴油机废气涡轮增压机的热效率得到了提高，所以存在船舶尾气中的余热，能够供往废气涡轮增压机，而且也存在大部分剩余。

国内外的废气余热回收利用的研究大多数基于提升船舶余热回收效率的新型技术手段，既是满足国际航运法律条文和规章制度的迫切需要，也符合当今世界节能减排的发展大趋势。国外诸多公司、机构致力于研究目前在船舶主机余热利用领域的技术路径和相关装置，旨在提高船舶的余热利用。例如：MAN公司、瓦錫兰（Wartsila）和日本三菱重工等柴油机及动力设施设备成套公司，都针对船舶柴油机开发相应的余热回收装置[2]。目前国内相关研究机构针对船舶柴油机余热回收也进行了大量研究。刘长铖[3]等针对 MANB&W公司的某型船用低速柴油机，自主设计余热综合回收利用系统，分析了环境温度和主机负荷对余热利用系统的影响。国内学者朱轶林[4]等研究一套朗肯循环系统，该系统是对船舶尾气余热进行回收利用，他们探讨了膨胀比以及蒸发温度对朗肯循环系统的影响因素，在六缸船舶柴油机上设计一套卡琳娜循环系统，研究表明可显著提高柴油机尾气利用率，同时降低燃油的消耗率。中船三井造船柴油机公司（上海），利用排气总管进行一部分能量的旁通，提高船舶尾气温度，进而提高排气热量的利用率。

本文就卡琳娜循环系统进行探究，在降低SO2排放和提高船舶尾气废热再利用等方面进行优化，能够直接、高效地对船舶废气热量再次利用，提高船舶营运效益，也能减少含硫物废气排放量，在一定程度上推动节能减排技术的创新。

1 船舶余热利用

1.1 船舶余热

船舶消耗燃料的设备主要有柴油机、柴油发电机、辅锅炉等设备。其中，柴油机消耗的能量仅占总输入能量的七到九成。在燃料燃烧过程中，气缸所释放出的全部能量，转换为机械功的热量在燃料产生的全部热量当中仅占了一小部分，其余都以废热的形式排出船舶，在一定程度上，就是能源消耗设备未能够完全利用的能源，即多余的、废弃的能源。据不完全统计，各型船舶余热资源占其燃料释放热能的二到六成不等，而在这些废热能源中，可被回收再利用的废热仅占废热总能的60%。

船舶航运业在总能源消耗中所占比重相对较大，燃料燃烧所释放的热量则分别通过主机排烟、机器设备的表面散热以及各冷却器的冷却介质等形式消耗。根据能量守恒定律，柴油机能量转换的数值范围如下：

（1）柴油机的热效率仅有28%～ 37%的热量转换为有效机械功;

（2）柴油机的排气温度约300℃～450℃，带走的热量约占燃料发热总量的30%～40%;

（3）柴油机的缸套冷却水温度约占60℃～85℃，带走的热量约占燃料发热总量的25%;

（4）柴油机的其他方面热量损耗约占2%～8%，常见有机械表面散热、摩擦损失热、辐射热等。

由以上数据可知，柴油机消耗燃油所产生的热量，有50%～60%是被主机排烟和其他冷却介质带走并扩散到环境中的。可见，船舶余热、废热等低品位热能有着非常广阔的利用空间。

1.2 余热利用

根据余热利用的原则，船上常见的利用途径如图1所示。传统船舶上最常见的船舶余热利用设备只有废气涡轮增压器、废气锅炉、辅助锅炉海水淡化装置等简单设备，少数大功率船舶配置有蒸汽涡轮发电机，这些设备只是利用了一部分的船舶余热，仍有大部分的低品位热能未被利用，而被海水带到外部环境当中。

船舶也可利用余热等低品位热能制冷脱硫，也是实现能源可持续利用的有效途径，现阶段利用余热制冷的技术有：吸收式制冷、喷射式制冷和吸附式制冷这三种主要形式。以余热为驱动力驱动相关设备进行制冷的技术。可用船舶尾气余热，给装有浓氨溶液的发生器进行加热，氨与一部分水会蒸发形成混合气体，混合气体再通过进一步的精馏，获得纯度较高的氨气，再把氨气通入冷凝器中进行冷凝，最后形成氨液。

近年来，氨液常用于主机废气的脱硫处理，该技术因其脱硫效率高、无二次再生污染、脱硫副产品利用价值高等优势而倍受关注。我国大部分造船厂对氨液脱硫技术工艺过程进行研究计划，在大型柴油机组上大力建设氨液脱硫示范工程，进一步完善和改进脱硫工艺，降低SO2排放量。

2 卡琳娜循环

2.1 卡琳娜循环概述

卡琳娜循环，是以氨液为工质的热动力循环的总称，是Alexander I. Kalina 在美国动力学学术交流会上第一次提出的。基于该工作过程中工质浓度的改变和工质相变的非等温过程，让整个循环过程与冷源、热源有较合适的热量转换匹配关系。自从卡琳娜循环提出后，动力学界专家学者，以卡琳娜循环和在卡琳娜循环基础上发展的用氨/水混合物为工质的热力动力学循环为研究对象，进行相关讨论和实验研究。由于氨/水溶液临界温度相对比较低，让卡琳娜循环系统可以适用于较低温的热源，如工业废热能、地热和电冷联产的热循环系统，也能适用于压燃式柴油发电机组底部循环系统中。

為了减少热力能源损失，提高资源的有效利用率，转用低沸点工质是利用低品味热源的重要途径。在国内，低品味热能利用方面，经过了长时间的研究，研发了双压式、三压式、补燃式、闪蒸式等余热的技术手段。卡琳娜循环的基本构思，是以氨/水混合液作为工质的动力循环，适用于低品味废热的热力循环系统，是一种节能减排的新型技术。

2.2 与朗肯循环的比较

卡琳娜循环和朗肯循环都是能够把热能转化为机械能的动力循环系统，在船舶余热利用方面得到了广泛的应用。其中，朗肯循环是以低沸点有机物为工作介质的热力循环系统，对于有机朗肯循环来说，循环工质的操作性能参数以及工质的选择是影响系统主要性能的重要因素，可以用纯净的有机物或混合物作为循环工质[5]。

朗肯循环模型包括预热器、蒸发器、冷凝器以及专用泵等，如图2所示，首先，有机循环介质用预热器加热，等达到泡点温度后，再流过蒸发器进行等温蒸发，汽化后直接进入透平进行膨胀做功，随着膨胀做工的持续，循环介质压力不断降低，再通过冷却水进行冷却液化直至完全液态，最后再进入专用泵，提高工作压力，完成整个循环过程。

卡琳娜循环包括分离器、蒸发器、冷凝器、低温回热器、高温回热器、透平和专用泵等，如图3所示，并用氨水混合物作为循环工质，氨水混合物循环工质在蒸发器中和烟气进行换热作用，然后进行进一步的蒸发，汽化后直接进入分离器进行分离，然后再用透平进行膨胀做功，循环工质在高温回热器中与回流氨水进行热量交换，接着用膨胀过后的气体，与热量交换后的液体相互混合，通往低温回热器，然后在回热器内与冷却后的介质换热，然后通过冷凝器把混合气体冷却成液态，最后通过专用泵回流形成一个完整的循环过程。

与朗肯循环相比，卡琳娜循环存在的缺点有：工艺流程相对复杂，因为相对于有机工质来说，在氨液全部蒸发之前，是以气态和液态这两种状态存在，可以说氨液的整个蒸发过程都是变温过程。在循环中利用闪蒸罐，来调整有机工质的工作浓度，降低回热循环过程的平均温度和透平的压力[6]，但是卡琳娜循环也有其优点：

（1）能够利用内部循环回热技术，把透平排气的部分余热，供应到分馏过程中所需的能量上，使得能量能够较好的进行循环利用，对于能量的节约以及工艺用热的提供有着重要的意义;

（2）在冷凝器中进行冷凝的过程，其用料含氨量相对较少，可减少混合工质在整个冷凝过程中的不可逆行为，能够满足在低压环境下工质完全冷凝的条件;

（3）在蒸发过程中，混合工质温度不断发生变化，也可减少混合工质在整个蒸发过程中的不可逆行为，能够降低热源的排气温度，提高热源回收再利用效率，改善整个循环性能。

3 实例验证分析

Jonsson等人[7-8]比较了传统蒸汽动力循环和卡琳娜循环在船舶尾气余热回收方面的效率，并进行了实验研究，得出卡琳娜循环系统的热效率比单级蒸汽动力循环提高了45%，比多级复压式蒸汽动力循环提高了25%，在经济性方面，对比卡琳娜循环系统和朗肯循环系统两个余热回收系统，研究表明在能量输出相同的情况下，卡琳娜循环系统比朗肯循环系统节约15%的费用，卡琳娜循环系统更具有经济性能。

船舶将卡琳娜循环系统应用于回收余热的过程中，氨水的浓度以及不稳定的热源带来了能量汇集复杂程度的增加，选用合适的研究方法和分析工具可以给学者理解系统的复杂工作过程带来便利，从而提高工作效率，还能提高循环系统的热效率。

Campos等[9]使用Aspen-HYSYS软件，在经济方面，分析比较卡琳娜循环和朗肯循环，通过计，得出了卡琳娜循环的最佳氨水浓度，在余热回收方面，卡琳娜循环系统比朗肯循环系统更胜一筹，对于普遍的船舶余热回收系统来说，采用卡琳娜动力循环系统能够回收50%的凝结作用热，在传统的船舶余热回收过程中，采用高热电转化率的卡琳娜动力循环系统，其经济前景比较广泛，该循环系统能够降低柴油机的能量损耗，并在诸多方面带来经济效益。

4 结 论

船舶的余热利用一直都是船舶行业在发展中的一个重要难题，基于卡琳娜循环系统的思考，本文提出在船舶上建立一个卡琳娜循环系统，让船舶的排气余热可以更好地被利用，从收集余热，再到使用余热，使得船舶余热的利用率能够得到高，使得我国的资源利用能够更加绿色，更加高效。相对于基于水蒸气的朗肯循环系统，混合工质中氨水的沸点相对较低，容易进行蒸发作用，再通过低温热源的进一步的加热，能够使氨水完全蒸发为气态，从而能够利用回收过程中废气余热;从工质上来说，卡琳娜循环以氨水为循环混合工质，余热在进行蒸发冷凝时，整个过程是变温的，表现出温度滑移现象，与纯工质相比，这种混合工质能够在换热过程中，更好地与热源变温特性曲线相匹配，能够降低热量交换过程的不可逆损失，提高船舶废气热能利用率。

卡琳娜循环是一种能够在低温热源回收方面性能较优越的新型热力循环方式。卡琳娜循环在蒸发过程中，循环工质能够进行等压变温蒸发，从而减少工质在吸热过程中的不可逆性;同时，因为工质的含氨量较低，在冷凝过程中能够克服朗肯循环中因采用低沸点有机物为工作介质所带来的冷凝损失量较大的问题。当船舶柴油机组以卡琳娜动力循环为运行方式时，对发生器中的浓氨溶液进行加热，与水同时蒸发形成混合气，再通过精馏，获得纯度较高的氨气，再对其进行冷凝，最后形成氨液，用于主机尾气的脱硫处理。采用卡琳娜循环不仅能够提高船舶废气余热的利用率，还能制成氨液，对主机进行脱硫处理等，带来了诸多方面的经济效益。

参考文献

[1] 黄锦杰，袁强，张宇航.基于EEDI能效指数条件下的船舶优化应用[J].机械工程师，2019（08）：44-47+50.

[2] Yoshihiro I，KeiichiS，Takayuki K，etal.Development of Super WasteheatRecovery System for Marine Diesel Engines[J].Mitsubishi Heavy Industries Technical Review，2011，48（1） ： 17-21.

[3] 刘长铖，李文辉，张文平，夏文，张子鉴，周耀锋.大型船用柴油机余热利用系统性能研究[J].浙江大学学报（工学版），2017，51（11）：2259-2264.

[4] 朱轶林，李惟毅，孙冠中，唐强，高静，曹春辉.船舶烟气余热驱动有机朗肯循环的系统性能分析[J].化工进展，2016，35（12）：3858-3865.

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[6] 王梦颖，冯霄，王彧斐.不同余热情况下有机朗肯循环和卡琳娜循环能量性能对比[J].化工学报，2016，67（12）：5089-5097.

[7] Jonsson M， Yan J. Exergy and pinch analysis of diesel engine bottoming cycles with ammonia-water mixtures as working fluid [J]. Thermophys， 2010， 3（2）：31-44.

[8] Jiangfeng Wang and Yiping Dai and Lin Gao. Exergy analyses and parametric optimizations for different cogeneration power plants in cement industry[J]. Applied Energy， 2008， 86（6） ： 941-948.

[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.

作者简介：

黄锦杰，本科，主要从事海事管理工作，（E-mail）1033857396@qq.com，18857062680

呂俊兵，本科，主要从事海事管理工作

蒋兆明，本科，主要从事海事管理工作