摘 要

随着全球石油需求量日益增加，国际排放公约的日趋严苛，寻求替代能源迫在眉睫，石油的副产品——轻烃燃气作为一种新型的补充能源，具有成本低、排放性好、热值高、能源储备丰富等优点。因此，轻烃燃料应用在发动机上具有重要意义。

本文主要做了如下研究工作：

（1）分析了轻烃燃料在国内外的应用与研究，然后又分别介绍了国内外对于轻烃的储存工艺和回收工艺，由于轻烃燃料具有易挥发的特性，会对储存系统和供给系统带来影响。因此对燃料的挥发性能进行了研究；根据船舶的结构布置，设计了“再液化”和“冷却 吸附”的储存系统方案，再液化是对挥发的轻烃燃料进行冷却，将其再液化回到燃料储罐中；冷却是降低燃料的温度，在根源上抑制轻烃燃料的挥发，吸附是运用活性物质对挥发气进行吸附储存，再脱附到发动机中燃烧。然后对两套方案进行了计算，再根据实验时设计的台架两套方案分别计算出换热器的换热面积等等，接着进行了对比，选择了“冷却 吸附”方案并对其结构进行了优化，在实验室内搭建了轻烃燃料冷却系统和轻烃燃料挥发气吸附系统，并进行了实验。

（2）根据实验发现，温度是影响轻烃燃料挥发的重要因素，设计的轻烃燃料温降冷却系统符合设计要求，但换热器一开始实验时出现些问题，导致燃料温度分布不均，经过调整后的主辅翅片管式最大换热系数能够达到199.9。

关键词：轻烃燃料；燃料储存；燃料回收；VOCs

Abstract

With the increasing global oil demand and the increasingly stringent international emission conventions, it is urgent to seek alternative energy sources. As a new type of supplementary energy, light hydrocarbon gas, a by-product of oil, has the advantages of low cost, good emission, high calorific value and abundant energy reserves. Therefore, the application of light hydrocarbon fuel in engines is of great significance.

This paper mainly does the following research work:

（1）The application and research of light hydrocarbon fuels at home and abroad are analyzed, and then the storage and recovery processes of light hydrocarbons at home and abroad are introduced respectively. Because of the volatile characteristics of light hydrocarbon fuels, the storage and supply systems will be affected. Therefore, the volatilization performance of fuel is studied; according to the structure layout of the ship, the storage system schemes of "re-liquefaction" and "cooling adsorption" are designed, and re-liquefaction is to cool the volatile light hydrocarbon fuel and liquefy it back into the fuel tank; cooling is to reduce the temperature of the fuel, inhibit the volatilization of light hydrocarbon fuel at the source, and adsorption is to use active substances to volatilize. The gas is stored by adsorption and desorbed into the engine for combustion. Then the two schemes are calculated, and then the heat exchange area of heat exchanger is calculated according to the two schemes designed in the experiment. Then the "cooling adsorption" scheme is selected and its structure is optimized. The light hydrocarbon fuel cooling system and the light hydrocarbon fuel volatile gas adsorption system are built in the laboratory, and the experiments are carried out

（2）Experiments show that temperature is an important factor affecting the volatilization of light hydrocarbon fuel. The designed cooling system of light hydrocarbon fuel meets the design requirements, but the unreasonable arrangement of spiral coil heat exchanger results in uneven and unsuitable fuel temperature distribution. It is suitable for the cooling of light hydrocarbon fuels. The maximum heat transfer coefficient of the optimized main and auxiliary fin tube is 199.9 .

Key words: light hydrocarbon fuel; fuel storage; fuel recovery; VOCs

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 轻烃燃料的国内外研究现状 2

1.2.1 轻烃燃料简介 2

1.2.2 轻烃燃料的储存研究 2

1.2.3 轻烃燃料的回收处理 3

1.3 换热设备的国内外研究现状 5

1.4 论文的结构及内容 5

1.4.1 研究目的 5

1.4.2 研究内容 5

1.4.3 技术路线 6

第2章 轻烃柴油混合燃料储存系统设计方案概述 7

2.1 轻烃挥发研究 7

2.2 系统原理与组成 7

2.2.1 第一套方案“再液化” 8

2.2.2 第二套方案冷却 吸附 9

2.3 本章小结 11

第3章 轻烃柴油混合燃料储存系统的设计计算 12

3.1 基本理论 12

3.2 再液化装置的相关计算 12

3.2.1 物性参数 13

3.2.2 换热器换热面积计算 14

3.3 冷却 吸附装置计算 16

3.3.1 冷却装置换热器换热面积计算 16

3.3.2 设计温度与设计压力 17

3.3.3 换热器结构初步设计 17

3.4 方案对比 18

3.5 本章小结 18

第4章 轻烃冷却性能实验 20

4.1 实验台架 20

4.1.1 测试系统简介 20

4.1.2 流体输送系统 21

4.1.3 制冷装置 22

4.2 冷却系统实验研究 22

4.2.1 螺旋盘管式换热器实验 22

4.2.2 主辅翅片管式换热器实验 23

4.2.3 实验结果及分析 24

4.3 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1 全文总结 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

本章首先对于应用轻烃燃料的背景与意义进行了介绍。其次分析了轻烃燃料的储存技术、回收技术和换热器的国内外发展现状。最后提出了本文的主要研究思路、研究对象和主要研究内容。

1.1 课题研究的背景和意义

21世纪以来，随着各个国家的经济发展，导致世界范围内石油资源过度开发，储存量也越来越少，能源面临危机。前段时间，英国某家企业对全球能源进行了统计，按照目前石油的消耗速度计算，世界范围内已知的石油资源仅能够维持40多年，而国内石油资源更加短缺，现在我国已知的石油储量仅仅能维持10年左右，对国际石油市场需求将会越来越大。而船舶行业更是耗油量巨大，每年共使用20亿燃油，同时化石燃料的大量使用，对环境带来了严重的污染。根据专家统计，船舶行业排放的二氧化碳量大约每年占全球二氧化碳的总排放量的6%，氮氧化物排放量和硫氧化物排放量分别占全球排放总量的30%和20%。根据国际公约规定：2015年后，船只在排放控制区域航行所使用的燃料含硫量不能超过0.1%，对于排放的限制越来越严格，保护环境和节约能源的口号也越来越响亮。

现在，我国正处于发展的重要时期，经济快速发展的同时，也面临着两个严重的问题：能源危机和环境污染，对我国的经济发展存在重大的阻碍。现在我国的城市存在着许多环境污染问题，针对存在的这些问题，国家环保部的重视程度越来越高，并对污染物排放的实施了严格的控制。为了实现我国的可持续发展和绿色经济，减轻我国对化石资源需求和供给之间的矛盾，避免可能会引发的国际冲突，研究绿色清洁燃料慢慢替代化石燃料对国家的经济发展是有重大意义的。

根据调查，轻烃燃料比较符合要求的清洁燃料，排放性好、热值高、储备丰富、安全、高效、节能、污染少等优点。为了减轻对石油资源的依赖，可以用轻烃燃料作为替代燃料。因此，我们对轻烃燃料在柴油机上的应用做了一系列研究^[1]。

通过对轻烃燃料的进一步研究，发现轻烃燃料是能够替代柴油的，而且与柴油相比，其动力性能和经济性能明显占优，在排放方面也有一定的优势。但是目前国内外对轻烃燃料的储存系统方面没有比较好的方案，通过设计一套完整的轻烃燃料储存系统，使轻烃燃料能够有效的储存在在船舶上，使轻烃燃料能够替代化石燃料运用于船舶发动机成为可能。

1.2 轻烃燃料的国内外研究现状

1.2.1 轻烃燃料简介

轻烃是烃类混合物中质量较轻的部分，分为气态轻烃和液态轻烃两类，应用的轻烃燃料主要为液态轻烃，该物质碳原子的含量介于LPG和汽油（C₇，C₁₂）之间的一段碳氢化合物，即C₅和C₆（戊烷，戊烯和己烷等），在室温下为液态^[2]。液态轻烃是石油化工产业的生产过程中产生的副产品，其化学分子式为C₅H₁₂（主要成分是正戊烷与异戊烷），目前国内稳定轻烃的物性参数如表1.1所示：

表1.1 国内稳定轻烃的物性参数

1.2.2 轻烃燃料的储存研究

对于轻烃燃料这种易挥发的物质，根据对国内外资料的研究，以其储存温度与压力的不同通常分为三种储存方式：(1)常温压力储存；(2)低温常压储存；(3)低温压力储存。

王梦舜提出了常温高压储存法和低温常压储存法。对这两种方法我们对其进行了对比，进而指出这两种储存法的适用范围。如表1.2所示

表1.2 储存方法对比

1.2.3 轻烃燃料的回收处理

根据研究发现，轻烃混合燃料容易挥发，挥发产生的油气不仅对环境有着严重的影响，而且还对人身健康有着危害。所以，非常有必要对挥发的油气进行回收。

根据国内外现有的挥发气回收处理技术，主要分为包括物理法和化学法等，下面阐述了这些技术的原理和特点，探讨了回收技术的发展趋势。

1.2.3.1 物理法

物理方法主要是根据轻烃燃料的物理性质做出的处理，主要分为四种方法，分别是吸收、吸附、冷凝和膜分离等，下面是各种方法的介绍。

1.吸收法

吸收法是在相应的温度和压力条件下，通过使用特定吸收剂对挥发的油气进行回收，因其工作条件不同，吸收法主要有常温常压吸收法和常压低温吸收法^[3]。

（1）常压常温吸收法

在常温常压下，通过运用相应的吸收剂与释放油蒸汽接触而吸收的方法^[4]。吸收过程是使蒸汽与吸收液（轻质柴油，尤其是有机溶剂等）上部对流接触，或使吸收液从垂直填充金属网顶部箱内喷雾，蒸汽通过液膜流动。这种方法主要要求吸收率高，压力损失小，无静电，吸收剂在喷雾部位没有气泡等^[5]。

（2）常压低温吸收法

这种吸收法是在常压低温下进行，将吸收液通过制冷装置降到低温，之后通过管路进入到吸收装置中作用，该吸收法受环境温度影响较大，通常需将吸收液控制冷在30℃左右，此时，吸收效率可以达到最高^[6]。所以，这种回收系统通常需要制冷装置，低温钢和热处理，投资和运行成本高。

2.吸附法

吸附方法通常是采用特定吸附剂来进行油气回收，故该种工艺对于吸附剂性质具有相应的要求，首先，采用的吸附剂性质应相对稳定，不应与油气分子产生化学反应生成其他物质；其次，吸附剂应具有选择吸附性，对油气中的烃类组分和其他气体具有不同的吸附亲和力。吸附剂通常采用硅胶、活性氧化铝和活性炭来分离油气中烃类物质和空气，实现对油气中烃类分子的回收利用。在实际应用中，由于吸附剂吸附法直接吸附，回收量大，吸附速度快，所以在利用吸附设备循环时，对解吸过程的监测与控制影响到整个过程的安全进行^[7]。

在工程使用中，吸附法受环境温度影响较为严重，适当的温度升高有利于吸附过程，吸附速度会随温度的升高而增大，但同时油气挥发的速度以及挥发量也会大大增加，故需要通过大量实验确定一个最佳的温度范围，使得回收的工作效率最高。目前，解吸法主要有以下两种：

（1）蒸汽解吸法:这种解吸法已经广泛使用，其工作条件通常要在常压下进行，需要蒸汽和冷却水，对设备的要求较低。

（2）真空解吸法:这种解吸法通常需要在真空下进行，对系统和阀门要求较高的密封性，使用的吸附剂通常为活性炭，利用其内部的孔径吸收油气，设备投资略高，使用也较为广泛。

3.冷凝法

冷凝法的基本原理是通过热交换和冷却介质，将压力和环境温度降到足够低，将大量的挥发油气冷凝成为液态后进行回收^[8]。但由于间接传热，冷却液的工作环境温度较低，用以保证较高的回收率。凝析油气回收装置的方法，一般采用预冷，机械制冷，液氮制冷等步骤实施，具有安全性好，油气回收率高，符合环保要求，设备齐全组装简单，安装和操作过程自动化简单，维修方便，投资回收期短等优点。该设备的成本比低温工艺多10-15％。由于设备工作时需要较低的环境温度，需要低温材料、隔热，以及除霜等环节，所以运行成本和投资成本相对较高^[9]。

4.膜分离法

膜分离法的设备资费成本较高，其工作原理是制作一种选择性透过的分离膜，将油气中烃类物质和空气分离开，从而实现油气回收，因为针对性较强，故回收效果极好，但分离膜的建立较为困难，所以该方法的使用还不够广泛。

1.2.3.2化学法

化学法是指蒸发产生的油气与催化剂发生化学反应变为二氧化碳和水对环境无危害的物质。焚烧、催化燃烧、臭氧氧化和等离子体处理都是挥发油气常用的化学处理方法^[10]。

1.燃烧法

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