摘 要

针对我国船舶大气污染控制以及港口污染的迫切局势，和对海洋污染物的控制，以及国际石油资源的不足，轻烃燃料成为研究热点，但因轻烃燃料本身易挥发的特性，对安全存在一定的危害。本文通过对轻烃燃料及轻烃燃料挥发气、挥发气吸附装置的性能进行分析，找出其不足之处，通过碳罐实验进行验证，本文的研究目的主要就是为了进一步防止油气溢出，增强燃油供给系统的安全性，提高运行的安全系数，并在并在一定程度上提高了燃料的利用率。本文借助了汽车领域等对于碳罐的优化方式，就挥发气吸附置优化问题提出了对炭罐的优化的想法。

本文的研究工作主要有下通过搜集关于轻烃燃料的物化特性以及轻烃燃料船舶发动机的应用现状的资料，并进行阅览。进一步了解轻烃燃料发动机在船舶上应用的优越性以及现阶段轻烃燃料船舶发动机燃料的储存与供给方面所面临的难题；设计轻烃燃料船舶发动机挥发气回收利用系统完成轻烃燃料船舶发动机挥发气回收利用系统的设计图纸。

关键词：轻烃燃料 燃料供给系统 挥发气吸附装置 炭罐

Abstract

In view of the urgent situation of air pollution prevention and control in China's ports and ships, the control of Marine pollutants and the shortage of international petroleum resources, light hydrocarbon fuel has become a research hotspot. This paper analyzes the performance of volatile gas and volatile gas adsorption device of light hydrocarbon fuel and light hydrocarbon fuel, finds out its shortcomings, and verifies through carbon tank experiment. The main purpose of this paper is to further prevent oil and gas overflow, enhance the safety of fuel supply system, improve the safety factor of operation, and to a certain extent improve the utilization rate of fuel. In this paper, with the help of the carbon tank optimization methods in the automotive field, the idea of the optimization of volatile gas adsorption and placement was put forward, and illustrated by experiments.

The main research work of this paper are as follows，Through collecting and reading the information about the physical and chemical characteristics of light hydrocarbon fuel and the application status of light hydrocarbon fuel marine engine. To further understand the advantages of light hydrocarbon fuel engine in ship applications and the difficulties faced by the storage and supply of light hydrocarbon fuel for ship engines at this stage.Designing the volatile gas recovery and utilization system of light hydrocarbon fuel marine engine to complete the design drawings of the volatile gas recovery and utilization system of light hydrocarbon fuel marine engine.

Key Words：Light hydrocarbon fuel；fuel supply system；volatile gas adsorption unit ；charcoal tank.

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1环境危机 1

1.1.2轻烃燃料简介 1

1.2研究目的及意义 2

1.3国内外研究现状 2

1.3.1国外研究现状 2

1.3.2国内研究现状 3

1.4研究目标与内容 4

1.4.1研究目标 4

1.4.2研究内容 4

第二章 轻烃燃料挥发性气体及其吸附装置 5

2.1轻烃燃料挥发气 5

2.1.1挥发气的简介 5

2.1.2挥发气的安全危害 5

2.2轻烃燃料挥发气吸附装置 5

2.2.1燃油供给系统简介 5

2.2.2炭罐简介 5

2.2.3炭罐工作机理 5

2.2.4现有研究概况 6

2.2.5研究不足之处 6

第三章挥发气吸附装置方案设计 7

3.1吸附装置方案设计 7

3.1.1回收系统技术方案 7

3.1.2实验台架 8

第四章挥发气吸附装置实验 9

4.1挥发气吸附装置优化实验（一） 9

4.1.1实验数据统计与分析 10

4.2挥发气吸附装置优化实验（二）、（三） 11

4.2.1实验数据统计与分析 11

4.3本章小结 17

第五章挥发气吸附装置设计 18

5.1活性炭种类选择 18

5.2炭罐的结构设计与计算 18

5.2.1炭罐的相关计算 18

5.2.2炭罐长径比计算 20

5.2.3油气进口、出口管径 20

5.3 碳罐结构图纸 22

5.4本章小结 26

第六章 总结与展望 27

6.1总结 27

6.2展望 27

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1环境危机

中国作为一个内河及海上航运资源非常丰富的大国，我国海上航运业发展迅速，船舶已成为货物运输的主要方式，有85%的货物是通过海上运输的。据统计截至2017年末，我国拥有超过14.94万艘车运输船舶，货物吞吐量达到了140.07万吨，人数吞吐量达到了1.49亿人。吞吐量全世界前十大港口，我国拥有其中的七个，并且我国港口的吞吐量约为全球港口吞吐量的四分之一。繁华的航运业带来了巨大的经济利益的同时，也造成了严重的环境问题。

其中因船舶的污染排放受影响最严重的就是港口城市其次是河道沿岸的城市。以香港和上海市为例，根据香港环境监测中心的数据来看，2016年船舶产生的二氧化硫占全市排放量的49%，氮氧化物排放占比37%，PM2.5占比38%，PM10占比44%。上海市2015年数据显示，船舶排放的氧化硫，氮氧化合物，分别占当地的25.7%、29.4%。

随着全球石油资源的减少等情况，造成的油价飞涨现象以及我国环境污染的紧迫形势，我国对船舶的排放提出了更高的要求。

1.1.2轻烃燃料简介

所谓烃就是把碳（C）、氢（H）两个元素以不一样的比例混合而产生的^[10]。而这其中其中较轻的部分，大家通常称为轻烃。轻烃按照常温常压下状态的不同分为气态轻烃和液态轻烃。气态轻烃顾名思义，其在常温常压下呈现为气态。例如：天然气，其主要成份为甲烷；液化石油气，其主要成份为丙烷和丁烷。的烃因其在常温常压状态下是液态，所以就称之为液态轻烃。轻烃作为化石燃料开采和加工的副物质，其燃烧特性优异，并且不含苯、甲醇等物质，因此可以作为替代燃料进行使用，而且轻烃燃料的来源多种多样，主要来自油田、天然气净化厂等工作过程中的伴生气凝析液和炼油厂、石油化工厂等的副产品。

轻烃燃料作为一种绿色且便宜的新型液体燃料。因为其本身的优点，目前已在我国多个省市推广应用，主要应用于人们的日常生活，并取得了相当不错的效果。让轻烃燃料逐渐被人们接受。因此轻烃必将会快速发展。轻烃作为绿色燃料可替代燃料，在汽车领域已有不错的发展，但在船舶领域却几乎一片空白，而且使用轻烃燃料也符合我国可持续发展的国策。

但是，轻烃燃料同时也有它的缺点，由于轻烃的主要成分为戊烷，戊烷的闪点为-40℃，临界温度为196.6℃，沸点为36.1℃，爆炸极限为1.7~9.8。由于轻烃是低闪点的易燃液体燃料，一旦泄露后容易向四周扩展分散，并且如果遇到火源，就容易发生严重的火灾事故。轻烃达到一定温度后就会蒸发，而蒸发的气体一旦与空气混合会有爆炸的危险。而且轻烃燃料蒸发的气体比空气重，会从较低处扩展分散到很远的地方，达到爆炸极限遇火源就会发生爆炸，严重危害人身安全。所以轻烃燃料是一种有利也有弊的燃料，但其弊端可以通过合理的方法进行消除。

1.2研究目的及意义

本文的研究主要就是为了进一步防止油气溢出，增强燃油系统的安全性，提高安全系数，展示轻烃燃料在船舶上的优越性和良好使用前景，证明轻烃燃料是可以成为船舶的替代燃料，为航运业带来一次能源的进步。并在一定程度上提高燃料利用率，起到了节约资源，保护环境的作用。

1.3国内外研究现状

国内外的轻烃回收新技术有:轻油回流、变压吸附技术(PSA)、膜分离、直接换热(DHX)技术、涡流管等。所有新的技术都是为了能进一步的节约能源，降低损耗和提高轻烃回收率两个方面。这同时也为未来轻烃回收技术的发展指明了方向。

1.3.1国外研究现状

碳罐及活性炭方面

国外碳罐的发展历史可以追溯到二十世纪七十年代，1970左右美国加州通过立规定汽车必须安装活性炭罐，用来防止油箱中的汽油蒸汽挥发到大气中去造成污染，并且在那时的活性炭是用煤炭做成的，工作时有效的容量比较低。汽车燃油蒸发排放测试模式采用的是收集法。直到1980年左右，汽车燃油蒸发排放测试方式开始采用密闭式测量法。2000年后，排放限值变得更是严格。

涡流管技术

20世纪30年代，一些外国的科学家对涡流管技术展开了研究,但一直到80年代，才用于回收天然气中的轻烃。涡流管具备有结构紧凑、体积小、重量轻、制造成本低、无需运动部件、不用吸收(附)剂、无需按期检修、安全牢靠、便于调整和C 3收率高等优点。

膜分离技术

最近国外膜分离技术在气体分离方面取得了比较大的发展。所用的膜按材质可以分为多孔质膜和非多孔质膜,它们拥有截然不同的工作机制。多孔质膜分离是依据不同种气体的渗透速度的不同的原理从而达到分离目的;而非多孔质膜分离利用的是溶解扩散原理达到分离的目的。气体渗透过程可以分为三个过程:第一个过程是气体分子溶解于膜表面;第二个过程是溶解的气体分子在膜内的扩散以及移动;第三个过程是气体分子从膜的另一侧的解吸。目前非多孔质膜比多孔质膜更多的应用于轻烃回收中。气体分离膜技术将会成为21世纪基础技术产业之一。

DHX(直接换热)工艺

加拿大埃索资源公司(Esso Resources Canada Ltd.)在1984年首先提出了DHX技术并在Judy Greek装置上实践，并且完善的新技术。采用DHX工艺,在相同条件下可以使C3的收率由72%增大到95%。其实该技术的本质实际就是是让脱乙烷塔回流罐的液烃经过换热，节流并且降温后进入DHX塔。提供充足大的制冷量是该技术的重点。利用DHX工艺可以对现有的膨胀制冷工艺进行改造,优点是改造容易且投资较低。

轻烃燃料方面

国外主要时将轻烃燃料用于人们的日常供暖方面，就像国内的供暖系统一样，只不过国内烧的是煤炭等，而国外使用的是轻烃。轻烃燃烧所释放的热量相较更高，且燃烧后产物为二氧化碳和水，几乎不会产生废气排放污染

1.3.2国内研究现状

我国碳罐的起步相比国外较晚，并且与国外有一定的差距。20世纪90年代我国的切诺基汽车开始装国外进口的汽车炭罐。直到1995年开始装国产炭罐。但如今随着技术的进步，现在所有中国生产的汽油车都要安装炭罐。我国第一个燃油蒸发排放法规于1995年制定，等同欧Ⅰ标准即汽车燃油蒸发排放测试方式采用收集法，现在普遍采用欧Ⅱ标准，并且正在向欧Ⅲ过渡。两标准的汽车燃油蒸发排放测试方式皆为密闭室HC浓度测量法，只不过两标准的加热方法是不同的。

轻油回流

该技术由于是利用油的吸收作用。方法是通过增加1台轻油回流泵，把液化气塔后的一部分的轻油使其返回到蒸发器的前面,从而来增大液化率。尽管通过这种方法制冷系统的冷负荷变大了,但是所需的能耗比提高分离压力变小了,并且对外冷法工艺也是一种简单有效的方法。研究探讨表明,轻油回流应主要用于外冷浅冷工艺,并且在较低压力下产生的经济效益比在较高压力下产生的经济效益要好的多^[2]。

变压吸附（PSA）技术

PSA（Pressure Swing Adsorption）技术是60年代发展起来的一种气体分离技术,1960年skarstrom提出PSA专利。并且在70年代实现了工业化生产。在国内对该项技术起步较早，但发展较慢，直到90年代才逐渐被国人认可，在此之前传统工业采用的是深冷法。

90年代西南化工研究院建立了一套完整的天然气处理量为3.36×104m3/d的PSA—C 3装置,可使天然气中C 3lt;0.1%,其所消耗的资金等相比较深冷法少得多。而且PSA技术拥有绿色无污染、无设施腐蚀、工艺简单、吸附剂寿命长、操作弹性大、起动容易、自动化水平高和节能降耗明显等特点^[10]。

活性炭及碳罐方面

从收集的资料来看，我国前使用的活性炭大多数都是木基炭和煤基炭。我国在活性炭方面的研究较浅薄，缺少在该方面的自主知识产权。并且我国国产的活性炭质量较差，难以达到国家的排放标准规定，这也导致我国的碳罐市场被外国公司所垄断。

轻烃燃料方面

国内现已经把轻烃燃料应用于汽车领域，打造新能源汽车，在保护环境，节约资源方面已经取得了较大的成功，但是轻烃燃料至今没有在船舶上成功的应用。因此轻烃燃料在航运业应用存在很大的机遇。我国北方地区，如济南等地方为改善地区环境污染雾霾现象，近几年开始用轻烃燃料应用于冬季的供暖，目前来看在治理污染方面已经取得的良好的成效。

1.4研究目标与内容

1.4.1研究目标

对现有轻烃燃料吸附装置及碳罐进行优化，设计轻烃燃料船舶发动机挥发气回收利用系统，提高燃油供给系统的安全性，保障运行安全。

1.4.2研究内容

针对轻烃柴油混合燃料船舶发动机挥发气吸附装置即炭罐。首先，对碳罐的工作机理，吸、脱附原理及过程进行研究，进行性能试验，找到炭罐的不足之处。然后通过收集轻烃回收技术方面、油气回收方面、影响活性炭因素方面以及国内外碳罐的资料。了解并借鉴汽车以及摩托车炭罐的优化方式和方法，提出对于炭罐优化的个人想法，并进行实验。对活性炭种类的选择等进行研究，并计算炭罐容积，长径比等数据。设计挥发气吸附装置利用系统，画出图纸。

第二章 轻烃燃料挥发性气体及其吸附装置

2.1轻烃燃料挥发气

2.1.1挥发气的简介

由于汽油挥发而排放进入大气的烃类主要有烷烃和芳烃。因为汽油的挥发性较强，闪点低的特点。因此在空气中只需遇到很小的火花就会燃烧。如果汽油蒸汽一旦与空气混合，并且其浓度到达爆炸极限范围时，如果一旦遇到火源，就会产生爆炸危险。

2.1.2挥发气的安全危害

挥发气泄露有巨大的危害,易聚集在储罐顶部,不但会造成人员伤亡事故、火灾危险,而且会造成环境污染,并且浪费了大量能源。轻烃燃料挥发气是神经系统麻痹性毒物中的一种。轻度中毒时，会产生跟醉酒一样的症状，如头又晕又痛，感到恶心并且全身无力，容易会呕吐且走路步态不稳，看不清楚，精神恍惚，并可能引起自身疾病的发作。重度中毒时，会引发心脑血管疾病，必须立刻送往医院接受治疗。如不小心将挥发气吸入肺部，则可能会引发吸入性肺炎。对健康形成危害，特别是儿童，容易影响他们的智力发育，造成不可预料的后果。所以挥发长气吸入对身体健康是有害的。

2.2轻烃燃料挥发气吸附装置

2.2.1燃油供给系统简介

燃油供给系统是由油箱、油泵、喷油器、压力调节器、进排气管道等组成。它可以根据发动机的工况，配制出适合当前工况的混合燃气，混合燃气进入气缸被压缩点燃，燃烧膨胀做工，并将最后产生的废气排出。

2.2.2炭罐简介

碳罐的位置一般都是在在汽油箱和发动机中间^[15]。因为汽油是一种易挥发的液体，燃油箱中常常充溢了汽油蒸气在常温下，燃料蒸发排放控制系统的作用是将蒸气引入燃烧室燃烧并防止其挥发到大气中造成危险。在这个过程中最重要的就是活性碳罐储存装置

活性碳罐是指装有活性碳的罐子。当引擎关掉时，用来吸附由油箱及化油器所逸出的汽油蒸气，而当发动机起动时，再把其吸附的挥发气吹出返回燃烧室燃烧。碳罐对于船舶控制废气污染排放具有重要意义。

其主要部件包括：吸、脱附口、滤网、罐体、挡板、底盖、活性炭、通气口等。

2.2.3炭罐工作机理

图2.1碳罐工作原理图

炭罐是控制燃油蒸发、排放的关键部件，在炭罐工作运行过程主要包含吸附及脱附两个过程。吸附是借助在碳罐内的活性炭的吸附作用，把从燃油箱中溢出来的汽油挥发气吸附在炭罐内部，脱附是在真空负压的情况下，让炭罐吸附的挥发气脱离炭罐，脱附出来的挥发气会通过发动机进气口从而进入燃烧室并燃烧，最后炭罐中的活性炭复原对挥发气的吸附能力。

2.2.4现有研究概况

国外内研究者对炭罐性能改进提出了相当有参考价值的方法。

(1)活性炭本身的高质量性能是提高炭罐性能的关键要素^[6]。

(2)扩大炭罐吸附口的直径大小、缩小炭罐通大气口的直径大小，可以够增强炭罐运转能力，并且可以降低整车的蒸发排放。

(3)炭罐的结构尺寸是影响炭罐性能的重要因素，合理的设计可以有效提高炭罐的工作能力，而且可以减少整车蒸发排放^[7]。

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