0 引　言

为应对全球气温上升和极端天气频发，2023年7月，IMO通过了《船舶温室气体（GHG）减排战略》，加大了对航运界碳减排的要求，目标调整为在2050年实现净零排放。几乎同时欧盟也制定了《海上运输中使用可再生和低碳燃料（Fuel Maritime）》法案，该法案适用于往来欧盟港口的5000吨位以上的船舶，并明确到2050年的碳减排对比2020年要减少80%。欧盟碳排放交易体系（EU ETS）规定，从2024年1月起，往来欧洲港口的船舶开始支付碳排放税，2024−2026年3年过渡期支付百分比分别为40%、70%和100%。

航运企业面临要么交碳税要么减少碳排放的抉择，目前减少碳排放有2种主流方式，一是使用替代低碳燃料，二是使用碳捕捉技术^[1]。替代低碳燃料已经在大型船舶的主机上广泛使用，目前主要有LPG（液化石油气）、LNG（液化天然气）、甲醇和氨等^[2–3]。其中在超大型液化石油气运输船（VLGC）上，本身运输的就是LPG，因此使用LPG作为燃料具有便利性。LPG液货舱和燃料罐可采用全冷、全压或半冷半压3种方式设计，存储设计温度范围为−54～40℃。德国曼恩发动机（MAN B&W）公司是主流的LPG发动机厂家，其LPG发动机燃料的供给和回流时要求都是液态进气缸，采用狄赛尔循环和缸内直喷燃烧模式，其燃料需求压力和温度都较高，因此LPG从燃料罐出来后一般需要加压加热后再供给主机，而回流后的部分燃料温度进一步升高因而需要进行冷却后才能再利用。基于此，一般LPG燃料系统在设计上需要外界提供额外热能和冷能。

现有的碳捕集技术，主要有燃烧前捕捉、燃烧后捕捉和富氧燃烧3种，目前船舶上运用的碳捕捉形式主要是燃烧后捕捉。船舶主机燃烧后尾气中的CO₂体积分数一般为4%～6%，针对这个浓度采用较成熟可行的化学醇胺溶液吸收法，目前捕捉率高达90%。即在吸收塔里通过较冷的醇胺贫液吸收CO₂形成富液，再通过在解吸塔里加热富液来释放出高纯度CO₂，然后收集存储，该过程中的贫液吸收和对富液解吸都需要额外的冷却源和加热源予以支持。

使用LPG燃料相对传统船用燃料其碳排放减少约为15%，与零排放的目标差距较大，而使用LPG燃料结合碳捕捉技术可大幅减少碳排放^[4–6]。两者在船上结合使用具有一定的优越性和初步可操作性，为进一步验证2个系统的耦合性，将就其系统详细原理、冷能和热能的相互利用等进行具体分析，以最终形成一个闭环的生态系统。

1 系统描述和需解决的问题 1.1 醇胺溶液吸收法工艺流程

文献[7–8]研究表明，在化学醇胺溶液吸收法中，目前比较成熟的一种有机胺溶液为N-甲基二乙醇胺（MDEA），分子式为CH₃N(CH₂CH₂OH)₂，简写为R₂CH₃N，分子量119.2，MDEA溶液具有稳定性佳、不腐蚀碳钢、挥发性少、蒸汽分压较低、对氮气溶解度低和对CO₂吸收能力强的特点，其较佳吸收CO₂温度范围为30～40 ℃，较佳解吸温度范围为105～115 ℃，其反应方程式如下：

$ {\text{C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}{\text{ + }}{{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O}} \to {{\text{H}}^{\text{ + }}}{\text{ + HC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}^{{ - }}$

(1)

$ {{\text{H}}^{{^{\text{ + }}}}}{\text+} {\text{R}}_{\text{2}}{\text{CH}}_{\text{3}}{\text{N}} \to {\text{R}}_{\text{2}}{\text{CH}}_{\text{3}}{\text{N}}{{\text{H}}^{\text{ + }}}$

(2)

$ {\text{R}}_{\text{2}}{\text{CH}}_{\text{3}}{\text{N + C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}{\text{ + }}{{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O}} \to {\text{R}}_{\text{2}}{\text{CH}}_{\text{3}}{\text{N}}{{\text{H}}^{\text{ + }}}{\text{ + HC}}{{\text{O}}_{\text{3}}}^{ - } $

(3)

为加快式(1)的水合反应，可适当加入1%～5%二乙醇胺（DEA）活性剂以加速反应。为方便分析，将醇胺溶液吸收法工艺流程简化后如图1所示。吸收解吸原理和流程为，发动机燃烧后尾气经过预处理柜进行脱硫、冷却和去除杂质后进入吸收塔底部，贫液从塔顶喷淋而下与尾气逆流接触，塔内温度保持在40℃，按照式(1)～式(3)贫液吸收尾气中的CO₂后生成碳酸氢盐富液。富液泵从吸收塔底部抽吸，经第一换热器进入解吸塔，解吸塔温度通过利用烟气加热保持在115℃，富液被加热后，进行逆向反应，CO₂从溶液中析出，形成纯度高达98%的气体进入储罐存储。富液析出CO₂后还原成贫液，沉降在解吸塔底部，由贫液泵抽吸，经第一换热器与通过富液管路换热后再次回到吸收塔进行吸收CO₂，形成循环再利用^[9]。其中在第一换热器内，经过换热，贫液由115℃降温，富液由40℃升温，粗略推断可知，贫液降温后会高于40℃，因此需要在中间使用第二换热器进行进一步降温到40℃，以便于再利用。

以上分析可见醇胺溶液吸收流程中需要解决的问题为：返回贫液内蕴含相当一部分热量，需要经第二换热器进行交换利用。

1.2 LPG燃料供应系统原理

LPG燃料供应系统流程较为复杂，发动机对燃料进机要求高，以VLGC所配置的MAN B&W 6G60-LGIP型号发动机为例，进机压力范围为5.3±0.2 MPa、温度范围为25～45℃、清洁度10 um，文献[6,10]的设计显示燃料从燃料罐出发、需要经过粗滤器、二级加压、二级加热、双联精滤器等多项流程处理，满足温度、压力和清洁度要求后再进入发动机气缸，而从发动机回流富余燃料则需要进行减压、冷却后以汇入供给管路再次使用，为方便分析，将系统原理简化，如图2所示。可知，燃料供应单元从燃料罐抽吸LPG，经加热单元调温后进入主机，富余LPG经冷却单元降温后返回燃料供应单元以再次供给主机。

以上分析可见LPG燃料系统中需要解决的问题为：燃料进机需要加热，回流需要冷却，即需要使用外部能量经热交换器对燃料进行调温处理^[10]。

1.3 两种系统耦合

基于醇胺溶液吸收解析工艺流程和LPG燃料系统都具有利用热交换器进行调温的需求^[10–11]，据此拟设计一种新的工艺流程，以使2种系统流程进行热交换，形成热量耦合利用和互补^[12]。

2 建立原理模型和解决方案 2.1 建立新的原理模型

新原理模型见图3，流程为醇胺溶液吸收流程中的第二换热器用作LPG燃料系统中的加热单元^[13]，假定LPG在燃料罐初始温度为10℃，则可经第二换热器加热，而贫液则先经第一换热器预估冷却到50～85℃区间，再经第二换热器进行进一步冷却后返回吸收塔，低温LPG和较高温贫液两者经第二换热器进行热量交换。另在富液泵和第一换热器中间新增第三换热器用作LPG燃料系统中的冷却单元，查MAN发动机手册知从发动机返回的LPG回油温度为65℃，可与温度40℃的富液在第三换热器进行热量交换^[14]，较高温LPG与较低温富液两者得到耦合互补。

2.2 基于新原理的解决方案

首先考虑将LPG燃料简化考虑其成分为100%丙烷（分子式C₃H₈，分子量44），其燃烧反应方程式为：

$ {{\text{C}}_{\text{3}}}{{\text{H}}_{\text{8}}}{\text{ + 5}}{{\text{O}}_{\text{2}}} \to {\text{3C}}{{\text{O}}_{\text{2}}}{\text{ + 4}}{{\text{H}}_{\text{2}}}{\text{O }} $

(4)

然后基于MDEA质量分数为50%的醇胺溶液，以及考虑MDEA比重为1.042 kg/cm³(20℃)，结合式(3)和式(4)计算出不同碳捕捉率下用于吸收CO₂的最小醇胺贫液用量与LPG燃料消耗量的容积比等见表1。

在容积比确认后，可以针对新工艺流程的原理模型，定义出LPG燃料供给主机的流量、贫液泵流量和富液泵流量，并基于以上流量和LPG燃料的初始温度进行相关换热器的选型计算^[15]，以验证新工艺流程方案的可行性^[16]。

3 换热分析、计算方法和仿真模型 3.1 换热器模型及分析

基于图3原理模型，第一换热器为贫富液进行热交换、贫液和富液的流体种类和压力基本一致，适合采用常见板式换热器，而第二换热器和第三换热器因为是高压的LPG燃料和较低压的醇胺溶液进行热交换，2种流体介质压差大，适宜采用管壳式换热器，设计为高压力的LPG从管（Tube）进出，低压的醇胺溶液从壳进出。管壳式换热器的简化模型见图4，在壳内设置有多管程换热管，换热管不折返，单程换热管长度为L。高压LPG燃料从管进口总管流入后，再分流进入多管程换热管内，最后汇总从管出口流出；而低压醇胺溶液从壳进口总管流入，途径多根换热管外壁后，汇总从壳出口流出，LPG与醇胺溶液经多管程换热管壁进行热量交换。

3.2 换热器的计算

基于图4换热器模型的传热量、对数平均温差和总传热系数等的计算公式为：

$ Q = {K_0}A{F_t}\Delta {t_{1m}}，$

(5)

$ \Delta {t_{1m}} = \displaystyle\frac{{({T_1} - {t_2}) - ({T_2} - {t_1})}}{{{\rm{ln}}\displaystyle\frac{{{T_1} - {t_2}}}{{{T_2} - {t_1}}}}} ，$

(6)

$ {K_0} = \displaystyle\frac{1}{{\left( {\displaystyle\frac{1}{{{a_t}}} + {R_t}} \right)\displaystyle\frac{{{d_0}}}{{{d_i}}} +\displaystyle\frac{{\mathrm{ln}}(d_0/d_i)}{{2{\lambda _{mat}}}} + \displaystyle\frac{1}{{{a_s}}} + {R_s}}} 。$

(7)

式中：Q为传热量；A为换热面积；F_t为温差修正系数；Δt_1m为对数平均温差；K₀为总传热系数；t₁、t₂分别为冷流体进出口温度；T₁、T₂分别为热流体进出口温度；a_t为管程传热膜系数；a_s为壳程传热膜系数；d_o为管外径；d_i为管内径；λ_max为管壁导热系数；R_t为管程污垢系数；R_s为壳程污垢系数。

计算换热器内管程数的方程为：

$ {N_t} = \frac{{{K_0}\bar A}}{{{C_{\min }}}} ，$

(8)

$ {K_0}\bar A = \displaystyle\frac{1}{{\displaystyle\frac{1}{{{a_t}{A_t}}} + \displaystyle\frac{1}{{{a_s}{A_s}}} +\displaystyle\frac{{\mathrm{ln}}(A_s/A_t)}{{2{\text π}{\lambda _{mat}}}}L{N_t}}} ，$

(9)

$ {A_s} = {\text π} {d_0}L{N_t} ，$

(10)

$ {A_{{t}}} = {\text π} {d_i}L{N_t} ，$

(11)

$ \bar A = \frac{{{A_s} - {A_t}}}{{\mathrm{ln}}({A_s}/{A_t})} 。$

(12)

式中：$ \bar A $为平均换热面积；A_s为壳程换热面积；A_t管程换热面积；L为单程管长；N_t为管程数；C_min为热容流率。

基于式(5)～式(12)，输入已知参数，即可算出未知参数。

3.3 建立仿真模型

基于图3原理模型，采用CFD方法进行快速仿真计算^[12,14]。在Flowmaster软件里建立仿真模型（见图5），部件8为LPG燃料罐，部件9为LPG主机，部件5为第一换热器，部件12为第二换热器，部件15为第三换热器，部件10为LPG回油，部件2为富液泵，部件6为贫液泵，部件1为吸收塔，部件4为解吸塔，部件14为回油汇入三通。部件5第一换热器为板式换热器，而部件12和部件15采用管壳式换热器，板式换热器为常见形式，此处不做分析，以下仅针对部件14、部件12、部件15展开换热仿真分析和计算。

参考图5，来自LPG主机的回油（部件10）先经过第三换热器与醇胺溶液进行热交换，然后进入三通（部件14），与LPG供油管混合后再次进入LPG主机（部件9），基于以上原理建立三通的模型见图6，分支1和分支2在Cer点汇合后进入分支3。分支1即LPG回油，分支2为LPG供油管，分支3为LPG主机。

在三通处汇合时LPG的热平衡计算公式为：

$\int_{T{\text{cer}}}^{{T_1}} {{c_p}{m_1}{\rm{d}}T} + \int_{{T_{cer}}}^{{T_2}} {{c_p}{m_2}{\rm{d}}T} = \int_{{T_{cer}}}^{{T_3}} {{c_p}\left( {{m_1} + {m_2}} \right){\rm{d}}T}。$

(13)

式中：c_p为比热容；m₁、m₂分别为分支1和分支2的质量流量；T₁、T₂、T₃分别为对应各分支的温度；T_cer为汇合处温度。

3.4 丙烷物性参数

查阅LPG主要成分丙烷的物性参数，在不同压力和温度下的比热容用来进行换热计算，在不同压力和温度下的粘滞系数用来确定流体运动中的阻力和计算雷诺数，将相关物性数值输入Flowmaster软件，以方便进行仿真运行。

4 CFD计算和分析结果

查阅发动机手册，可知一般LPG回油流量小于供油量的1/3，为方便进行数据分析，不在低LPG回油量的第三换热器上设置变量参数，而以第二换热器上的管程数、尾气中碳捕捉率和LPG燃料初始温度为3个变量，并基于表1中不同捕捉率下容积比输入LPG燃料流量、贫液流量、富液流量等常量，然后进行分析。先试运行仿真模型，设定LPG燃料初始温度为20 ℃；d_o管外径为0.030 m；d_i管内径为0.025 m；L为2 m；管程数为6；换热管材质为奥氏体316 L不锈钢等参数，再按照表1输入碳捕捉率为90%时的各项参数，运行CFD仿真，得到仿真模型的温度分布见图7，在节点15的燃料温度显示为35.8 ℃，符合LPG主机要求，表明仿真模型可行。

4.1 以捕捉率和管程数为变量

设定LPG燃料初始温度为10℃为常量，在2、4、6、8等4种管程数和20%、75%、90%等3种捕捉率下进行交叉仿真运行，提取12组结果数据形成关系曲线见图8。可知，在20%捕捉率设定下，如管程数为2和4，则LPG进机温度低于25℃为不合格；在75%和90%捕捉率设定下，仅管程数为2时，LPG进机温度不合格。仿真结果表明：当设定碳捕捉率≥50%和管程数≥4（L=2 m）时需要较高容积比的醇胺溶液流量，能提供较大的热能用于在第二换热器对LPG进行加热，以使燃料进入主机温度在合理范围。

4.2 以捕捉率和LPG初始温度作为变量

以管程数8作为常量，再以LPG初始温度作为变量，并基于20%、50%、90%等3种捕捉率进行CFD交叉仿真，提取15组结果数据并形成关系曲线见图9。可知，在捕捉率为50%和90%时，随着LPG初始温度在0～40℃区间变化，LPG进主机温度都在25～45℃的合理区间；而在捕捉率为20%时，如LPG初始温度在不小于10℃时，LPG进主机温度也在25～45℃的合理区间；这说明当管程数为8和L=2 m时，仅在捕捉率＜50%和初始温度＜10℃的合围区间，LPG进机温度为不合格，那么当管程数＞8或L＞2 m时，则捕捉率与初始温度影响不明显，只需要适中容积比流量的醇胺溶液即可使进主机LPG升温为合格。

4.3 分析结果

结合图8和图9的关系曲线进行分析可知，第二、第三换热器采用管壳式换热器，且设定LPG初始温度≥10℃、碳捕捉率≥20%和管程数≥8（L=2 m）时，基于表1最小流量贫液的余热足够对LPG燃料供给系统进行有效调温，并将进机温度控制在25～45℃合格区间。因此在LPG动力船舶上安装碳捕捉系统，采用新原理模型，既可实现碳减排达到90%以上^[17-18]，也可将2个系统的冷能和热能进行耦合利用。

5 结　语

在LPG动力VLGC船舶上建立一种结合碳捕捉技术的新原理模型，并通过LPG初始温度、管程数以及碳捕捉率等多个变量来仿真分析LPG进机温度，结果表明较高容积比的醇胺溶液流量可有效对LPG燃料进行调温，并满足主机使用需求，验证了2个系统的耦合具有相当的可行性。

文中仅仅分析了管壳式热交换及其换热方程，没有结合相关设备的压力损失进行综合评估，这需要进一步架构完善的模型进行更深入的研究。

船舶在航行时受海况影响会形成晃荡和颠簸，这将明显影响醇胺溶液对CO₂的吸收效率，需针对吸收塔进行对应的优化设计，如改进塔内反应物的分布，使其更匀称，以减少恶劣海况的负面效应和不确定性。

通过耦合分析，表明将碳捕捉工艺流程与LPG动力系统揉合成为一个闭环的生态系统具有可操作性，可以实现较高温贫液和LPG回油余热的综合利用，从而在减少碳排放的同时也减少冷热资源浪费。

根据克拉克森公司统计，LPG海上运输量在2023年增长约3%，与此同时VLGC船舶的造价不断上涨，但新船订单依旧火爆，截止2023年底全球VLGC船舶的数量已突破400艘，出于动力改装的便利性，LPG燃料将具有相当大的市场，如再结合碳捕捉技术，将进一步提高其IMO CII（碳强度指标）评级和增强其市场竞争力，由此LPG余热耦合分析的实际应用颇具前景。