冷凍液化氣體罐式集裝箱抽真空系統(tǒng)及方法的改進(jìn)與優(yōu)化

李 偉 謝淑賢

（山東中車同力鋼構(gòu)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

冷凍液化氣體是指運(yùn)輸過程中由于溫度低而部分呈液態(tài)的氣體，臨界溫度一般不高于-50℃。隨著我國氣體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以LNG、液氮、液氧為代表的冷凍液化氣體消費(fèi)市場快速增加，而冷凍液化氣體罐式集裝箱由于其具有安全、高效、靈活的特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。目前，國內(nèi)冷凍液化氣體罐式集裝箱的產(chǎn)能并不高，當(dāng)前國內(nèi)各冷凍液化氣體罐式集裝箱生產(chǎn)廠家沒有一家能夠?qū)崿F(xiàn)年產(chǎn)2000臺以上，除市場因素外，還有兩個重要因素是其中的抽真空工序[的成本投資過大、生產(chǎn)時間過長，目前比較成熟的抽真空設(shè)備包括內(nèi)循環(huán)加熱、外置烘房加熱等方式，以12.192m的冷凍液化氣體罐箱為例，平均需要8d~10d能完成抽真空，經(jīng)濟(jì)性差且生產(chǎn)時間過長，不利于規(guī)模化生產(chǎn)。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

目前業(yè)界應(yīng)用較廣的抽真空系統(tǒng)，一般采用大功率內(nèi)循環(huán)加熱方式，不增加烘房，對小型氣瓶效果明顯，但對大型罐箱產(chǎn)品，效率并不高。常用罐箱設(shè)計的內(nèi)循環(huán)加熱所需的進(jìn)氣口和出氣口都在內(nèi)罐體的一端，另一端的溫度上升非常緩慢。針對內(nèi)循環(huán)加熱緩慢、不均勻的問題，另一種方案是提供一種烘房， 即建設(shè)烘房，將整個罐箱放入烘房內(nèi)，通過燃燒天然氣產(chǎn)生熱氣給外罐體加熱，該方法對小體積的氣瓶效果非常明顯，但是對體積較大的罐式集裝箱則依然有很大局限性。以常見的12.192 m1AA型罐箱為例，一個烘房的造價約為50萬元，同時須燃燒天然氣提供熱量，優(yōu)點(diǎn)是能夠加快整個抽真空過程，缺點(diǎn)是加熱效率低，成本高，經(jīng)濟(jì)性極差的同時還增加了二氧化碳排放。

根據(jù)以上問題，該文提出一種冷凍液化氣體罐式集裝箱抽真空系統(tǒng)及方法，在解決內(nèi)循環(huán)加熱緩慢、不均勻的問題的同時提高加熱效率，減少資源浪費(fèi)。

2 試驗設(shè)備

該文提出冷凍液化氣體罐式集裝箱抽真空系統(tǒng)及方法包括以下組成部分：內(nèi)罐體循環(huán)加熱模塊、夾層熱氮?dú)庋h(huán)加熱模塊、粗抽真空機(jī)組、精抽真空機(jī)組以及氦檢漏裝置。

其內(nèi)罐體循環(huán)加熱模塊，罐箱所用絕熱層，由鋁箔和絕熱紙間隔制成，厚度方向透氣孔。內(nèi)筒體、外筒體通過了氦檢漏試驗，確保漏率符合標(biāo)準(zhǔn)要求；高真空法蘭、真空截止閥營保證密封性能好。真空規(guī)管須配合真空計使用，能夠精確檢測夾層真空度，精度要求至少能夠檢測到1.0×10Pa級別。熱風(fēng)循環(huán)機(jī)組，出風(fēng)口溫度不低于300℃，出風(fēng)量不低于500m3/h，風(fēng)壓不低于30kPa，設(shè)置溫度調(diào)節(jié)按鈕，風(fēng)量調(diào)節(jié)按鈕，關(guān)停按鈕等。

夾層熱氮?dú)庋h(huán)加熱模塊，所用低溫開關(guān)閥能夠在-196℃下使用。氣化器是將液氮?dú)饣傻獨(dú)獾难b置，氣化后氮?dú)鈮毫τ蓽p壓閥控制，出口壓力不大于0.08MPa。吸附裝置是一個可重復(fù)利用且拆卸裝置，吸附劑為5A分子篩和氧化鋁組成，能夠吸附氣化后氮?dú)庵械乃趾蛫A層循環(huán)帶出的水分，拆卸的吸附裝置將分子篩高溫活化后可重復(fù)使用，活化溫度不低于400℃。氣體加熱器是利用電阻絲加熱，在加熱氮?dú)鈺r能夠確保氮?dú)獠槐患訜嵯到y(tǒng)污染，加熱后的氮?dú)鉁囟炔荒艿陀?50℃。高溫風(fēng)管能夠耐受350℃高溫且表面利用玻璃纖維材料保溫。循環(huán)抽氣泵能夠?qū)⒄婵粘橹?00Pa即可滿足使用。

粗抽系統(tǒng)須將真空度抽至1Pa即可，可以是單級旋片泵、羅茨泵機(jī)組及相關(guān)連接管路組成或者是能夠?qū)崿F(xiàn)該真空度的其他系統(tǒng)，要求抽速不低于200L/s，極限真空度達(dá)到0.5Pa。

精抽系統(tǒng)須將真空度抽至1.0×10Pa。精抽系統(tǒng)包括粗抽系統(tǒng)，在粗抽系統(tǒng)的基礎(chǔ)上須增加維持泵，擴(kuò)散泵或者分子泵及相關(guān)管路組成精抽系統(tǒng)，可以僅用精抽系統(tǒng)可以完成整個抽真空工作，僅用粗抽系統(tǒng)無法完成整個抽真空工作，粗抽系統(tǒng)搭配精抽系統(tǒng)使用是為了更快地完成抽真空工作。

3 試驗過程

第一步：循環(huán)加熱。開啟內(nèi)罐體加熱模塊及夾層熱氮?dú)庋h(huán)加熱模塊，持續(xù)循環(huán)加熱，當(dāng)夾層熱氮?dú)庋h(huán)加熱模塊的出口溫度達(dá)到120℃后，持續(xù)夾層循環(huán)加熱2h再停止夾層加熱，進(jìn)入第二步。

第二步：氮?dú)庵脫Q。停止夾層熱氮?dú)庋h(huán)，確保夾層充滿氮?dú)馇冶３殖海瑑?nèi)筒體循環(huán)加熱系統(tǒng)持續(xù)工作。單次置換時長2h后進(jìn)入第三步。

第三步：粗抽。利用兩個或者多個粗抽真空機(jī)組，進(jìn)行粗抽，真空度達(dá)到0.5Pa后，重復(fù)第一、二步，一般情況下至少完成3次氮?dú)庵脫Q，氮?dú)庵脫Q完成且粗抽達(dá)到1Pa左右后進(jìn)入第四步。

第四步：精抽。粗抽步驟完成后先封結(jié)夾層真空度，接入精抽真空機(jī)組，將真空度抽至1.0×10Pa級別后，停止內(nèi)循環(huán)加熱，同時封結(jié)真空度，進(jìn)入緩慢降溫階段，然后進(jìn)入第五步。

第五步：檢測真空度。待罐體冷卻后檢測夾層真空度，出廠前再次檢測夾層真空度，若真空有喪失風(fēng)險，須進(jìn)行補(bǔ)抽，至此整個抽真空過程完成。

3.1 具體實施方式

按圖1和圖2將各個部件連接后，打開截止閥Ⅰ、截止閥Ⅱ，啟動熱風(fēng)循環(huán)機(jī)組，開始內(nèi)循環(huán)，確保加熱后的無油空氣自頂部進(jìn)液管進(jìn)入內(nèi)筒體，自底部進(jìn)液管返回?zé)犸L(fēng)循環(huán)機(jī)組加熱后再次進(jìn)入內(nèi)筒體，形成內(nèi)筒體熱風(fēng)循環(huán)；在熱氮?dú)庋h(huán)模塊其他閥門都關(guān)閉的情況下，先打開真空截止閥Ⅰ，打開放空閥，打開循環(huán)抽氣泵，進(jìn)行預(yù)抽。打開氣體加熱器，打開液氮罐開關(guān)，打開低溫開關(guān)閥，打開減壓閥，打開截止閥Ⅲ，打開截止閥Ⅳ，打開真空截止閥Ⅱ，加熱后的氮?dú)庠谘h(huán)抽氣泵的作用下進(jìn)入夾層空間，同時關(guān)閉循環(huán)抽氣泵，當(dāng)夾層壓力接近大氣壓時，打開循環(huán)抽氣泵，關(guān)閉放空閥，打開截止閥Ⅴ，關(guān)閉減壓閥，關(guān)閉液氮罐開關(guān)，關(guān)閉低溫開關(guān)閥，進(jìn)入夾層加熱循環(huán)，夾層空間的熱氮?dú)庠谘h(huán)抽氣泵的作用下，依次經(jīng)過吸附裝置，氣體加熱器，高溫氮?dú)鈱A層絕熱層中的水分汽化，隨著固體小顆粒一起被氮?dú)鈳С觯?jīng)過吸附裝置時被吸附，循環(huán)以往，可以高效降低夾層空間水分及固體小顆粒，當(dāng)循環(huán)氮?dú)獬隹谖恢脺囟冗_(dá)到120℃且持續(xù)2小時以上后，關(guān)閉循環(huán)抽氣泵，關(guān)閉真空截止閥Ⅰ，關(guān)閉真空截止閥Ⅱ，利用內(nèi)筒體熱風(fēng)循環(huán)保持高溫。

圖1 抽真空前循環(huán)加熱示意圖

圖2 抽真空示意圖

利用高真空法蘭Ⅰ、高真空法蘭Ⅱ?qū)⒋殖橄到y(tǒng)、精抽系統(tǒng)連入，利用粗抽系統(tǒng)和精抽系統(tǒng)的粗抽泵，同時抽真空，直至抽至10Pa左右，利用負(fù)壓抽入高溫氮?dú)猓瑠A層壓力達(dá)到環(huán)境壓力時關(guān)閉真空截止閥Ⅰ和真空截止閥Ⅱ，夾層溫度保持120℃左右靜止3h。重復(fù)該步驟3次，氮?dú)庵脫Q結(jié)束。

利用高真空法蘭Ⅰ、高真空法蘭Ⅱ?qū)⒋殖橄到y(tǒng)、精抽系統(tǒng)連入，利用粗抽系統(tǒng)和精抽系統(tǒng)的粗抽泵，同時抽真空，抽至1Pa時關(guān)閉高真空截止閥Ⅱ，卸掉粗抽系統(tǒng)，同時用盲板將高真空法蘭Ⅱ盲死。

啟動精抽系統(tǒng)的高真空泵，抽至0.05Pa時，完成精抽。關(guān)閉高真空截止閥Ⅰ，卸掉精抽系統(tǒng)。

關(guān)閉熱風(fēng)循環(huán)機(jī)組，卸掉內(nèi)循環(huán)加熱系統(tǒng)，檢測真空度，完成抽真空操作。

因粗抽系統(tǒng)及精抽系統(tǒng)及其操作方式，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此不再贅述。

3.2 試驗結(jié)果分析

該文以12.192m LNG罐箱為例，內(nèi)罐體長度接近12m，內(nèi)筒體容積超過45m3，而內(nèi)循環(huán)加熱所需的進(jìn)氣口和出氣口都在內(nèi)罐體的一端，另一端的溫度上升非常緩慢（如圖3所示），經(jīng)測試，在進(jìn)氣口一端內(nèi)封頭溫度超過120℃時，另一端溫度還低于70℃，要使整個內(nèi)罐體表面溫度達(dá)到100℃以上，采用功率47.5kW的內(nèi)循環(huán)加熱器，需要時間超過15h，單純內(nèi)循環(huán)加熱非常緩慢而且耗電量非常大，在不借助烘房的情況下，僅內(nèi)循環(huán)加熱對罐箱來說兩端溫度不均，不利于夾層另一端水分和其他氣體析出，平均需要7d~10d才能完成抽真空。

圖3 內(nèi)循環(huán)時內(nèi)部熱流示意圖

而采用該文所述抽真空方案（如圖4所示），罐箱兩端溫差始終保持在10℃以內(nèi)，同樣條件下使整個內(nèi)罐體表面溫度達(dá)到100℃以上，采用功率47.5kW的內(nèi)循環(huán)加熱器。并根據(jù)兩種方案進(jìn)行了抽真空試驗，試驗1采用傳統(tǒng)抽真空工藝，試驗2采用該文所述抽真空工藝，夾層真空度隨時間變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 夾層系統(tǒng)抽真空

由圖5可知，試驗1中夾層真空度從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓達(dá)到1Pa需要3天左右，而試驗2中夾層真空度從標(biāo)準(zhǔn)大氣壓達(dá)到1Pa僅需要2天，兩個試驗達(dá)到技術(shù)要求真空度1.0×10Pa分別需要6天和8.5天。該試驗說明該文開發(fā)的抽真空工藝可以有效提高抽真空效率，將抽真空時間縮短20%以上。

圖5 夾層真空度隨時間變化圖

4 結(jié)論

引入夾層熱氮?dú)庋h(huán)加熱模塊，循環(huán)過程中能夠直接對夾層空間加熱，實現(xiàn)快速加熱夾層空間的同時，通過循環(huán)帶出容易帶出的大部分水分以及固體小顆粒。

設(shè)計2個或者多個抽真空口，可以實現(xiàn)夾層氣體循環(huán)的同時，提高抽真空速度，降低抽真空工序所需能耗，從而降低整個生產(chǎn)過程的成本，減少二氧化碳排放。

僅用精抽系統(tǒng)可以完成整個抽真空工作，僅用粗抽系統(tǒng)無法完成整個抽真空工作，粗抽系統(tǒng)搭配精抽系統(tǒng)使用可以更快地完成抽真空工作。

增設(shè)橡膠包覆層，既避免了熱量的散失，又減少了烘房建設(shè)成本，提高了加熱效率，降低了生產(chǎn)成本，還避免了烘房供暖產(chǎn)生二氧化碳對環(huán)境的污染。