CN103111172B - 一种船舶主机余热回收和尾气处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶主机余热回收和尾气处理系统及方法，所述的系统包括废气锅炉、汽轮机、发电机、二氧化碳吸收塔、水泵、水柜、卧式氨合成塔、烷烃裂解装置和空气分离机，废气锅炉连接汽轮机；废气锅炉还连接二氧化碳吸收塔；二氧化碳吸收塔内安装有不锈钢淋浴喷头；废气锅炉依次与空气分离机和卧式氨合成塔连接；卧式氨合成塔通过碳钢管道与烷烃裂解装置连接；卧式氨合成塔还依次与水柜、水泵和二氧化碳吸收塔连接。本发明基于富氧燃烧和二氧化碳捕捉技术的船舶主机余热利用与尾气处理系统，同时考虑物质流和能量流，不仅高效利用船舶主机余热，提高能量利用效率，而且基于碳捕捉技术，吸收尾气中二氧化碳，降低碳排放。

Description

一种船舶主机余热回收和尾气处理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种船舶主机余热回收和尾气处理系统，具体涉及一种基于富氧燃烧和碳捕捉技术的船舶主机余热回收利用和尾气处理系统。属于船舶节能减排技术领域。
背景技术
发展低碳经济，应对气候变化已成为当前世界各国的迫切任务和目标。船舶行业是温室气体排放的主要来源之一，约占全球温室气体排放总量的3.3%。为降低船舶温室气体排放，国际海事组织（IMO）提出了船舶能耗限制指数（EEDI，二氧化碳排放量与货运能力的比值），并提出要求2015~2019年间建成的船舶碳效率须提高10%，2020~2024年间建成的船舶碳效率须提高20%，2024年后建成的船舶碳效率须提高30%，规定适用于所有400总吨以上的船舶，船舶一旦超过这一指数，将面临高额罚款。随着船舶有害排放物法规要求日益严格，船用柴油机急需低碳技术，这对船舶设计、生产技术、配套设备等都提出全新要求。
船舶主机提供船舶海上航行、作业主要动力，是船舶燃料消耗的主要源头。但主机排气余热约占总热效率40%，因此，有效利用主机余热，提高燃油利用效率，是船舶节能减排的有效途径，引起了世界各国重视。目前，船舶主机余热利用主要有两种方式：一是将低品质余热直接作为其它设备加热热源；二是将动力利用价值大、品位高余热用于作功以回收动力。
但船舶主机尾气除带走大量热能外，还含有大量可循环再利用的碳氢化合物、CO和CO2等温室气体。目前研究大多只考虑了主机尾气余热利用，未考虑尾气排放温室气体的处理与利用。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既可以高效利用船舶主机余热、提高能量利用效率，又可以吸收尾气中二氧化碳、降低碳排放的船舶主机余热回收和尾气处理系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种船舶主机余热回收和尾气处理系统，包括废气锅炉、汽轮机、发电机、二氧化碳吸收塔、水泵、水柜、卧式氨合成塔、烷烃裂解装置和空气分离机，所述的废气锅炉与汽轮机之间通过高温蒸汽管道连接；所述的汽轮机与发电机之间通过传动轴连接；发电机与各用电设备之间用电线连接；废气锅炉与二氧化碳吸收塔之间通过不锈钢管道连接；所述的二氧化碳吸收塔内安装有不锈钢淋浴喷头；所述的废气锅炉通过碳钢管道依次与空气分离机和卧式氨合成塔连接；所述的卧式氨合成塔通过碳钢管道与烷烃裂解装置连接；所述的卧式氨合成塔还通过不锈钢管道依次与水柜、水泵和二氧化碳吸收塔连接。
本发明所述的高温蒸汽管道材质为不锈钢。
一种船舶主机余热回收和尾气处理系统的方法，包括以下步骤：
A、利用空气分离机分离空气制得高浓度氧气和氮气，为船舶主机尾气富氧燃烧及合成氨提供原料气体；
B、船舶主机尾气在废气锅炉的炉胆内与空气分离机产生的高浓度氧气进行富氧燃烧，燃烧之后的尾气通过热传递的方式对废气锅炉内的水管内的水加热，并产生高温水蒸气；
C、废气锅炉产生的高温水蒸气驱动汽轮机运转，汽轮机带动发电机发电，发电机为用电设备供电；
D、废气锅炉中对其水管内水加热之后的尾气排向二氧化碳吸收塔，尾气中的部分二氧化碳在此被捕捉并产生碳酸氢铵；
E、将空气分离机制得的高浓度氮气及裂解烷烃装置产生的氢气作为合成氨的原料气，并在卧式氨合成塔内进行氨的合成；
F、将合成的氨通向水柜，并在此制得质量分数为10%的氨水溶液；
G、由水泵将质量分数10%的氨水溶液泵向二氧化碳吸收塔，并通过淋浴喷嘴对尾气进行淋浴吸收，并回收碳酸氢铵。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明基于富氧燃烧和二氧化碳捕捉技术，提高了燃油利用率，降低了二氧化碳排放量，达到了节能减排的效果。
2、本发明的废气锅炉由炉胆和水管组成，水管内可以进行水循环，通过水管外的尾气燃烧对水管内的水进行加热，代替了以前的燃烧燃油加热的方式，这样提高了尾气热量利用率。
3、本发明的氨合成塔采用卧式氨合成塔，既减小了对船舶稳定性的影响，又降低了从锅炉出来的废气压降，有利于吸收CO2；二氧化碳吸收塔也采用卧式，有利于船舶的稳定。已有实验研究表明，质量浓度为28％的氨水易吸收98％的CO2，而用质量浓度为10％的氨水也可达到吸收80％CO2的效果。所述氨水浓度也可根据尾气中CO2浓度和尾气排放量，以及氨合成量综合优化，以最大限度地吸收CO2。
4、本发明中，富氧燃烧后产生蒸汽通过汽轮发电机转化为电能，电能是一种通用环保形式的能量。这样，能量利用的形式可以多元化。
5、本发明吸收CO2产生的碳酸氢铵，可进一步利用，如生产化肥；多余的氨也可用作致冷剂。具有显著的社会效益和经济效益。
6、本发明基于富氧燃烧和二氧化碳捕捉技术的船舶主机余热利用与尾气处理系统，同时考虑物质流和能量流，不仅高效利用船舶主机余热，提高能量利用效率，而且基于碳捕捉技术，吸收尾气中二氧化碳，降低碳排放。本发明有助于提高船舶企业和航运业应对国际海事组织（IMO）提出的船舶能耗限制指数（EEDI）的能力。
附图说明
本发明共有2张附图，其中：
图1是本发明的工作原理图。
图2是本发明的系统结构示意图。
图中：10-废气锅炉，11-炉胆，12-水管，13-尾气排出口，20-汽轮机，30-发电机，40-二氧化碳吸收塔，41-淋浴喷头，42-尾气入口，43-碳酸氢铵排出口，44-其他气体排出口，50-水泵，51-泵出口，52-泵入口，60-水柜，70-卧式氨合成塔，71-产物层，72-催化剂层，73-原料气体混合层，80-裂解烷烃装置，90-空气分离机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图2所示，一种船舶主机余热回收和尾气处理系统，包括废气锅炉10、汽轮机20、发电机30、二氧化碳吸收塔40、水泵50、水柜60、卧式氨合成塔70、烷烃裂解装置和空气分离机90，所述的废气锅炉10与汽轮机20之间通过高温蒸汽管道连接；所述的汽轮机20与发电机30之间通过传动轴连接；发电机30与各用电设备之间用电线连接；废气锅炉10与二氧化碳吸收塔40之间通过不锈钢管道连接；所述的二氧化碳吸收塔40内安装有不锈钢淋浴喷头41；所述的废气锅炉10通过碳钢管道依次与空气分离机90和卧式氨合成塔70连接；所述的卧式氨合成塔70通过碳钢管道与烷烃裂解装置连接；所述的卧式氨合成塔70还通过不锈钢管道依次与水柜60、水泵50和二氧化碳吸收塔40连接。所述的高温蒸汽管道材质为不锈钢。
如图1-2所示，利用空气分离机90分离空气产生高浓度的氧气和氮气。
在废气锅炉10中的炉胆11处，利用得到的高浓度氧气对主机尾气进行富氧燃烧，尾气富氧燃烧及尾气余热的热能用于加热废气锅炉水管12内的水产生高温蒸汽，最后的尾气通过尾气入口42排往二氧化碳吸收塔40。
高温蒸汽经过汽轮机20，驱动发电机30发电，实现余热的有效利用。发电可供应系统内或船舶上用电设备。
在卧式氨合成塔70中，利用空气分离机90产生的氮气和裂解烷烃装置80处得到的氢气合成氨。原料气体首先进入卧式氨合成塔70的原料气体层73，再进入催化剂层72进行催化反应，最后生成的氨进入产物层71。
合成的氨气通往水柜60制得质量分数10％的氨水溶液。
氨水溶液通过泵50以淋浴方式注入二氧化碳吸收塔40中，泵入口52与水柜60的出口相连接，泵出口51与淋浴喷头41相连接。淋浴喷头41以淋浴的方式吸收尾气中的CO2，生成碳酸氢氨，并通过碳酸氢氨排出口43进行回收处理，从而降低CO2排放量。
二氧化碳吸收塔40中未吸收的其他气体通过其他气体排放口44排往大气。
为提高船舶稳定，本发明采用卧式氨合成塔70、二氧化碳吸收塔40。

Claims (3)

1.一种船舶主机余热回收和尾气处理系统，其特征在于：包括废气锅炉(10)、汽轮机(20)、发电机(30)、二氧化碳吸收塔(40)、水泵(50)、水柜(60)、卧式氨合成塔(70)、烷烃裂解装置和空气分离机(90)，所述的废气锅炉(10)与汽轮机(20)之间通过高温蒸汽管道连接；所述的汽轮机(20)与发电机(30)之间通过传动轴连接；发电机(30)与各用电设备之间用电线连接；废气锅炉(10)与二氧化碳吸收塔(40)之间通过不锈钢管道连接；所述的二氧化碳吸收塔(40)内安装有不锈钢淋浴喷头(41)；所述的废气锅炉(10)通过碳钢管道依次与空气分离机(90)和卧式氨合成塔(70)连接；所述的卧式氨合成塔(70)通过碳钢管道与烷烃裂解装置连接；所述的卧式氨合成塔(70)还通过不锈钢管道依次与水柜(60)、水泵(50)和二氧化碳吸收塔(40)连接。
2.根据权利要求1所述的一种船舶主机余热回收和尾气处理系统，其特征在于：所述的高温蒸汽管道材质为不锈钢。
3.一种如权利要求1所述的船舶主机余热回收和尾气处理系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、利用空气分离机(90)分离空气制得氧气和氮气，为船舶主机尾气富氧燃烧及合成氨提供原料气体；
B、船舶主机尾气在废气锅炉(10)的炉胆(11)内与空气分离机(90)产生的氧气进行富氧燃烧，燃烧之后的尾气通过热传递的方式对废气锅炉(10)内的水管(12)内的水加热，并产生水蒸气；
C、废气锅炉(10)产生的水蒸气驱动汽轮机(20)运转，汽轮机(20)带动发电机(30)发电，发电机(30)为用电设备供电；
D、废气锅炉(10)中对其水管(12)内水加热之后的尾气排向二氧化碳吸收塔(40)，尾气中的部分二氧化碳在此被捕捉并产生碳酸氢铵；
E、将空气分离机(90)制得的氮气及裂解烷烃装置(80)产生的氢气作为合成氨的原料气，并在卧式氨合成塔(70)内进行氨的合成；
F、将合成的氨通向水柜(60)，并在此制得质量分数为10％的氨水溶液；
G、由水泵(50)将质量分数10％的氨水溶液泵向二氧化碳吸收塔(40)，并通过淋浴喷嘴对尾气进行淋浴吸收，并回收碳酸氢铵。
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