CN113195961B - 用于运输液态烃和co2以通过co2捕获产生氢气的工艺和方法 - Google Patents

用于运输液态烃和co2以通过co2捕获产生氢气的工艺和方法 Download PDF

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Abstract

提供了与用于同时从船舶中的至少一个储存罐卸载第一流体和将第二流体装载到同一船舶的储存罐中的装卸站有关的系统和方法。在至少一个方面，装卸站包括用于流体连接到所述船舶的储存罐以卸载所述第一流体的第一连接器，和第二流体源。所述站还包括第二连接器，其用于将所述第二流体源与所述船舶的储存罐流体连接以装载所述第二流体。所述站还包括在卸载的所述第一流体和装载的所述第二流体之间的第一热连结，以促进在所述装卸站处的所述第一流体和所述第二流体之间的热传递。

Description

用于运输液态烃和CO2以通过CO2捕获产生氢气的工艺和方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2019年1月25日提交的标题为“用于运输液态烃和CO2以通过CO2捕获产生氢气的工艺和方法”美国专利申请第62/797,031号的优先权和其权益，所述专利申请的全部内容由此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及流体的运输，并且更具体地说，涉及降低能量消耗和运送成本的运输CO2和烃的高效且有效的方式。
背景技术
由于环境因素以及安全运输流体所需的所需温度和压力，长距离运输二氧化碳(CO2)或液态烃可为困难的。长距离运输CO2或液态烃的一种可能方式是使用半加压和制冷的轮船或运输船。
然而，使用这些运输船运送可能效率低。举例来说，CO2或烃从第一点运送到第二点，但是轮船通常空载返回第一点，这增加了运送成本。另外，运送CO2和液态烃要求以高速率消耗能量。
因此，需要高效且有效的方式运输CO2和烃，以降低能量消耗和运送成本。
发明内容
在第一方面，提供用于同时从船舶中的至少一个储存罐卸载第一流体和将第二流体装载到同一船舶的储存罐中的装卸站。装卸站包括第一连接器，其用于流体连接到至少一个储存罐以卸载第一流体，和第二流体源。装卸站还包括第二连接器，其用于将第二流体源与船舶的至少一个储存罐流体连接以将第二流体装载到至少一个储存罐中。装卸站还包括在卸载的第一流体和装载的第二流体之间的第一热连结，这促进在装卸站处的第一流体和第二流体之间的热传递。
在装卸站的另一个方面，第一流体可包含液化石油气(LPG)，并且第二流体可包含CO2。在另一方面，第一热连结可包含热交换器，其将LPG的冷度传递到CO2，导致冷却CO2。在另一个方面，装卸站还包含：被配置成捕获由含碳源产生的CO2的CO2捕获单元，和流体连接到CO2捕获单元和第二流体源的CO2液化单元。CO2液化单元被配置成从CO2捕获单元接收捕获的CO2，并且将捕获的CO2液化到期望的储存条件和运输条件。在另一方面，CO2捕获单元和CO2液化单元可为单个单元。
在另一个方面，装卸站还包含流体连接到用于卸载LPG的至少一个储存罐的氢气产生单元。氢气产生单元被配置成从用于卸载LPG的至少一个储存罐接收LPG，并且将LPG用作用于产生氢气的进料物流。在另一方面，CO2捕获单元可操作地连接到氢气产生单元，并且还被配置成从氢气产生单元中产生的合成气捕获CO2。
在另一个方面，装卸站还包含膨胀装置，其被配置成从船舶中的至少一个储存罐接收LPG的至少一部分。膨胀装置被配置成在将LPG递送到LPG卸载单元之前减小LPG的压力。
在第二方面，提供用于依次从船舶中的至少一个储存罐卸载CO2和用于将LPG装载到同一船舶的储存罐中的装卸站。装卸站包括LPG产生单元、LPG储存单元，其中LPG储存单元与LPG产生单元流体连通。装卸站还包括用于流体连接到LPG储存单元以将LPG装载到船舶的储存罐中的第一连接器，和用于将CO2卸载到CO2储存单元中的第二连接器。装卸站还包括以下至少一个：(A)第一热连结，其被配置成：通过与LPG产生单元和CO2储存单元相关联的第一热连结从CO2传递冷度，以促进LPG的液化；和(B)第二热连结，其被配置成通过第二热连结维持LPG储存单元的温度。
在另一方面，装卸站还包括将CO2压缩到高于预定压力的CO2压缩单元，和从压缩单元接收CO2的超临界CO2单元，由此使高压冷CO2物流与LPG产生单元和LPG储存单元中的至少一个产生热连结。在另一方面，超临界CO2循环包括内部热交换器、外部热交换器和CO2涡轮。内部热交换器被配置成加热高压冷CO2物流并且将高压冷CO2物流传递到外部热交换器。外部热交换器被配置成进一步加热高压冷CO2物流，以产生高压高温CO2物流，并且被配置成将高压高温CO2物流传递到CO2涡轮。CO2涡轮被配置成使高压高温CO2物流膨胀以产生动力。在另一方面，装卸站还包括经由加热连结可操作地连接到外部热交换器的热源。热源提供用于在外部热交换器中加热高压冷CO2物流的能量。在另一方面，离开外部热交换器的高压高温CO2物流的温度在100℃到800℃的范围内。在另一个方面，CO2压缩单元将CO2压缩到在200到500巴的范围内压力。
在第三方面，提供用于同时装载和卸载CO2和液态烃的系统。系统包括船舶，其包含被配置成传递CO2或液态烃并且被配置成装载和卸载液态烃和CO2中的至少一种的至少一个储存罐。系统还包括第一站，在所述第一站产生液态烃。第一站包含液态烃装载单元、被配置成选择性地连接液态烃装载单元的第一导管和CO2卸载单元。第一站还包含被配置成选择性地将CO2卸载单元连接到船舶的第二导管和以下至少一个：(a)第一热连结，其被配置成将冷度从第二导管传递到第一导管，以促进液态烃的液化；和(b)在第一导管和第二导管之间的第二热连结，其被配置成使第一导管中的液态烃冷凝。系统还包括第二站，在所述第二站收集CO2。第二站包含CO2装载单元、被配置成选择性地将CO2装载单元连接到船舶的第三导管、液态烃卸载单元，和被配置成选择性地将液态烃卸载单元连接到船舶的第四导管。在第一站，船舶被配置成同时经由CO2卸载单元卸载CO2和将液态烃装载到至少一个储存罐中。在第二站，船舶被配置成同时经由液态烃卸载单元卸载液态烃和将CO2装载到至少一个储存罐中。
在系统的另一个方面，第二站还包括被配置成捕获由含碳源产生的CO2的CO2捕获单元，和流体连接到CO2装载单元的CO2液化单元。CO2液化单元被配置成从CO2捕获单元接收捕获的CO2，并且将捕获的CO2液化到期望的储存条件和运输条件。第二站还包括在CO2液化单元和第四导管之间的第三热连结，其中第三热连结被配置成帮助CO2液化。
在系统的另一个方面，第一站还包含CO2储存单元，其流体连接到CO2卸载单元并且被配置成从CO2卸载单元接收CO2。在此方面，第一站还包含CO2压缩单元，其流体连接到CO2储存单元并且被配置成从CO2卸载单元接收CO2，其中CO2压缩单元被配置成将CO2压缩到高于预定压力。在另一方面，系统还包括CO2超临界循环，其流体连接到CO2压缩单元，其中CO2超临界循环被配置成从CO2压缩单元接收CO2并且生成动力。在另一方面，船舶还包括蒸发压缩单元、不凝物分离单元和蒸发液化单元。蒸发压缩单元流体连接到至少一个储存罐并且被配置成从包含CO2和不凝气体(如氮气)的至少一个储存罐接收蒸发物流，并且压缩蒸发物流。不凝(例如氮气)分离单元流体连接到蒸发压缩单元，并且被配置成接收压缩的蒸发物流，并且将不凝气体与CO2分离。蒸发液化单元流体连接到不凝物分离单元并且被配置成接收分离的CO2，液化CO2，并且将液化的CO2传递回到至少一个储存罐。
在以下详细描述中参考附图阐述本申请的实施例的额外方面、特征和优点。
附图说明
图1显示根据一个或多个实施例的示例性CO2和液态烃运输方案的图；
图2显示根据一个或多个实施例用于在CO2和液态烃运输方案内集成的示例性超临界CO2循环的图；和
图3A-3B显示根据一个或多个实施例包括在运输方案中的示例性热连结的CO2和液态烃运输方案的实施例的高级图；
图4示出根据一个或多个实施例具有带有蒸发压缩和液化单元的船舶的常规LPG/CO2运输方案；
图5示出根据一个或多个实施例用于CO2捕获和液化常规配置；
图6示出根据一个或多个实施例的常规蒸发再液化单元；
图7示出根据一个或多个实施例的用于CO2液化单元的常规闭环系统；
图8示出根据一个或多个实施例的用于CO2液化单元的常规开环系统；和
图9示出根据一个或多个实施例的用于管线CO2液化的优化工艺配置。
具体实施方式
本申请描述用于有效地运输液态烃和CO2并且减少运输方案的总能量消耗的系统和方法。另外，本发明的系统和方法涉及在液态烃设施和CO2设施之间的热连结，以允许在卸载和装载工艺至少一个并且优选地两个期间利用CO2的“冷度”，并且因此实现额外的节能。
在一个或多个实施例中，本系统包含液态烃/CO2运输方案，其包括具有液态烃装载设施和CO2卸载设施的第一位置(“点A”)、具有CO2装载设施和液态烃卸载设施的第二位置(“点B”)，和被配置成交替地在第一位置和第二位置之间传递CO2和液态烃进料的船舶(例如海上交通工具、陆上交通工具，如油罐卡车或油罐轨道车)。液态烃可经由船舶从点A运输到点B，以在点B进行后续的氢气产生。然后同一船舶可将从在点B产生的氢气捕获的CO2运输回到点A。在一个或多个实施例中，在点A和B处的设施可包含被配置成在CO2设施和液态烃设施之间提供热/冷集成(例如热传递、冷传递)的一个或多个热连结(例如热交换器、热管)。在运输方案的关键位置处的这种能量传递减少总的能量消耗和用于CO2/液态烃的储存和运输的运输成本。
现在更充分地参考附图来描述提及的用于运输液态烃和CO2的系统和方法，附图中示出所述系统和方法的一个或多个说明的实施例和/或布置。本申请的系统和方法不以任何方式限于说明的实施例和/或布置，因为图示实施例和/或布置。应当理解，附图中所示的系统和方法仅是本申请的系统和方法的示例，其可以所属领域技术人员所理解的各种形式来体现。因此，应理解，本文公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制系统和方法，而是被提供为用于向本领域的技术人员教示用于实施系统和方法的一种或多种方式的代表性实施例和/或布置。
图1显示根据一个或多个实施例用于CO2和液态烃运输的示例性系统的图，其利用CO2和液态烃设施的热/冷集成。系统包含包括CO2装载设施和烃卸载设施的第一位置“点A”(由虚线标示)、具有烃装载设施和CO2卸载设施的第二位置“点B”(由虚线标示)，和被配置成交替地在点A和B之间传递液体CO2和液态烃的船舶50。应理解，在点A和B处的烃和CO2设施包含例如如所属领域的一般技术人员所理解的用于控制CO2和烃物流的流动、温度和压力的许多容器、管、管线、连接器、量表和阀。举例来说，可存在一个或多个对接站(装卸站)作为点A和B，其含有允许确立流体连接并且调节流动的设备：(1)液态CO2下载和液态烃上载或(2)液态CO2上载和液态烃下载。
尽管在图1中将船舶50表示为海上船舶(例如，轮船或油轮)，但是在其它实施例中，船舶可为陆上交通工具(例如，用于火车的油罐卡车或油罐汽车)或被配置成用于运输LPG和CO2的其它类型的运载器。另外，虽然在附图中表示和在以下描述中描述的液态烃为液化石油气(LPG)，但是在其它实施例中，可利用其它类型的液态烃，如液化天然气(LNG)。如图1所示，船舶50可具有用于存储CO2和/或液态烃(例如LPG)的一个或多个储存容器(储存罐)52。
如所属领域中已知，典型的LNG海上运载器具有沿海上船舶的中心线定位的四到六个储存罐。这些储存罐周围为压载罐、隔离舱和空隙的组合，以便实际上为海上船舶提供双壳型设计。
在每个储存罐内，通常存在三个潜水泵。存在两个主货泵用于卸货操作，和有小得多的泵，称为喷洒泵。喷洒泵用于泵出液态LNG以用作燃料(经由汽化器)或用于冷却货罐。它还可用于在卸货操作中“剥离”最后一批货物。所有这些泵都含在所谓的泵塔内，所述泵塔从罐顶部悬挂并在罐的整个深度内运行。泵塔还含有储罐计量系统和储罐填充线，所有这些均位于储罐底部附近。
在膜式海上船舶中，还有空管，其上装有弹簧加载底阀，其可通过重量或压力打开。此结构表示紧急泵塔。如果两个主货泵都发生故障，那么可从此管上移除顶部，并且紧急货泵下降到管的底部。在塔上更换顶部，并且然后使泵向下推底阀并且将其打开。然后可安全地将货物泵出。
通常，所有货泵都排放到沿船舶甲板延伸的公共管中；所述公共管分支到船舶的任一侧，到用于装载或排放的货物歧管。所有货物罐蒸气空间均经由平行于货物总管延伸的蒸气总管联接。这还连接到紧邻装载和排放歧管的轮船的侧面。
因此，当容船舶包含LNG运载器时，流体(在这种情况下为LPG或CO2或其它合适的流体(液态或气态)穿过货物歧管，以装载和卸载相应的货物(例如，在这种情况下并且根据一个实施例，为LPG或CO2)。
继续参考图1，从点A开始，可通经由将气体冷凝物和石油物流分馏并随后液化在LPG产生单元10处产生LPG物流。应了解，可使用任何数量的常规技术来产生LPG物流。然后可将产生的LPG物流经由线100(例如，导管、管道)运输到LPG储存设施11(如罐)，其中将LPG存储在适当的温度和压力下以将LPG维持在液相。如本文参考附图所用，编号的“线”(例如，线100)是指被配置成在CO2的各种产生、加工和储存单元和烃设施之间传递流体(包括烃和/或CO2)的导管或管道。
在一个或多个实施例中，LPG储存设施11维持在约-50℃和环境温度之间温度和约0.5巴和15巴之间的压力下。然而，这些值仅是示例性的，并且根据储存设施的类型等可使用其它储存条件。
当船舶50准备好在点A装载时，经由线101从LPG储存设施11抽出LPG物流并且将其转移到LPG装载设施12。然后经由线102将LPG物流从装载设施12转移到船舶50。在至少一个实施例中，系统还可包含将LPG的一部分从船舶传递回到LPG装载单元12的气态LPG线120、LPG储存设施11，和/或LPG产生单元10。线120用于控制船舶中压力，因为在其中系统不能适应超压的情况下，可燃烧过量的LPG。
一旦将LPG装载到船舶50上(例如，通过货物歧管装载到货物罐中)，船舶50将LPG从点A(原点)运输到点B(目的地)。船舶50选择性地被配置成将LPG维持在用于LPG运输的选择压力和温度下，并且还被配置成维持用于液化的CO2运输的选择的压力和温度，如在下文进一步详细论述。
一旦运载LPG的船舶50到达点B，就将LPG通过线103从船舶50卸载到LPG卸载单元13。在卸载之后，然后将LPG物流经由线104从卸载单元13传送到LPG储存设施14。LPG储存设施14可为例如控制国内LPG分布的大容量设施，或可具有较小的容量，其被建造为在传递到工业或网络之前用于LPG卸载的缓冲器。类似于在点A的装载工艺，在一个或多个实施例中，在点B的LPG储存设施14(卸载LPG储存设施)包括气态LPG返回线121，其连接回到船舶50，以控制LPG储存设施14中的压力并且燃烧或排出系统中的任何超压积累。
在一个或多个实施例中，LPG物流可随后经由线105从储存设施14传送到附近LPG管线15，或替代地，到另一个工业设施。在至少一个实施例中，在传送到LPG管线15之后，LPG物流可经由线106进料到附近氢气产生设施20，其中氢气产生设施使用LPG物流作为原料以产生氢气。氢气产生单元20可基于蒸汽重整、部分氧化、自热重整或所属领域技术人员已知的可从烃原料产生氢气的任何其它技术。在这类单元中，所述与合成气分离并且进料到氢气网络或在附近工业(线200)中消耗。氢气产生单元20还可以可操作地连接到CO2捕获单元30。CO2捕获单元30被配置成从通常在高压力下传送的氢气产生单元20的合成气捕获CO2(经由线300)。在至少一个实施例中，可存在第二CO2捕获单元，其在其中氢气产生单元20利用蒸汽LPG重整工艺来制成氢气的一个实施例中从炉烟气(即，低压CO2物流)捕获CO2。在至少一个实施例中，这两个CO2捕获单元可组合在处理高压和低压CO2物流的一个单个单元中。
在至少一个实施例中，来自氢气产生单元20的CO2可从高压重整器捕获，并且CO2捕获率可适于匹配可在回到点A的LPG/CO2船舶中运输的最大CO2容量。在其中本地或附近工业中需要CO2的一个实施例中，CO2捕获单元可被设计和操作捕获CO2，使得一部分在船舶中运输，并且另一部分被保存用于附近工业(线400)。
在一个或多个实施例中，可利用CO2捕获单元30捕获由含碳源产生的CO2。举例来说，如图1所示，在一个或多个实施例中，可利用CO2捕获单元30捕获由氢气产生单元20和/或附近管线(线301)产生的CO2。在其它实施例中，由捕获单元30捕获的CO2可由烃(如LPG)的重整或化石燃料或生物质的燃烧产生。在至少一个实施例中，CO2捕获单元30可直接从空气捕获CO2。在图1的示例性实施例中，除了可从各种来源并且然后将其经由管线传递到港口从港口捕获远处的CO2的情况之外，CO2还由以烃(LPG或天然气)进料的氢气产生单元产生。
继续参考图1，由CO2捕获单元30捕获的CO2然后可经由线302传递到CO2液化单元31，其中CO2被调节并且液化到期望的储存条件和/或CO2运输条件。在一个或多个实施例中，然后经由线303将液化的CO2进料到CO2储存设施32，以聚集在船舶50中装载和运输所必需的体积。
在至少一个实施例中，CO2捕获单元30和CO2液化单元31可为单个单元，如基于冷或低温分离或蒸馏的CO2纯化单元。用于CO2捕获和液化的许多配置为用于通过分离或液化捕获CO2的领域中已知的，如在图5中例示，并且如Gang Xu等人,《能量(Energies)》2014,7,3484-3502,doi:10.3390/en7053484中示出和描述，其由此以引用的方式并入。在此情况下，如图1中所示的热连结1110可以可操作地连接在组合的捕获和液化单元与线103A和/或LPG储存单元14处的冷LPG物流之间。举例来说，在其中如图5所示CO2液化单元31与CO2捕获单元30集成的一个实施例中，热连结1100和/或1110(如图1中所示)可如图5所示设置在LPG与一个或多个内部热交换器或外部热交换器H1、H2、H3、H4、H5和H6，和/或他们之间的物流之间。LPG冷度配置可热连结到在高于LPG物流温度的温度下的CO2液化单元中的任何或多个物流或热交换器，所述LPG物流温度大体上在-50℃和环境温度之间。
在一个或多个实施例中，热连结1100和1110可为用于在CO2液化单元31和线103/103A和/或LPG储存单元14处的LPG物流之间建立热连通的领域中已知的任何机理。举例来说，热连结1100和/或1110可包含热交换器或热传递环路，以将LPG物流的冷度传递到CO2液化单元31，使得可有助于降低CO2物流的温度和其液化能量，并且因此充当冷接收器。由于LPG物流的低温，线103/103A和/或LPG储存单元14可用作CO2液化单元31的冷接收器。热传递环路可含有具有低冰点的传递流体，并且例如传递流体可使用泵或其它实用手段在热传递环路内循环。可以所属领域中已知的不同方式经由热传递环路(热连结1100和1110)完成将冷度从LPG(线103/103A和或LPG储存单元14)热传递到CO2液化单元31，包括经由热交换器翅片或盘管、热管以及合适的热交换器流体，例如高正常沸点温度烃，如戊烷、己烷或水乙二醇混合物。
在一个或多个实施例中，CO2液化单元31可独立于CO2捕获单元30，如图1中所示。在这类实施例中，CO2液化单元可基于外部制冷系统或闭环系统，如在图7中提出并且在Youngkyun Seo等人,用于基于轮船的碳捕获和储存(CCS)链的CO2液化压力的比较(Comparison of CO2 Liquefaction Pressures for Ship-Based Carbon Capture andStorage(CCS)Chain),《国际温室气体控制杂志(International Journal of GreenhouseGas Control)》,52(2016),1-12中示出和描述的系统，其由此以引用的方式并入。替代地，CO2液化单元可基于开环系统，如Linde Hampson系统(在图8中描绘，并且在Youngkyun Seo等人中示出和描述，其由此以引用的方式并入)和或另一种类似的系统。在如图7所示的实例的闭环系统情况下，热连结1100和/或1110(如图1所示)可如图7所示设置在LPG与一个或多个热交换器HX1、HX2、快速冷却器I、快速冷却器II和/或在它们之间的物流，和或线711之间。在如图8的敞开系统的情况下，热连结1100和/或1110(如图1所示)可设置如图8所示在LPG与一个或多个热交换器之间：热交换器I、热交换器II，和/或在它们之间的物流和/或线813。
再次参考图1，在至少一个实施例中，CO2可通过管线传送到CO2装载设施33并且可被预处理。在这类实施例中，仍然需要在单元31处的CO2液化工艺，然而其配置可与上文提出的各种液化单元不同。举例来说，图9示出管线CO2液化的优化的工艺配置，如在中Frithjof Engel,对用于轮船运输的管线CO2物流的液化的改进(Improvements on theLiquefaction of aPipeline CO2 Stream for Ship Transport),《国际温室气体控制杂志》72(2018)214-221示出和描述，其由此以引用的方式并入。在此类配置中，本系统的热连结1100和/或1110(如图1所示)可如图9所示设置在LPG(线103/103A和或LPG储存单元14)与一个或多个热交换器HX21、HX22、HX23、HX24，和或在它们之间的物流之间。
再次参考图1，当船舶50准备好装载CO2时，CO2装载设施33经由线304从CO2储存设施32抽出CO2并且经由线305将其传递到船舶50。在至少一个实施例中，到CO2液化单元31和/或CO2储存设施32的气态CO2返回线可用于控制在装载CO2期间船舶50中的压力。如果长距离运输，那么CO2可通过处于超临界状态的管线运输。在此情况下，超临界CO2将在转移到船舶50之前液化。
在一个或多个实施例中，船舶50可被配置成允许同时装载CO2和卸载LPG，并且相反，同时装载LPG和卸载CO2。在这类实施例中，在点B，船舶50被配置成通过线103卸载LPG，并且同时通过线305装载CO2。在其中同时存在装载和卸载的至少一个实施例中，LPG卸载线103和/或线104可与CO2液化单元31热连结1100，使得LPG物流的冷度可有助于降低CO2物流的温度和其液化。如本文表达，“热连结”是指一个或多个热交换器；通过散热管或通过中间流体环路的热传递；通过由较热的物流加热和由较冷的物流冷却的中间固体材料的热传递；或所属领域的技术人员已知的允许在两个物流之间热传递(或冷传递)的其它手段。
在至少一个实施例中，在点B卸载LPG期间，全部或一部分LPG卸载线103可在经由线103A传递到LPG卸载单元13之前进料到膨胀装置16。卸载的LPG的至少一部分进料到膨胀装置16降低LPG的压力及其温度。在一个或多个实施例中，线103A与以下中的一个或多个热连结(例如经由热连结1110)：CO2液化单元31、CO2装载物流305、将船舶50连接到CO2储存设施32或CO2液化单元31的CO2蒸气物流，和/或LPG储存单元14。在一个或多个实施例中，在线103和一个或多个上述线或单元之间的热连结1110可使线103A中的低温低压LPG物流维持其温度。在这类实施例中，可在将较高温度LPG物流(线103)进料到储存器之前压缩和再液化。
一旦完成CO2装载，船舶50可将CO2从点B运输到点A。替代地，船舶50可将全部或一部分CO2运输到另一个陆上、岸上或近海的卸载点。在至少一个实施例中，CO2可以浆液运输，所述浆液为固体CO2悬浮在液态CO2中的混合物，以最大化CO2进入并且利用潜热来抑制在运输期间CO2的热损失和蒸发。
在一个或多个实施例中，船舶50可具有在运输期间冷凝LPG蒸发的专用的压缩和液化单元，和用于CO2蒸发液化的另一个压缩和液化单元。替代地，船舶50可对CO2和LPG使用相同的蒸发液化单元。图4示出根据一个或多个实施例的具有带有蒸发压缩和液化单元69的船舶的典型的LPG/CO2运输方案。
CO2的典型的蒸发再液化单元在图6示出，并且在Seok Goo Lee等人,《化学工程研究与设计(Chemical Engineering Research and Design)》124(2017)29-45中示出并且描述，其由此以引用的方式并入。在某些配置中，不存在不可凝化合物与CO2的分离。然而，如图1所示，在一个或多个实施例中，不可凝化合物可在船舶50上运输期间与CO2物流分离。
如在图1中例示，在一个或多个实施例中，本申请的系统公开一种蒸发液化单元，其包含氮气分离单元或不凝物分离单元61，这降低不凝气体在液态CO2中的含量，并且减少蒸发再液化花费的能量。如图1所示，不凝物分离单元61示出为氮气(N2)分离单元。然而，应理解，在一个或多个实施例中，除氮气外的不凝气体也可在分离单元61中与CO2分离，包括但不限于O2、CO或甲烷。在一个或多个实施例中，当船舶运输CO2时，船舶中的蒸发物流601在蒸发压缩单元60中压缩并且通过线602进料到不凝物分离单元61，其中氮气和其它不可凝化合物与CO2物流分离。分离的氮气(N2)和不可凝化合物经由线603从分离单元61移除。然后将分离的CO2物流传递到蒸发液化单元62，在此处液化，然后通过线605进料回到船舶50的储存容器52。因此，使用蒸发液化和压缩单元以及不凝物分离单元，本系统可在CO2在船舶50上运输时被纯化。
分离单元61可基于膜技术、吸附技术或所属领域中已知的可将氮气和不可凝化合物与CO2物流分离的分离单元61的优选的实施例包含膜技术和/或低温分离。在此后一种情况下，单元61可为低温单元，其同时液化CO2并且拒绝不可凝化合物，如分离单元(在图5中提出)和在Gang Xu等人,《能量(Energies)》2014,7,3484-3502,doi:10.3390/en7053484中示出和描述，其由此以引用的方式并入。
在其中CO2从点B运输到点A的一个实施例中，在到达点A后，CO2经由线306从船舶离开传递到CO2卸载单元34，然后经由线307将CO2传送到中间CO2储存设施35中。在设施35处临时储存之后，CO2可通过线308传送到CO2压缩站(单元)36，其中CO2物流压缩到预定CO2利用压力或CO2管线压力。在一个或多个实施例中，然后可将至少一部分压缩的CO2通过线309离开站36运输并且进入CO2管线38。
在一个或多个实施例中，点A还可包含超临界CO2循环37，其可操作地连接到CO2压缩站36和/或CO2管线38。来自站36的至少一部分压缩的CO2可经由线310进料到超临界CO2循环37。
在一个或多个实施例中，从CO2储存设施35抽出的CO2(大体上在约-50℃和环境温度之间操作)在CO2压缩站36中压缩到CO2管线压力。CO2管线压力可在约10巴到约200巴的范围内，并且在至少一个实施例中，高于200巴。在某些实施例中，然后可将至少一部分CO2传送到利用工厂，在地下含水层或地质层中隔离，或用于提高石油采收率或对储层加压。
在至少一个实施例中，CO2压缩单元36将CO2压缩到高于CO2管线压力(通常200到500巴)的压力，并且经由线310将CO2的至少一部分提供到超临界CO2单元37，其中CO2用作原动流体以产生动力。图2中提供根据一个或多个实施例的示例性超临界CO2单元(例如超临界CO2底循环)。
参考图2，在超临界CO2单元37中，使高压冷CO2物流与LPG设施热连结(如图1所示的热连结1010和1011)，然后在内部热交换器2000中进一步加热。然后CO2物流可经由线320转移到与热源40加热连结1030的外部热交换器2001。举例来说，热源40可为在邻近工厂中可用的废热，或来自LPG生产设施的使用区域的热，或来自附近工业的可用的任何热。此加热连结1030可允许在线321离开外部热交换器2001的CO2物流的温度达到约100℃到800℃。然后可将此高压高温CO2物流(在线321中)传送到CO2涡轮2003，其中涡轮2003膨胀以产生机械功并且最终产生电。在一个或多个实施例中，经由线322离开CO2涡轮2003的CO2物流的压力仅高于CO2管线压力，并且温度在约80℃和约700℃之间。然后可将在线322中的CO2物流进料到其中将其冷却的内部热交换器2000，在时加热从线310进入的高压CO2物流，并且然后通过线311离开热交换器2000，以进料CO2管线38。
在某些实施例中，用于超临界CO2循环37的其它配置可如所属领域中已知的使用，包括其中存在多级压缩的配置。如所描述的本申请的系统还允许与热源40加热连结，并且与具有所属领域的技术人员已知的这些其它超临界CO2循环配置中的任一个的LPG设施热连结。在至少一个实施例中，CO2压缩站36可为多级压缩系统，其中一部分CO2压缩到CO2管线压力，并且通过线309传送到CO2管线38，而剩余部分的CO2物流压缩到较高压力，并且通过线310进料到超临界CO2循环37。
在其中船舶50被配置成允许在点A同时装载LPG和卸载CO2的一个实施例中，在CO2卸载线306和LPG装载线102或LPG线101之间可存在热连结1000。热连结1000允许在LPG物流(通常维持在环境和约-40℃之间的温度下)和CO2物流(通常维持在CO2三相点温度[约-56℃]和+10℃之间)之间进行热传递。此热传递允许LPG物流进一步冷却，并且与LPG储存设施11相比，以较低的温度存储在船舶50中。另外，在至少一个实施例中，LPG物流的额外的冷度可用于维持LPG卸载位置(点B)处的LPG物流的温度和/或用于额外的能量传递。在至少一个实施例中，CO2卸载线306可与气态LPG线120热连结(热连结1001)，这允许气态LPG冷凝，减少LPG产生单元10和/或LPG储存设施11的装载。
如同在点B热连结1100和1110，热连结1000和1001可包含一个或多个热交换器或热传递环路，其可含有例如具有低冰点的传递流体。传递流体可使用泵或其它实用手段在热传递环路内循环。可以所属领域中已知的不同方式经由(一个或多个)热传递环路(热连结1000和1001)完成LPG线(线102和120)和CO2线306之间的热传递，包括经由热交换器翅片或盘管、热管，以及合适的热交换器流体，例如高正常沸点温度烃，如戊烷、己烷或水乙二醇混合物。
在至少一个实施例中，两个船舶50可用于同时装载/卸载液态烃(例如LPG)和CO2，并且船舶可经由一个或多个热连结联接在一起。举例来说，第一船舶可到达并且在点B开始卸载LPG，并且第二船舶可几小时或一天后到达(根据卸载流体的量)也卸载其LPG货物。在第二船舶卸载LPG时，第一船舶的储存罐可进行吹扫并且调节以接收CO2。如此，经由第二船舶和第一船舶之间的热连结，从第二船舶卸下的LPG的冷度可用于冷却装载到第一船舶上的CO2物流，或为连接到第一船舶的CO2液化单元提供冷度。
在其中船舶50未被配置用于同时装载/卸载的一个实施例中，CO2物流的冷度可有助于经由热连结1010液化在LPG产生单元10处的LPG和/或通过热连结1011维持在LPG储存设施11处的LPG的温度。热连结1010和1011可将LPG产生单元10和/或LPG储存设施11与线307、线309、线310和/或CO2储存设施35中的一个或多个连接。虽然图1将热加热连结1011示出为可操作地连接到LPG储存单元11，但是在至少一个实施例中，热连结1011可以可操作地连接到LPG产生单元10和/或LPG线100。如同在点B热连结1100和1110，热连结1010和1011可包含一个或多个热交换器或热传递环路，其可含有例如具有低冰点的传递流体。传递流体可使用泵或其它实用手段在热传递环路内循环。可以所属领域中已知的不同方式经由热传递环路(热连结1100和1110)完成LPG设施(LPG产生单元10、LPG产生单元11)和CO2设施(超临界CO2循环37、CO2储存器35)液化单元31之间的热传递，包括经由热交换器翅片或盘管，以及合适的热交换器流体，例如高正常沸点温度烃，如戊烷、己烷或水乙二醇混合物。还应理解，本申请的系统的其它热连结可以类似方式或通过如所属领域的技术人员将理解的其它实用手段布置。
如上文所讨论，一旦船舶已在点A装载LPG装载(并且已卸载CO2)，所述船舶可将LPG装载从点A运输到点B。替代地，船舶可将全部或一部分LPG装载运输到另一个陆上、岸上或近海的卸载点。船舶50被配置成在运输期间满足并且维持LPG以及在运输期间液化CO2的压力和温度要求。举例来说，船舶可被配置成运输在其三相点温度(约-56℃)和+10℃之间和在约5巴和约50巴之间的压力下的CO2。在至少一个实施例中，船舶被配置成运输接近其三相点条件(在三相点温度和-40℃之间的某处)和在5和15巴之间的压力下的CO2。船舶可具有专用的制冷和液化单元，以沿途冷凝LPG蒸发，或对于CO2和LPG可使用同一蒸发液化单元。
如上文所讨论，船舶50可具有用于存储CO2和/或液态烃(例如LPG)的一个或多个储存容器(储存罐)52。在一个或多个实施例中，船舶50可具有用于LPG(或其它液化烃物流)的至少一个专用储存容器和用于CO2的至少一个专用储存容器。在一个或多个实施例中，用于LPG和CO2的储存容器可为半加压和制冷的。在至少一个实施例中，可使用公共储存容器在运输方案的相应方向上运输LPG(或其它液化烃物流)和CO2。在其中使用公共储存容器的实施例中，当从一种流体切换到另一种时，必须执行对储存罐调节(例如减压、先前流体CO2或LPG的吹扫)。
应理解，在各个装载和卸载设施处，如在如图1所示的点A和B，船舶50被配置成使用被配置成为传递或接收进出船舶的液化烃和/或CO2物流提供流体连接的一个或多个可拆卸的连接器51(例如选择性地可连接的管或管道)选择性地连接到各个装载和卸载设施。在一个或多个实施例中，每个连接器51可包含两个部分。连接器51的第一部分选择性地附接到装载和卸载设施的管/管道。同样地，连接器51的第二部分可选择性地附接到船舶的储存罐的管/管道。连接器51的第一部分和第二部分可啮合在一起，在船舶的储存罐的管/管道和装载或卸载设施的管/管道之间形成密封连接。
还应理解，虽然上文描述大体上是指在“点A”和“点B”之间运输LPG和CO2的船舶，但是在某些实施例中，船舶50可将液态烃物流和/或CO2运输到除点A和点B外的位置，如其它陆上、岸上或近海位置。运输到其它位置可代替运输到点A和/或点B或除了运输到点A和/或点B之外。
图3A-3B提供根据一个或多个实施例的CO2和液态烃运输方案的实施例的高级图，包括运输方案中的示例性热连结(包括热交换器B2和CX2)。具体地说，图3A-3B显示高级方案，其展示一些集成选项和在不同流动中预期的温度和压力的水平。
在至少一个实施例中，可遵循与图3A-3B所示相同的CO2与烃的共同运输的逻辑，并且所述逻辑可包括在运输方案的两端的热集成。在一个或多个实施例中，如图1和3A-3B所示的LPG可被液化天然气(LNG)替换。在这类实施例中，CO2和LNG可在同一船舶中运输，并且可在两个终端(即，点A和B)具有热集成。在这类实施例中的主要差别在于，LNG在低于CO2的温度下运输，因此在目的地终端(即，点B)使用LNG冷度液化CO2并且维持CO2储存设施的温度。在LNG装载侧(点A)，CO2冷度用于辅助LNG的液化。在所有情况下，进料超临界CO2循环的CO2将保持相同。
在至少一个实施例中，LPG可被其它烃类物质(优选地单独地或如混合物的C1到C7烃之间)替换，如乙烯、二甲醚(DME)，或选择性地运输回CO2的任何其它氢气载体。此外，在至少一个实施例中，LPG可被液化氨替换。
因此，如在上文描述中所描述，本发明的系统和方法在卸载和/或邻接设施和运输的物品(例如CO2和LPG)的冷度之间热传递和能量回收。此外，本发明的系统和方法允许有效再液化CO2蒸发和CO2纯化，同时移除不凝气体(例如氮气)。另外，本发明的系统和方法允许通过允许使用运载烃(如LPG或氨)的同一船舶在其返回途中运输CO2以装载额外的烃代替空载返回来降低CO2运输成本，这节省大量的CO2运输成本。本发明的系统和方法还教示与卸载终端和/或附近设施冷度集成，这降低卸载终端处的总能量强度。
本发明的系统和方法还克服所属领域中的缺点。具体地说，缺少高效或经证实的方式来远距离运输液态氢(即，液态烃)，并且其它氢气载体选择(如氨或甲基环己烷)为昂贵的。另外，本技术在两个终端处(例如在本发明方案中，点A和点B)不联接LPG和CO2的冷度的能量回收。最后，本发明的系统和方法允许在运输链的不同部分中热/冷集成，并且在船舶中运输CO2进料时将其纯化，由此节省总能量消耗并且降低CO2运输成本。如此，本发明系统可为总碳捕获和封存(CCS)链的重要部分。
应理解，尽管许多前文描述已涉及用于有效地运输液态烃和CO2的系统和方法，但本文公开的系统和方法可类似地部署和/或实施于远远超出所提及的情境、情况和场合中。应另外理解，任何这类实施方案和/或部署都在本文描述的系统和方法的范围内。
应另外理解，贯穿若干图，图中相同的编号表示相同的元件，并且参考附图描述和说明的所有组件和/或步骤并非对于所有实施例或布置都是需要的。另外，本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”还旨在包括复数形式。应另外理解，在用于本说明书中时，术语“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”以及其变型在本文中指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
应注意，序数术语如“第一”、“第二”、“第三”等的使用，在修改权利要求元素的权利要求中，权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个权利要求元素的任何优先级、优先权或顺序，或者进行方法动作的时间顺序，而是仅用作标签来区分具有特定名称的一个权利要求元素和具有相同名称的另一个元素(但是为使用序数术语)，以区分权利要求元素。
上面描述的主题仅以说明方式提供，并且不应被理解为具有限制性。可对本文描述的主题进行各种修改和改变，而不遵循说明和描述的实例实施例和应用，并且不脱离本发明的真实精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于依次从船舶中的至少一个储存罐卸载CO2和用于将LPG装载到同一船舶的储存罐中的装卸站，其包含：
LPG产生单元（10）；
LPG储存单元（11），所述LPG储存单元（11）与所述LPG产生单元（10）流体连通；
第一连接器，其用于流体连接到所述LPG储存单元（11），以将所述LPG装载到所述船舶的所述储存罐中；
第二连接器，其用于将所述CO2卸载到CO2储存单元（35）中；
CO2压缩单元（36），其将所述CO2压缩到高于预定压力；
超临界CO2单元（37），其从所述CO2压缩单元（36）接收CO2，其中超临界CO2单元（37）包括：
内部热交换器（2000）、外部热交换器（2001）和CO2涡轮（2003），其中所述内部热交换器和外部热交换器被配置成加热高压冷CO2物流以形成高压高温CO2物流，以及其中所述CO2涡轮（2003）被配置成使所述高压高温CO2物流膨胀以产生动力；和
热连结，其使来自所述超临界CO2单元（37）和所述CO2压缩单元（36）的高压冷CO2物流与所述LPG产生单元（10）和所述LPG储存单元（11）接触，其包括：
第一热连结（1010），其被配置成从所述冷CO2物流传递冷度，以促进所述LPG产生单元（10）中的所述LPG的液化；和第二热连结（1011），其被配置成维持所述LPG储存单元（11）的温度。
2.根据权利要求1所述的装卸站， 其中所述内部热交换器（2000）被配置成加热所述高压冷CO2物流并且将所述高压冷CO2物流传递到所述外部热交换器（2001），
其中所述外部热交换器（2001）被配置成进一步加热所述高压冷CO2物流，以产生所述高压高温CO2物流，并且被配置成将所述高压高温CO2物流传递到所述CO2涡轮（2003）。
3.根据权利要求2所述的装卸站，其还包含：
经由加热连结（1030）可操作地连接到所述外部热交换器（2001）的热源（40），其中所述热源（40）提供用于在所述外部热交换器（2001）中加热所述高压冷CO2物流的能量。
4.根据权利要求3所述的装卸站，其中离开所述外部热交换器（2001）的所述高压高温CO2物流的温度在100℃到800℃的范围内。
5.根据权利要求1所述的装卸站，其中所述CO2压缩单元（36）将所述CO2压缩到在200到500巴的范围内的压力。
6.根据权利要求1所述的装卸站，还包括：
LPG装载单元（12），其构造成经由第一连接器将LPG从LPG储存单元（11）转移到船舶中的至少一个储存罐。
7.根据权利要求6所述的装卸站，还包括：
CO2卸载单元（34），其构造成将CO2从所述船舶中的至少一个储存罐转移到所述CO2储存单元（35）。
8.根据权利要求7所述的装卸站，还包括：
第三热连结（1000），其中第三热连结（1000）构造成在从LPG装载单元（12）转移的LPG和转移到CO2卸载单元（34）的CO2之间传递热量。
9.根据权利要求3所述的装卸站，其中，所述热源是来自邻近使用工厂中的废热。
10.根据权利要求1所述的装卸站，还包括：
与CO2压缩单元（36）和超临界CO2单元（37）流体连通的CO2管线（38），其中所述CO2管线构造成从所述CO2压缩单元（36）接收至少一部分压缩的CO2。
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