CN113309985A - 一种零碳排放的lng燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，属于能源利用技术领域。包括LNG冷能梯级利用子系统、尾气余热梯级利用子系统和CO2液化捕获子系统；LNG和载冷剂之间通过换热，实现LNG冷能梯级利用；船舶主机通过换热器和蒸汽透平连接实现尾气余热梯级利用；CO2液化捕获子系统中船舶主机产生的CO2通过换热器和海水淡化蒸发器连接，海水淡化蒸发器通过汽水分离器和液态CO2储罐连接实现CO2的液化捕获；本发明能够满足船舶用电、冷库制冷、空调制冷、海水淡化等需求。减少了LNG冷能与尾气余热的浪费，提高船舶能源利用率，同时减少碳排放，实现船舶能源利用系统的节能减排。
Description
技术领域
本发明涉及一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，属于能源利用技术领域。
背景技术
随着中国提出2060年碳中和目标，发布“十四五”节能减排综合工作方案，以及国际海事组织(IMO)发布实施2020年排放新规，船舶行业正不断探索新的节能减排措施。LNG即液化天然气被公认为是地球上最干净的化石能源，有望成为未来船舶环保燃料之一。LNG燃料在使用过程中需要汽化后通入主机进行燃烧，在1个标准大气压下，温度由-162℃升高至0℃，可释放约8.5×105kJ/t的冷量，具有十分巨大的利用价值。此外，天然气在发动机内燃烧后会产生300℃以上的高温废气，如果直接排放会同时造成大量的低温余热资源的浪费与热污染。
船舶的用电、空调、冷库以及淡水是船舶必不可少的重要组成部分，其间存在的大量冷热交换为热工转换为冷能与余热的利用提供了有利的条件。结合LNG动力船动力设备配置与实际运行工况，利用LNG冷能和尾气余热解决船舶用电、空调制冷、冷库制冷以及淡水的需求，同时实现尾气CO2的回收捕捉，可以极大程度地减少LNG冷能与尾气余热的浪费，提高船舶能源利用率，实现船舶能源利用系统的节能减排。
发明内容
本发明的目的是为解决如何提高船舶能源利用率，实现船舶能源利用系统节能减排的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，包括LNG储罐、换热器、天然气透平和船舶主机；LNG储罐通过换热器依次和天然气透平、船舶主机连接；还包括LNG冷能梯级利用子系统、尾气余热梯级利用子系统和CO2液化捕获子系统；LNG冷能梯级利用子系统包括载冷剂储箱和载冷剂应用端；LNG储罐和载冷剂储箱之间通过换热器连接，载冷剂储箱与载冷剂应用端连接；尾气余热梯级利用子系统包括换热器三和蒸汽透平；船舶主机通过换热器三和蒸汽透平连接；CO2液化捕获子系统包括换热器三、海水淡化蒸发器、汽水分离器和液态CO2储罐；船舶主机通过换热器三和海水淡化蒸发器连接，海水淡化蒸发器通过汽水分离器和液态CO2储罐连接。
优选地，所述LNG储罐和换热器之间设有输送泵一，所述LNG储罐和天然气透平之间并联设有换热器一和换热器二。
优选地，所述汽水分离器通过换热器一和液态CO2储罐连接。
优选地，所述载冷剂应用端通过换热器二与载冷剂储箱回收端连接。
优选地，所述载冷剂应用端包括低温冷库、高温冷库、空调器和海水淡化系统。
优选地，所述海水淡化系统包括海水过滤器、海水淡化蒸发器和海水淡化冷凝器；海水过滤器通过海水淡化蒸发器和海水淡化冷凝器连接；海水淡化冷凝器通过换热器二与载冷剂储箱回收端连接。
优选地，所述海水淡化冷凝器与载冷剂储箱输出端之间设有输送泵二。
优选地，所述天然气透平和船舶主机之间设有压力传感器和温度传感器。
优选地，所述输送泵一和换热器一之间设有阀门一；输送泵一和换热器二之间设有阀门二。
优选地，所述载冷剂储箱输出端设有阀门三；载冷剂储箱与低温冷库之间设有阀门四；载冷剂储箱与高温冷库之间设有阀门五；载冷剂储箱与空调器之间设有阀门六。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，包括LNG冷能梯级利用子系统，尾气余热梯级利用子系统和CO2液化捕获子系统，可同时实现LNG冷能梯级利用，尾气余热梯级利用和CO2的液化捕获，能够满足船舶用电、冷库制冷、空调制冷、海水淡化等需求。极大程度地减少了LNG冷能与尾气余热的浪费，提高船舶能源利用率，同时能够液化捕获CO2，减少碳排放，实现船舶能源利用系统的节能减排，以满足国家碳中和目标以及节能减排国家战略的需要。
附图说明
图1为本发明结构原理示意图；
附图标记：1.LNG储罐；2.安全阀；3.输送泵一；4.阀门一；5.阀门二；6.换热器一；7.液态CO2储罐；8.换热器二；9.载冷剂储箱；10.低温冷库；11.高温冷库；12.空调器；13.天然气透平；14.压力传感器；15.温度传感器；16.船舶主机；17.换热器三；18.蒸汽透平；19.输送泵二；20.海水过滤器；21.海水淡化蒸发器；22.海水淡化冷凝器；23.汽水分离器；24.阀门三；25.阀门四；26.阀门五；27.阀门六。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1所示，本发明提供一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，包括LNG储罐1、换热器、天然气透平13和船舶主机16；LNG储罐1通过换热器依次和天然气透平13、船舶主机16连接；还包括LNG冷能梯级利用子系统、尾气余热梯级利用子系统和CO2液化捕获子系统；LNG冷能梯级利用子系统包括载冷剂储箱9和载冷剂应用端；LNG储罐1和载冷剂储箱9之间通过换热器连接，载冷剂储箱9与载冷剂应用端连接；尾气余热梯级利用子系统包括换热器三17和蒸汽透平18；船舶主机16通过换热器三17和蒸汽透平18连接；CO2液化捕获子系统包括换热器三17、海水淡化蒸发器21、汽水分离器23和液态CO2储罐7；船舶主机16通过换热器三17和海水淡化蒸发器21连接，海水淡化蒸发器21通过汽水分离器23和液态CO2储罐7连接。LNG储罐1和换热器之间设有输送泵一3，LNG储罐1和天然气透平13之间并联设有换热器一6和换热器二8。汽水分离器23通过换热器一6和液态CO2储罐7连接。载冷剂应用端通过换热器二8与载冷剂储箱9回收端连接。载冷剂应用端包括低温冷库10、高温冷库11、空调器12和海水淡化系统。海水淡化系统包括海水过滤器20、海水淡化蒸发器21和海水淡化冷凝器22；海水过滤器20通过海水淡化蒸发器21和海水淡化冷凝器22连接；海水淡化冷凝器22通过换热器二8与载冷剂储箱9回收端连接。海水淡化冷凝器22与载冷剂储箱9输出端之间设有输送泵二19。天然气透平13和船舶主机16之间设有压力传感器14和温度传感器15。输送泵一3和换热器一6之间设有阀门一4；输送泵一3和换热器二8之间设有阀门二5。载冷剂储箱9输出端设有阀门三24；载冷剂储箱9与低温冷库10之间设有阀门四25；载冷剂储箱9与高温冷库11之间设有阀门五26；载冷剂储箱9与空调器12之间设有阀门六27。
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是：结合LNG动力船动力设备配置与实际运行工况，利用LNG冷能和尾气余热解决船舶用电、空调、冷库以及淡水的需求，同时回收尾气中的CO2，实现船舶尾气的零碳排放，极大程度地减少LNG冷能与尾气余热的浪费，提高船舶能源利用率，实现船舶能源利用系统的节能减排。
为实现上述目的，本发明提出一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，包括LNG冷能梯级利用子系统，尾气余热梯级利用子系统，CO2液化捕获子系统，各子系统协调运行，同时解决船舶用电、空调制冷、冷库制冷及淡水饮用需求。高压液态LNG一方面通过换热器液化CO2，另一方面通过换热器与载冷剂换热，之后进入天然气透平膨胀做功发电，最终进入LNG燃料发动机中燃烧。载冷剂分别作为低温冷库、高温冷库、空调器、海水淡化冷凝器的冷源载体，再重新与气化过程中的LNG换热，实现循环。LNG进入发动机中燃烧后排放的高温尾气依次通过换热器加热主机套缸水产生高温蒸汽进入透平膨胀做功发电，作为海水蒸发冷凝制取淡水的热源，流经CO2水分离装置，最终利用LNG汽化过程中的冷能实现液化收集。
为了高效充分利用LNG汽化过程中的冷能，LNG冷能梯级利用子系统中的换热器采用高效耐高压管壳式换热器。
LNG冷能梯级利用子系统中在液化CO2、与载冷剂换热的两条支路上均设有流量调节阀，可根据需要液化的CO2的量以及末端冷量实际需求进行及时的调整。
在主机燃料进口处设有压力表和温度计用于实时监控天然气进主机燃烧前的压力和温度。
载冷剂可采用乙二醇水溶液或丙二醇水溶液或二氯甲烷等低温载冷剂。载冷剂在流经低温冷库、高温冷库、空调器的支路上设有流量调节阀。流量调节阀采用PLC控制，根据实际的制冷需求进行合理的冷量分配。低温冷库、高温冷库、空调器三个支路互相独立，互不影响。
CO2液化捕获子系统：CO2在与LNG换热液化前对尾气进行提纯处理。提纯处理可以采用汽水分离器去除尾气中的水蒸气，亦可采用选择性水吸附剂如硅胶等吸附尾气中的水蒸气。液态CO2储存在密闭容器中，可增设阀门管路用于对船用CO2灭火器瓶内液体的补充。
海水淡化过程采用海水蒸发后冷凝的方法，蒸发所需热源来自主机燃烧后的尾气，冷凝所需冷源来自LNG汽化过程产生的冷量。海水淡化过程中，在海水进入蒸发器前设有海水过滤器用于除去海水中的杂质。
本发明提供一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，与现有技术相比，本发明获得的增益效果为：实现采用LNG作为燃料的船舶利用LNG在汽化过程中产生的冷能和主机运行时产生的尾气余热解决船舶用电、空调制冷、冷库制冷以及海水淡水的需求，同时回收尾气中的CO2，实现船舶尾气的零碳排放，极大程度地减少LNG冷能与尾气余热的浪费，提高船舶能源利用率，实现船舶能源利用系统的节能减排。LNG汽化过程中与载冷剂换热，载冷剂携带LNG冷能分别用作低温冷库、高温冷库、空调器和海水淡化冷凝器的冷源；LNG经过两次换热后进入天然气透平膨胀做功发电，之后进入主机燃烧，产生的高温尾气加热主机套缸冷却水为高温高压蒸汽用于透平膨胀做功发电，后续的较高温度的尾气用作海水淡化蒸发器处的热源，最终与汽化过程中的LNG进行热交换液化至密闭容器中；海水经过过滤器后受主机尾气加热后蒸发再与载冷剂换热冷凝，制取淡水，满足船用淡水需求
实施例
如图所示，本发明提供一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，包括LNG冷能梯级利用子系统，尾气余热梯级利用子系统，CO2液化捕获子系统。其中LNG冷能梯级利用子系统主要由LNG储罐1、输送泵一3、换热器一6、换热器二8、天然气透平13、船舶主机16、载冷剂储箱9、输送泵二19、海水淡化冷凝器22以及若干阀门管路等部件组成；尾气余热梯级利用子系统主要由船舶主机16、换热器三17、蒸汽透平18、海水淡化蒸发器21以及管路等部件组成；CO2液化捕获子系统主要由尾气汽水分离器23，换热器一6，液态CO2储罐7以及管路等部件组成。
一、LNG冷能梯级利用子系统
LNG通过安全阀2释放，由输送泵一3输送，分为两个支路，每个支路上设有阀门一4和阀门二5，用于控制管路中LNG的流量。支路一中LNG在换热器一6内与CO2气体换热，逐渐汽化，所释放的大量冷能被CO2气体吸收利用，CO2气体液化存储于液态CO2储罐7中。支路二中LNG在换热器二8内与载冷剂换热，自身逐渐汽化，所释放的大量冷能被载冷剂吸收利用，低温载冷剂用作低温冷库10、高温冷库11、空调器12和海水淡化冷凝器22的冷源。载冷剂储存在载冷剂储箱9中，通过阀门三24，阀门四25，阀门五26和阀门六27的开度变化合理调节载冷剂各支路的流量，阀门的开度变化由PLC控制器根据低温冷库10、高温冷库11、空调器12的实际温度来控制。汽化后温度升高的高压天然气进入天然气透平13中进行透平发电，以满足船舶用电需求。经过透平后的低压天然气受压力传感器14和温度传感器15监控，达到主机进气所需的温度和压力要求，进入船舶主机16内燃烧。
二、尾气余热梯级利用子系统
天然气进入主机燃烧后产生的高温CO2尾气将主机套缸水加热至高温高压的蒸汽，这部分蒸汽进入蒸汽透平18中进行透平发电，以满足船舶用电需求。与主机套缸水换热后的高温尾气在海水淡化蒸发器21中加热流经海水过滤器20的海水，用作海水蒸发的热源。之后尾气流经汽水分离器23进行提纯，经过提纯后的CO2气体在换热器一6中吸收利用LNG汽化释放的冷能，进而液化存储于液态CO2储罐7中，完成尾气CO2的回收，实现船舶动力系统零碳排放。
海水先流经海水过滤器20以除去海水中的杂质和颗粒物，之后海水被高温的CO2尾气加热蒸发，再在海水淡化冷凝器22中与低温载冷剂换热，遇冷冷凝成淡水，实现海水淡化，满足船舶淡水需求。
三、CO2液化捕获子系统
LNG在主机燃烧后的尾气流经海水淡化蒸发器21，进入汽水分离器23中分离出高纯度的CO2气体，并在换热器一6中与LNG换热，逐渐液化，最终存储于液态CO2储罐7中。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，包括LNG储罐、换热器、天然气透平和船舶主机；LNG储罐通过换热器依次和天然气透平、船舶主机连接；其特征在于：还包括LNG冷能梯级利用子系统、尾气余热梯级利用子系统和CO2液化捕获子系统；LNG冷能梯级利用子系统包括载冷剂储箱和载冷剂应用端；LNG储罐和载冷剂储箱之间通过换热器连接，载冷剂储箱与载冷剂应用端连接；尾气余热梯级利用子系统包括换热器三和蒸汽透平；船舶主机通过换热器三和蒸汽透平连接；CO2液化捕获子系统包括换热器三、海水淡化蒸发器、汽水分离器和液态CO2储罐；船舶主机通过换热器三和海水淡化蒸发器连接，海水淡化蒸发器通过汽水分离器和液态CO2储罐连接。
2.如权利要求1所述的一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，其特征在于：所述LNG储罐和换热器之间设有输送泵一，所述LNG储罐和天然气透平之间并联设有换热器一和换热器二。
3.如权利要求2所述的一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，其特征在于：所述汽水分离器通过换热器一和液态CO2储罐连接。
4.如权利要求3所述的一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，其特征在于：所述载冷剂应用端通过换热器二与载冷剂储箱回收端连接。
5.如权利要求4所述的一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，其特征在于：所述载冷剂应用端包括低温冷库、高温冷库、空调器和海水淡化系统。
6.如权利要求5所述的一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，其特征在于：所述海水淡化系统包括海水过滤器、海水淡化蒸发器和海水淡化冷凝器；海水过滤器通过海水淡化蒸发器和海水淡化冷凝器连接；海水淡化冷凝器通过换热器二与载冷剂储箱回收端连接。
7.如权利要求6所述的一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，其特征在于：所述海水淡化冷凝器与载冷剂储箱输出端之间设有输送泵二。
8.如权利要求7所述的一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，其特征在于：所述天然气透平和船舶主机之间设有压力传感器和温度传感器。
9.如权利要求8所述的一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，其特征在于：所述输送泵一和换热器一之间设有阀门一；输送泵一和换热器二之间设有阀门二。
10.如权利要求9所述的一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，其特征在于：所述载冷剂储箱输出端设有阀门三；载冷剂储箱与低温冷库之间设有阀门四；载冷剂储箱与高温冷库之间设有阀门五；载冷剂储箱与空调器之间设有阀门六。
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