CN113701043B - 一种lng船上氢的制取、储存与燃用的综合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LNG船上氢的制取、储存与燃用的综合系统，该系统主要包括LNG燃料供给系统、氢气生成系统、氢气燃用及储存系统。本发明系统将LNG船上产生的BOG转化成了燃烧性能更好，更加环保的氢气燃料，解决了BOG的处理问题，利用BOG和气态天然气的冷能对氢气进行降温，降低了压缩氢气时压缩机的功率消耗，并利用了LNG的冷能使得压缩后的氢气储存在低温环境，大大提高了氢气的储存密度，实现了氢气在船舶上的低温高压的储存。此外，在港口、近海等对碳排放要求比较高的限排区域可将天然气和氢气混合作为船舶电力推进装置的燃料，可以大大减少CO2的排放，以满足碳排放的要求，因此本发明系统具有较高的实际应用价值和广阔的发展前景。

Description

一种LNG船上氢的制取、储存与燃用的综合系统
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种LNG船上氢的制取、储存与燃用的综合系统。
背景技术
天然气作为一种高效、无污染的清洁能源，其需求量越来越多，由于天然气液化后体积可以减少600倍，因此天然气通常以液态形式进行船舶运输，液化天然气(LNG)运输船，简称LNG船，是指专门运输液化天然气的船舶。LNG是一种-163℃的低温液体，其在运输过程中与周围环境存在约200℃的温差，即使是采用隔热效果良好的保温层，LNG在运输的过程中也会吸收外界的热量从而蒸发出气体，从而产生“闪蒸汽”，简称BOG。
通常情况下，LNG船具有4-5个LNG货舱，LNG货舱内随时会产生BOG，BOG的主要成分是甲烷，一天产生的BOG可以折合成液体当量为70-100m3的LNG，基于BOG产生的数量多，船舶上对于BOG的处理方法主要有船舶动力推进装置燃用和BOG再液化返回液货舱。
大多数传统的LNG船的动力设备采用蒸汽轮机，就是将船舶产生的BOG直接送入锅炉燃烧，锅炉产生的高压高温蒸汽推动汽轮机做功，然后带动螺旋桨实现船舶动力推进，但是蒸汽轮机热效率太低，这种方法的经济性相对较差；随着技术的进步，有些船舶安装了BOG再液化装置，可以将BOG再液化返回液货舱，但是此装置工艺复杂，需在船舶上安装制冷设备，不仅设备投入成本较高，而且装置的运行功率较大，这种BOG处理方式也是不够理想；另外，将BOG送至双燃料柴油机燃用，然后输出功直接带动螺旋桨进行推进也是一种处理BOG的方法，这种方法柴油机的热机效率较高；近年来对于机动性要求比较高的LNG船采用了电力推进方式，因此LNG船上产生的BOG可以直接送至发动机(内燃机)燃用，依靠传统的内燃机发电，然后通过电动机带动螺旋桨旋转实现船舶的电力推进，这种方式操纵性较强，但是造价较高，在一些对船舶机动性要求比较高的特定航线，如北极航线上被越来越多船舶采用。但是以上方法直接燃用BOG都会产生CO2，未来在港口、近海等对碳排放要求比较高的限排区域，采用这种方法不能满足碳排放的要求，因此采用可以减少CO2排放的燃料势在必行。
氢作为目前的一种清洁环保的燃料，与天然气混合燃烧时可以大大减少CO2的排放，因此，如果可以提出一种方法将LNG船上产生的多余的BOG转化成高能量密度和零排放的氢气在船舶上进行储存并燃用，这样在港口、近海等对碳排放要求比较高的限排区域可以满足碳排放的要求，且不需要船舶额外携带其他可以减少CO2排放的燃料。
通常情况下，BOG的温度为-140℃至-150℃，在送至船舶发动机燃用之前需加热至常温左右，在这期间，BOG会释放出大量的冷能，但是仅仅燃用LNG燃料舱自发产生的BOG是不能满足船舶电力推进过程中推进装置所需的燃料量，还需要将LNG燃料舱里的LNG燃料汽化成气态天然气一并送至发动机燃用，这一过程也会释放大量的冷能，上述这些冷能如果没有得到利用，就造成了冷能的浪费。氢气的密度较小，如果以常温常压的形式在船舶上进行储存会面临着储存体积过大的问题，因此如果利用BOG和气态天然气的冷能对氢气进行降温，然后利用压缩机对氢气进行压缩，利用LNG燃料舱里LNG的冷能将氢气以低温高压的形式储存在船舶上，将会大大提高氢气的储存密度，减少氢气的储存体积。
综上所述，如果将LNG船上多余的BOG转化成氢气并利用BOG和LNG的冷能实现氢气在船舶上的储存，未来在港口、近海等具有严格碳排放要求的限排区域采用氢气与天然气混合作为船用燃料来满足船舶碳排放的要求，那么本方法将会具有较好的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的就是针对上述的问题，提出一种LNG船上氢的制取、储存与燃用的综合系统。该系统主要包括：LNG燃料供给系统、氢气生成系统、氢气燃用及储存系统。
其中LNG燃料供给系统包括：LNG燃料舱、驳运泵、增压泵、海水加热器、换热器、缸套水加热器、发动机、GVU单元、传动轴、发电机、电处理单元、电动机。
氢气生成系统包括：分离三通阀、混合三通阀、反应单元、氢气压缩机、海水冷却器、氢气冷却储罐、BOG压缩机、反应塔、气体分离器、氢气收集塔。
氢气燃用及储存系统包括：氢气三通阀、氢气缓冲罐、氢气加热器。
在LNG燃料供给系统中，驳运泵、增压泵、海水加热器、混合三通阀、分离三通阀、换热器、缸套水加热器、GVU单元、发动机依次通过管道相连接，所述发动机与发电机通过传动轴相连接，所述发电机分别通过线路与电处理单元相连接，电处理单元通过线路与电动机相连接。
在氢气生成系统中，所述反应单元包括反应塔、气体分离器、氢气收集塔，所述反应塔、气体分离器、氢气收集塔依次通过管道相连接，如图2，所述氢气收集塔、换热器、氢气压缩机、海水冷却器、氢气冷却储罐、氢气三通阀依次通过管道相连接，所述分离三通阀通过管道与反应塔相连接，所述混合三通阀与BOG压缩机通过管道相连接。
在氢气燃用及储存系统中，所述氢气三通阀通过管道与氢气缓冲罐相连接，氢气三通阀、氢气加热器、GVU单元、发动机依次通过管道相连接。
当船舶在航行时，LNG燃料通过驳运泵从LNG燃料舱里被驳运出来，然后经过增压泵增压至0.75MPa，经过海水加热器利用海水加热汽化成气态天然气，另外LNG燃料舱里会产生BOG，产生的BOG经过BOG压缩机进行压缩至0.7MPa，产生的气态天然气和BOG流经混合三通阀和分离三通阀，可以通过控制分离三通阀的开度来控制进入各支路气体的量，一部分进入反应单元，一部分进入换热器中，在反应单元里，气体首先进入反应塔在一定的条件下进行反应产生大部分氢气和其他少量气体，反应产生的气体进入到气体分离器进行氢气的提纯，提纯后的氢气进入氢气收集塔，然后再进入换热器，吸收天然气的冷能进行降温，被氢气加热后的天然气再次进入缸套水加热器中，利用缸套水加热至发动机的供气温度，然后经过GVU单元进入发动机进行燃烧，发动机驱动传动轴带动发电机发电，产生的电能经过电处理单元处理后送至电动机，从而驱动螺旋桨，实现船舶的电力推进。
在换热器中被冷却的氢气再经过氢气压缩机加压至9MPa，此时氢气的温度较高，进入到海水冷却器中，经过海水冷却器降温至25℃左右，然后氢气进入氢气冷却储罐利用LNG的冷能使氢气在低温高压条件下进行储存，这样可以大大减少氢气在船舶上的储存体积，节约船舶空间。
未来在港口、近海等具有严格碳排放法规的限排区域，采用氢气与天然气混合作为船用燃料可以大大减少CO2的排放，此时氢气三通阀与氢气加热器相连接的一端打开，氢气依次流经氢气加热器、GVU单元，与天然气混合共同供发动机燃用，进而发电，实现船舶的电力推进；另外在靠港时氢气也可以进入氢气缓冲罐，在船舶靠港时输送至陆地使用。
本发明的优点：
1.本发明系统将LNG船产生的多余BOG转化成高能量密度和零排放的燃料氢气并储存在船舶上，解决了LNG船上剩余BOG处理的问题，未来在港口、近海等对碳排放要求比较高的限排区域可以采用氢气与天然气混合作为船舶电力推进装置的燃料，不仅可以大大减少CO2的排放，满足碳排放的要求，也不需要船舶额外携带其他的可以减少CO2排放的燃料。
2.本发明系统通过利用BOG和气态天然气的冷能对氢气进行降温，降低了压缩氢气时氢气压缩机的功率消耗，并利用了LNG的冷能使得压缩后的氢气处于低温环境，大大提高了氢气的储存密度，减小了氢气的储存体积，实现了氢气在船舶上的低温高压的储存。
3.本发明系统顺应了船舶节能减排的大趋势，对于未来实现船舶的碳中和具有促进作用，因此本发明具有较好的实际应用价值和广阔的发展前景。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为反应单元系统图；
附图中：1.LNG燃料舱；2.氢气冷却储罐；3.驳运泵；4.增压泵；5.海水加热器；6.换热器；7.缸套水加热器；8.发动机；9.传动轴；10.发电机；11.电处理单元；12.电动机；13.反应单元；1301.反应塔；1302.气体分离器；1303.氢气收集塔；14.氢气压缩机；15.海水冷却器；16.氢气三通阀；17.氢气缓冲罐；18.氢气加热器；19.BOG压缩机；20.分离三通阀；21.混合三通阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种LNG船上氢的制取、储存与燃用的综合系统，如图1，该系统主要包括：LNG燃料供给系统、氢气生成系统、氢气燃用及储存系统。
其中LNG燃料供给系统包括：LNG燃料舱1、驳运泵3、增压泵4、海水加热器5、换热器6、缸套水加热器7、发动机8、GVU单元、传动轴9、发电机10、电处理单元11、电动机12。
氢气生成系统包括：分离三通阀20、混合三通阀21、反应单元13、氢气压缩机14、海水冷却器15、氢气冷却储罐2、BOG压缩机19、反应塔1301、气体分离器1302、氢气收集塔1303。
氢气燃用及储存系统包括：氢气三通阀16、氢气缓冲罐17、氢气加热器18。
在LNG燃料供给系统中，驳运泵3、增压泵4、海水加热器5、混合三通阀21、分离三通阀20、换热器6、缸套水加热器7、GVU单元、发动机8依次通过管道相连接，所述发动机8与发电机10通过传动轴9相连接，所述发电机10分别通过线路与电处理单元11相连接，电处理单元11通过线路与电动机12相连接。
在氢气生成系统中，所述反应单元13包括反应塔1301、气体分离器1302、氢气收集塔1303，所述反应塔1301、气体分离器1302、氢气收集塔1303依次通过管道相连接，如图2，所述氢气收集塔1303、换热器6、氢气压缩机14、海水冷却器15、氢气冷却储罐2、氢气三通阀16依次通过管道相连接，其中氢气冷却储罐2安装在LNG燃料舱1内，所述分离三通阀20通过管道与反应塔1301相连接，所述混合三通阀21与BOG压缩机19通过管道相连接。
在氢气燃用及储存系统中，所述氢气三通阀16通过管道与氢气缓冲罐17相连接，氢气三通阀16、氢气加热器18、GVU单元、发动机8依次通过管道相连接。
当船舶在航行时，LNG燃料通过驳运泵3从LNG燃料舱1里被驳运出来，然后经过增压泵4增压至0.75MPa，经过海水加热器5利用海水加热汽化成气态天然气，其中LNG燃料舱1里会产生BOG，产生的BOG经过BOG压缩机19压缩至0.7MPa，LNG汽化产生的气态天然气和BOG流经混合三通阀21和分离三通阀20，可以通过控制分离三通阀20的开度来控制进入各支路气体的量，一部分进入反应单元13，一部分进入换热器6中，在反应单元13里，天然气首先进入反应塔1301中，在一定的条件下进行反应产生大部分氢气和其他少量气体，反应生成的气体进入气体分离器1302进行氢气的提纯，提纯后的氢气进入氢气收集塔1303，此时氢气的温度比较高，进入换热器6中，通过吸收气态天然气和BOG的冷能来降低氢气的温度，换热器6中的天然气吸收了氢气的热量温度依然比较低，不能达到发动机8的供气温度，需要再次进入缸套水加热器7中，利用缸套水加热至发动机8的供气温度，然后经过GVU单元进入发动机8进行燃烧，发动机8通过传动轴9带动发电机10发电，产生的电能经过电处理单元11处理后送至电动机12，从而驱动螺旋桨，实现船舶的电力推进。
在换热器6中被冷却的氢气再经过氢气压缩机14加压至9MPa，加压后氢气的温度升高，进入海水冷却器15中利用海水降温至25℃左右，降温后的氢气进入氢气冷却储罐2利用LNG的冷能使氢气在低温高压条件下进行储存，这样可以大大提高氢气在船舶上的储存密度，减小储存体积，节约船舶空间。
在港口、近海等具有严格碳排放法规的限排区域，可以采用30％的氢气与70％的天然气混合作为船用燃料，会大大减少CO2的排放，并且可以提高燃料的燃烧性能，此时氢气三通阀16与氢气加热器18相连接的一端打开，氢气依次流经氢气加热器18、GVU单元，与天然气混合供发动机8燃用，进而发电，实现船舶的电力推进；另外在靠港时氢气也可以进入氢气缓冲罐17，在船舶靠港时输送至陆地使用。
在LNG船上一般有四至五个LNG燃料舱1，上述实施方案仅以其中一个LNG燃料舱1为例，其中氢气冷却储罐2可以安装在任意一个LNG燃料舱1内。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种LNG船上氢的制取、储存与燃用的综合系统，其特征在于：该系统包括LNG燃料供给系统、氢气生成系统、氢气燃用及储存系统；
其中LNG燃料供给系统包括：LNG燃料舱（1）、驳运泵（3）、增压泵（4）、海水加热器（5）、换热器（6）、缸套水加热器（7）、GVU单元、发动机（8）、传动轴（9）、发电机（10）、电处理单元（11）、电动机（12）；
氢气生成系统包括：分离三通阀（20）、混合三通阀（21）、反应单元（13）、氢气压缩机（14）、海水冷却器（15）、氢气冷却储罐（2）、BOG压缩机（19）、反应塔（1301）、气体分离器（1302）、氢气收集塔（1303）；
氢气燃用及储存系统包括：氢气三通阀（16）、氢气缓冲罐（17）、氢气加热器（18）；
所述驳运泵（3）、增压泵（4）、海水加热器（5）、混合三通阀（21）、分离三通阀（20）、换热器（6）、缸套水加热器（7）、GVU单元、发动机（8）依次通过管道相连接；
所述分离三通阀（20）通过管道与反应塔（1301）相连接，所述混合三通阀（21）与BOG压缩机（19）通过管道相连接；
所述氢气收集塔（1303）、换热器（6）、氢气压缩机（14）、海水冷却器（15）、氢气冷却储罐（2）、氢气三通阀（16）依次通过管道相连接；其中氢气冷却储罐（2）安装在LNG燃料舱（1）内；所述氢气冷却储罐（2）利用LNG的冷能使氢气在低温高压条件下进行储存；
所述氢气三通阀（16）、氢气加热器（18）、GVU单元、发动机（8）依次通过管道相连接，其中氢气三通阀（16）还与氢气缓冲罐（17）通过管道相连接，在靠港时氢气也可以进入氢气缓冲罐（17）中输送至陆地使用。
2.根据权利要求1中所述的一种LNG船上氢的制取、储存与燃用的综合系统，其特征在于：所述发动机（8）与发电机（10）通过传动轴（9）相连接。
3.根据权利要求1中所述的一种LNG船上氢的制取、储存与燃用的综合系统，其特征在于：所述发电机（10）通过线路与电处理单元（11）相连接，所述电处理单元（11）通过线路与电动机（12）相连接。
4.根据权利要求1中所述的一种LNG船上氢的制取、储存与燃用的综合系统，其特征在于：所述反应塔（1301）、气体分离器（1302）、氢气收集塔（1303）依次通过管道相连接。
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