CN115265095A - 一种基于lng动力船利用lng冷能进行尾气脱碳系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LNG冷能利用技术领域，尤其涉及一种基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统及工艺。基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统包括：第一中间介质换热器、第二中间介质换热器和LNG换热器，第一、第二中间介质换热器均具有冷端和热端；第二中间介质换热器冷端、第一中间介质换热器冷端和所述LNG换热器依次连通，所述第二中间介质换热器冷端进口与LNG管道相连；第一、第二中间介质换热器的冷端和热端通过中间介质进行换热；第一中间介质换热器热端、第二中间介质换热器热端和所述LNG换热器依次连通并通入尾气，解决了LNG动力船的冷能利用率不足的问题，同时脱除尾气中的CO2。
Description
技术领域
本发明涉及LNG冷能利用技术领域，尤其涉及一种基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统及工艺。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
目前，我国能源使用情况仍然主要是化石能源为主，但是煤和石油燃烧产生大量有害气体，再加上国际海事公约提高了对于船舶的NOx和SOx的标准，促使船舶使用新能源以及国家对交通运输业环保要求日益提高，因此天然气显得尤为重要，天然气的开发利用改变了全球能源结构。随着技术的提高，LNG(Liquefied Natural Gas液化天然气)在船舶也越来越受到重视，LNG相对于同热值的燃油，可减少CO2排放15-20％，减少NOx排放80～90％，完全没有SOx排放。但由于LNG(主要成分为CH4)燃烧产物主要为CO2和H2O，CO2仍是造成温室效应的主要原因，而脱除CO2需要大量冷能将其液化。
对于LNG运输船来说，运输过程中会产生大量的BOG(Boil-Off Gas蒸发气体，简称BOG，是指气体在其临界温度以下经加压被液化后的低温液体，因难以与环境绝对绝热，吸收外界热量而蒸发出的气体)可以作为推进燃料。LNG作为燃料在使用前需要进行汽化，在进行汽化的过程中，1kgLNG会释放出830～860kJ的冷能，并且天然气作为不可再生资源，如果能对这些冷能加以运用，将会提高一定的环保性和经济性。
因此，LNG动力船的冷能利用率低以及尾气中CO2的脱除问题亟需解决。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，解决LNG动力船的冷能利用率不足的问题，同时脱除尾气中的CO2。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，包括：第一中间介质换热器、第二中间介质换热器和LNG换热器，第一、第二中间介质换热器均具有冷端和热端；第二中间介质换热器冷端、第一中间介质换热器冷端和所述LNG换热器依次连通，所述第二中间介质换热器冷端进口与LNG管道相连，中间介质与LNG进行换热吸收LNG汽化冷能；第一、第二中间介质换热器的冷端和热端通过中间介质进行换热；第一中间介质换热器热端、第二中间介质换热器热端和所述LNG换热器依次连通并通入尾气，利用中间介质与尾气进行换热，尾气吸收中间介质冷能液化进而脱除CO2。
在另一优选的实施方式中，还包括第一分离器、第二分离器、第三分离器；所述第一分离器入口通入尾气，气体管道出口与第一中间介质换热器热端的壳侧气体进口连通；所述第二分离器入口与第一中间介质换热器热端的壳侧气体出口连通，气体管道出口与第二中间介质换热器热端的壳侧气体进口连通；所述第三分离器入口与第二中间介质换热器热端的壳侧气体出口连通，气体管道出口与所述LNG换热器连通。
在另一优选的实施方式中，还包括第一混合器，所述第一混合器入口分别与尾气管道和水管道连通，出口与所述第一分离器管道入口连通。
在另一优选的实施方式中，还包括分流器和第二混合器，所述分流器与第一分离器出口连通，分流器气体管道出口和第一分离器气体管道出口均与混合器连通，混合器气体管道出口与第一中间介质换热器热端的壳侧气体进口连通。
在另一优选的实施方式中，还包括压缩机，所述压缩机设置在所述第三分离器气体管道出口与所述LNG换热器之间，尾气加压后进入LNG换热器进行冷却。
在另一优选的实施方式中，所述LNG换气器后依次连接简单固体分离器和储罐，简单固体分离器进行气液固分离，液态CO2储存于储罐中。
在另一优选的实施方式中，LNG换热器中设置折流板。
本发明实施例还提供了一种基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳工艺，LNG进入第二中间介质换热器冷端冷却第二中间介质，然后进入第一中间介质换热器冷端冷却第一中间介质，然后经LNG换热器与尾气换热后以气体形式排出；尾气进入第一分离器进行第一次气液分离，剩余气体及液体出口的部分流体进入第一中间介质换热器热端，被冷却后的第一中间介质进行一级冷凝，然后进入第二分离器进行第二次气液分离；剩余气体进入第二中间介质换热器热端，被冷却后的第二中间介质进行二级冷凝，然后进入第三分离器进行第三次气液分离；之后进入LNG换热器进行冷却，液体进行储存，使排放的气体达到排放标准。
在另一优选的实施方式中，LNG先与-30℃第二中间介质进行初次换热，温度由-162℃变为-147.4℃，然后再与5℃的第一中间介质进行换热，温度变为-101.7℃，最后与分离后的气体进行换热，温度变为46.88℃。
在另一优选的实施方式中，250℃的烟气进行喷淋工艺，温度降为56.58℃，然后与第一分离器进行第一次气液分离；第一分离器分离后的气体与第一分离器液体出来的部分流体进入到第一中间介质换热器热端，被冷却后的第一中间介质进行一级冷凝，冷凝后温度降为5℃，然后进入第二分离器进行第二次气液分离；剩余气体进入第二中间介质换热器热端，被冷却后的第二中间介质进行二级冷凝，冷凝后温度降为-40℃，然后进入第三分离器进行第三次气液分离；之后进入LNG换热器再次冷却，冷凝后温度降为-68℃，之后进入简单固体分离器，进行气液固分离，使排放的气体达到排放标准。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本发明利用中间介质吸收LNG的冷能，用于冷却尾气中CO2，使冷能得到了充分的利用，解决了LNG动力船冷能得不到充分利用的问题，也减少了CO2液化过程中制冷设备的电力消耗，节约了成本。LNG冷能先用于液化二氧化碳，其次冷凝水，提高了冷能利用率。
2、现有技术中有利用LNG冷能制备液体二氧化碳及干冰的工艺及其装置，该装置使用到通过LNG冷能的多次换热将二氧化碳气体原料制备为液体二氧化碳及干冰。其中应用到板翅式换热器，虽传热效率高，但容易堵塞。因为LNG在液-气转换过程采用绕管式或板翅式换热器，而且绕管式和板翅式换热器的堵塞等级分别为3和4，本发明先进行了喷淋工艺除去液态水，LNG换热器设置折流板，折流板除雾，冷凝除去水，分子筛深度脱水，有效地避免了换热器堵塞的问题。
3、LNG动力船中二氧化碳气体的来源为天然气燃烧烟气，其中含有多种组分，所以将他们分离出来也成为重中之重。本发明专利结合了烟气分离的过程(主要是分离水)，把LNG冷能液化CO2，减少碳排放。
4、本发明用LNG代替柴油作为船用燃料，减少硫化物等有害气体的排放，并利用LNG动力船上燃料的冷能对天然气燃烧烟气产生的CO2气体进行液化，脱除99.8％的CO2，符合节能减排的要求。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统示意图；
图中：1、第一混合器；2、第一分离器；3、分流器；4、第二混合器；5、第一中间介质换热器热端；6、第一中间介质换热器冷端；7、第二分离器；8、第二中间介质换热器热端；9、第二中间介质换热器冷端；10、压缩机；11、第三分离器；12、LNG换热器；13、简单固体分离器；14、储罐；15、泵；
为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解术语在本发明的具体含义。
如图1所示，本发明一实施例中记载了一种基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，所述系统为三级冷凝循环系统，包括：第一分离器2、第二分离器7、第三分离器11、简单固体分离器13(分离气、液、固)、第一中间介质换热器、第二中间介质换热器、LNG换热器12，第一混合器1、第二混合器4，分流器3。
所述第一、第二、第三分离器11主要用于烟气和水混合之后进行分离，第一中间介质换热器热端5的壳侧气体进口与第二混合器4管道出口相连，所述第二分离器7的入口和第一中间介质换热器热端5的壳侧气体出口相连；第二中间介质换热器热端8的壳侧气体进口与第二分离器7气体管道出口相连，所述第三分离器11的入口和第二中间介质换热器热端8的壳侧气体出口相连。
所述第二中间介质换热器冷端管侧进口与LNG管道相连，第二中间介质换热器冷端9管侧出口与第一中间介质换热器冷端6管侧进口相连，第一中间介质换热器冷端6管侧出口与LNG换热器12冷端管侧进口相连。
所述LNG换热器12设置折流板，因为CO2气-固转换过程采用绕管式或板翅式换热器，而且绕管式和板翅式换热器的堵塞等级分别为3和4，通过设置折流板，有效地避免了换热器堵塞的问题。换热器折流板工作原理是壳程的折流板是以螺旋状排列的，这样使壳程介质自进口向出口呈螺旋状，连续旋转推进,将横向折流方式变成纵向折流方式。不会出项流动死区，由于换热器壳程中的介质在壳程横截面径向产生速度梯度,将每根换热管都置于换热介质漩涡中，提高了流体的径向湍流程度，有利于冲刷壳程内的颗粒物及沉淀物，防止污垢沉积。
现有技术中为了防止CO2生成固体，把温度降到高于CO2的三相温度-55.6℃，而在实际中，LNG(-162℃)很容易把CO2降到-56℃以下，所以需要考虑CO2生成固体的情况。本发明采用简单固体分离器(即气液固分离器用于分离气、液、固)，CO2的三相温度-55.6℃，在实际中，LNG(-162℃)很容易把CO2降到-56℃以下，所以需要考虑CO2生成固体的情况。采用简单固体分离器是解决此问题有效方法。
在第一分离器2后加入分流器3，主要原因是经过第一次喷淋后温度仍然较高，含有一些水汽，若不处理，会形成“白烟”，对周围环境造成破坏，所以可以采用分流后对水汽进一步冷却，达到水露点以下；并且由于第一分离器2的分离效率无法达到理想状态，通过设置分流器3对跑出的CO2进一步回收处理。
在第二中间介质换热器后加入压缩机10，因为升高压力，冷却的CO2需要的冷量就较少，可以达到一个最优条件。并且冷却成固体，不用像液态CO2一样还需要钢瓶装罐储存，使用方便。
本发明实施例还提供了一种基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳工艺，包括三级冷凝循环系统，中间介质分别采用乙二醇水溶液、丙烷，对烟气进行三级冷凝。共有两个中间介质换热器、一个LNG换热器12、两个混合器、一个分流器3、三个气液分离器和一个简单固体分离器13。
LNG进入第二中间介质换热器冷端9冷却丙烷，然后进入第一中间介质换热器冷端6冷却乙二醇水溶液，然后经LNG换热器12与尾气换热后以气体形式排出。
烟气先进入第一混合器1降温，然后进入第一分离器2进行第一次气液分离，剩余气体及液体出口的部分流体经第二混合器4进入第一中间介质换热器热端5，被冷却后的乙二醇水溶液进行一级冷凝，然后进入第二分离器7进行第二次气液分离；剩余气体进入第二中间介质换热器热端8，被冷却后的丙烷进行二级冷凝，然后进入第三分离器11进行第三次气液分离；剩余气体进入压缩机10，进行加压，之后进入LNG换热器12进行冷却，之后进入简单固体分离器13，进行气液固分离，液体进入储罐14进行储存，使排放的气体达到排放标准。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明
LNG：LNG先与-30℃丙烷进行初次换热，温度由-162℃变为-147.4℃，然后再与5℃的乙二醇水溶液进行换热，温度变为-101.7℃，最后与分离后的气体进行换热，温度变为46.88℃。
烟气(尾气)：250℃的烟气进行喷淋工艺(在第一混合器1中与5℃水混合)，温度降为56.58℃，然后与第一分离器2进行第一次气液分离；第一分离器2分离后的气体与第一分离器2液体出来的部分流体进入到第一中间介质换热器热端5，被冷却后的乙二醇水溶液进行一级冷凝，冷凝后温度降为5℃，然后进入第二分离器7进行第二次气液分离；剩余气体进入第二中间介质换热器热端，被冷却后的丙烷进行二级冷凝，冷凝后温度降为-40℃，然后进入第三分离器11进行第三次气液分离；剩余气体进入压缩机10进行加压，压力为5.17bar，之后进入LNG换热器12再次冷却，冷凝后温度降为-68℃，之后进入简单固体分离器13，进行气液固分离，使排放的气体达到排放标准。
中间介质：中间介质主要由中间介质换热器进行换热，上面为冷端，下面为热端。
-30℃的丙烷首先和LNG(-162℃)在第二中间介质换热器进行换热，换热后温度变为-40℃，再和从第二分离器7出来的气体进行换热，换热后温度变为-30摄氏度，以此循环。
5℃的乙二醇水溶液首先和经过一次升温的LNG(-147.2℃)在第一中间介质换热器进行换热，换热后温度变为0℃，再和从第一分离器2分离出来的气体进行换热，换热后温度变为5℃，再用泵15将溶液输到换热器冷端，以此循环。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，其特征在于，包括：第一中间介质换热器、第二中间介质换热器和LNG换热器，第一、第二中间介质换热器均具有冷端和热端；
第二中间介质换热器冷端、第一中间介质换热器冷端和所述LNG换热器依次连通，所述第二中间介质换热器冷端进口与LNG管道相连，中间介质与LNG进行换热吸收LNG汽化冷能；
第一、第二中间介质换热器的冷端和热端通过中间介质进行换热；
第一中间介质换热器热端、第二中间介质换热器热端和所述LNG换热器依次连通并通入尾气，利用中间介质与尾气进行换热，尾气吸收中间介质冷能液化进而脱除CO2。
2.如权利要求1所述的基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，其特征在于，还包括第一分离器、第二分离器、第三分离器；
所述第一分离器入口通入尾气，气体管道出口与第一中间介质换热器热端的壳侧气体进口连通；
所述第二分离器入口与第一中间介质换热器热端的壳侧气体出口连通，气体管道出口与第二中间介质换热器热端的壳侧气体进口连通；
所述第三分离器入口与第二中间介质换热器热端的壳侧气体出口连通，气体管道出口与所述LNG换热器连通。
3.如权利要求2所述的基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，其特征在于，还包括第一混合器，所述第一混合器入口分别与尾气管道和水管道连通，出口与所述第一分离器管道入口连通。
4.如权利要求2所述的基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，其特征在于，还包括分流器和第二混合器，所述分流器与第一分离器出口连通，分流器气体管道出口和第一分离器气体管道出口均与混合器连通，混合器气体管道出口与第一中间介质换热器热端的壳侧气体进口连通。
5.如权利要求2所述的基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，其特征在于，还包括压缩机，所述压缩机设置在所述第三分离器气体管道出口与所述LNG换热器之间，尾气加压后进入LNG换热器进行冷却。
6.如权利要求1所述的基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，其特征在于，所述LNG换气器后依次连接简单固体分离器和储罐，简单固体分离器进行气液固分离，液态CO2储存于储罐中。
7.如权利要求1所述的基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳系统，其特征在于，LNG换热器中设置折流板。
8.一种基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳工艺，其特征在于，LNG进入第二中间介质换热器冷端冷却第二中间介质，然后进入第一中间介质换热器冷端冷却第一中间介质，然后经LNG换热器与尾气换热后以气体形式排出；
尾气进入第一分离器进行第一次气液分离，剩余气体及液体出口的部分流体进入第一中间介质换热器热端，被冷却后的第一中间介质进行一级冷凝，然后进入第二分离器进行第二次气液分离；剩余气体进入第二中间介质换热器热端，被冷却后的第二中间介质进行二级冷凝，然后进入第三分离器进行第三次气液分离；之后进入LNG换热器进行冷却，液体进行储存，使排放的气体达到排放标准。
9.如权利要求8所述的基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳工艺，其特征在于，LNG先与-30℃第二中间介质进行初次换热，温度由-162℃变为-147.4℃，然后再与5℃的第一中间介质进行换热，温度变为-101.7℃，最后与分离后的气体进行换热，温度变为46.88℃。
10.如权利要求8所述的基于LNG动力船利用LNG冷能进行尾气脱碳工艺，其特征在于，250℃的烟气进行喷淋工艺，温度降为56.58℃，然后与第一分离器进行第一次气液分离；第一分离器分离后的气体与第一分离器液体出来的部分流体进入到第一中间介质换热器热端，被冷却后的第一中间介质进行一级冷凝，冷凝后温度降为5℃，然后进入第二分离器进行第二次气液分离；剩余气体进入第二中间介质换热器热端，被冷却后的第二中间介质进行二级冷凝，冷凝后温度降为-40℃，然后进入第三分离器进行第三次气液分离；之后进入LNG换热器再次冷却，冷凝后温度降为-68℃，之后进入简单固体分离器，进行气液固分离，使排放的气体达到排放标准。
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| CN113654373A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-11-16 | 中国石油大学(华东) | 基于中间介质换热的lng双燃料船voc回收系统及工艺 |
| CN113897229A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-01-07 | 星恩杰气体(上海)有限公司 | 一种具有碳捕捉功能的船用lng供气系统 |
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2022
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