CN116591868A - 一种船用发动机储供氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船用发动机储供氢系统：包括水储存罐、甲醇储存罐、水供给泵、甲醇供给泵、混合装置、原料供给泵、预热器、蒸发器、膜重整反应器、CO2提纯装置、H2提纯装置、CO2液化装置、CO2储存罐、H2缓冲罐、发动机、尾气余热利用装置、太阳能光伏发电装置。一种尾气余热利用装置：包括换热介质入口，保温外壳，内部换热管道，尾气出口，尾气入口，温度检测器，电加热棒，换热介质汇集箱，换热介质出口。一种膜重整反应器：包括箱盖，换热介质入口，甲醇水蒸汽入口，主体，重整室，内部换热管道，导流室，CO2分离室，CO2分离膜柱，CO2汇集管，底座，CO2出口，H2出口，换热介质出口。本发明选用甲醇作为氢载体，系统由尾气余热利用装置和太阳能光伏发电装置提供能量，燃料在进入发动机前通过所述膜重整反应器重整甲醇制氢，分离重整气中的CO2，并将CO2储存在船上，H2和少量的CO用作发动机的燃料。解决了氢气占据船舶空间大以及船舶携带大量氢气不安全和甲醇在重整制氢过程中排放CO2的问题，此外该系统不需要消耗额外的能量。
Description
技术领域
本发明属于船用发动机储供氢领域，具体涉及一种船用发动机储供氢系统。
背景技术
航运业面临着温室气体减排的挑战。氢气（H2）被认为是消除航运业温室气体排放的潜在未来燃料之一。然而，由于氢是世界上最小的分子，它通常通过高压或低温液体储存，这导致了高成本和低储存密度的问题。
H2应用到船舶上的主要挑战是H2的储存。目前多采用储氢气瓶高压储氢，然而这会占据宝贵的船舶空间。此外，H2具有极高的可燃性，在恶劣的海洋环境中，在船上携带大量H2，本质上是一项风险极高的操作。
为了应对这一挑战，近几年的专利开发了多种不同的存储技术和系统。如公开号为CN 112768730 A的中国专利公开了一种船用燃料电池储供氢系统，包括保护罩、氢气储存系统、氢气加注系统和氢气供给系统，该发明整体结构紧凑、重量轻、体积小，结构设计更加稳定，但是采用氢气瓶在船上储存大量的氢气可能存在安全隐患。又如公开号为CN113889644 B的中国专利公开了一种基于内嵌式合金储氢技术的船用燃料电池供氢系统，包括合金储氢罐组、燃料电池模块、氢气管路、循环液管路，该发明采用多组合金储氢罐组并联供氢的方式，可最大程度降低残余氢气量，提高氢气利用率，但是储氢量可能不能满足远洋船舶的需求，此外成本较高。
使用氢载体（例如甲烷、甲醇、氨气）储氢，然后通过重整制氢的储供氢方案，能够解决氢气占据船舶空间大以及船舶携带大量氢气不安全的问题。然而重整制氢过程需要消耗额外的能量。此外，如果氢载体含C元素，例如甲醇（CH3OH），则在重整制氢过程中会排放CO2。
发明内容
基于以上分析，为解决船舶发动机船上H2的储存供应问题，设计了一种船用发动机储供氢系统。
所述船用发动机储供氢系统的特征包括：水储存罐（1）、甲醇储存罐（2）、水供给泵（31）、甲醇供给泵（32）、混合装置（4）、原料供给泵（33）、预热器（5）、蒸发器（6）、膜重整反应器（7）、CO2提纯装置（81）、H2提纯装置（82）、CO2液化装置（9）、CO2储存罐（10）、H2缓冲罐（11）、发动机（12）、尾气余热利用装置（13）、太阳能光伏发电装置（14）。
所述水储存罐（1）在常温常压下储存水，其数量根据船用发动机的用水需求确定，至少1个。
所述甲醇储存罐（2）在常温常压下储存甲醇，其数量根据船用发动机的燃料需求确定，至少1个。
所述水供给泵（31）将水储存罐（1）的水在常温常压下输送到混合装置（4）中，其工作过程中消耗电力，这部分电力由太阳能光伏发电装置（14）提供。
所述甲醇供给泵（32）将甲醇储存罐（2）的甲醇在常温常压下输送到混合装置（4）中，其工作过程中消耗电力，这部分电力由太阳能光伏发电装置（14）提供。
所述混合装置（4）将甲醇和水充分混合，其中主要的甲醇、水由甲醇供给泵（32）、水供给泵（31）提供，少部分甲醇和水来自CO2提纯装置（81）、H2提纯装置（82）。
所述原料供给泵（33）将混合装置（4）中混合均匀的甲醇和水混合物以5Mpa的压力输送到预热器（5）中，其工作过程中消耗电力，这部分电力由太阳能光伏发电装置（14）提供。
所述预热器（5）将来自原料供给泵（33）的甲醇和水混合物溶液进行初步的加热，其加热过程所需的热量由CO2提纯装置（81）、H2提纯装置（82）提供。
所述蒸发器（6）将甲醇和水混合物溶液加热至气态，其加热过程所需的热量由尾气余热利用装置（13）提供。
所述膜重整反应器（7）将甲醇重整为CO2和H2，重整所需的热量由尾气余热利用装置（13）提供，此外所述膜重整反应器（7）还能够将CO2和H2分离，其出口压力2Mpa，其数量根据发动机需要的氢气量确定。
所述CO2提纯装置（81）将从膜重整反应器（7）输送而来的CO2气流冷却到室温，同时为预热器（5）供热，分离其中未反应的水和甲醇，并将分离得到的水和甲醇输送到混合装置（4）中，最后将CO2气体输送到CO2液化装置（9）中。
所述CO2液化装置（9）将气态CO2转化为液态CO2，其工作过程消耗电力，这部分电力由太阳能光伏发电装置（14）提供。
所述CO2储存罐（10）将液态CO2储存在船上。
所述H2提纯装置（82）将从膜重整反应器（7）输送而来的H2气流冷却到室温，同时为预热器（5）供热，分离其中的未反应的水和甲醇，并将分离得到的水和甲醇输送到混合装置（4）中，最后将H2输送到H2缓冲罐（11）中。
所述H2缓冲罐（11）暂时储存氢气，储存压力2Mpa，随后将H2输送到发动机。
所述发动机（12）燃烧氢气，并产生高温尾气。
所述尾气余热利用装置（13）回收尾气中的热量，为蒸发器（6）、膜重整反应器（7）供热，此外，当尾气中的热量不能满足系统的热量需求时，尾气余热利用装置（13）进行电加热以满足系统的热量需求，电加热所需的电力由太阳能光伏发电装置（14）提供。
所述太阳能光伏发电装置（14）利用太阳能发电，并储存在电池中，为水供给泵（31）、甲醇供给泵（32）、原料供给泵（33）、CO2液化装置（9）、尾气余热利用装置（13）等装置供电。
本发明具有的优点和有益效果如下。
本发明的优势之一在于所述系统采用甲醇作为氢载体，甲醇是一种优异的氢载体，其H/C比很高（4:1），与甲烷的H/C比值相等，解决了氢气占据船舶空间大以及船舶携带大量氢气不安全的问题。
本发明的优势之二在于甲醇重整制氢过程中所需的热量由尾气余热利用装置（13）提供（甲醇不含C-C键，可以150-350 °C下转化为氢气），实现了余热的回收利用，提高的发动机的效率，解决了重整制氢过程需要消耗额外的能量的问题。
本发明的优势之三在于所述系统采用所述膜重整反应器（7）制氢，重整制氢的同时实现CO2和H2的分离，此外所述膜重整反应器（7）出口压力大概2Mpa，可以直接输送CO2和H2，避免了CO2和H2压缩机的使用，减小了系统的复杂性。将甲醇重整制氢过程中产生的CO2储存在船上，解决了甲醇在重整制氢过程中排放CO2的问题。
本发明的优势之五在于所述系统采用太阳能光伏发电装置（14）利用太阳能发电，补充余热回收的不足，不需要消耗额外的能量。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图2为本发明的尾气余热利用装置（13）示意图。
图3为本发明的膜重整反应器（7）示意图。
图1中：1、水储存罐；2、甲醇储存罐；31、水供给泵；32、甲醇供给泵；4、混合装置；33、原料供给泵；5、预热器；6、蒸发器；7、膜重整反应器；81、CO2提纯装置；82、H2提纯装置；9、CO2液化装置；10、CO2储存罐；11、H2缓冲罐；12、发动机；13、尾气余热利用装置；14、太阳能光伏发电装置。
图2中：131、换热介质入口；132、保温外壳；133、内部换热管道；134、尾气出口；135、尾气入口；136、温度检测装置；137、电加热棒；138、换热介质汇集箱；139、换热介质出口。
图3中：71、箱盖；72、换热介质入口；73、甲醇水蒸汽入口；74、主体；75、重整室；76、内部换热管道；77、导流室；78、CO2分离室；79、CO2分离膜柱；710、CO2汇集管；711、底座；712、CO2出口；713、H2出口；714、换热介质出口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，这些示意图均为简化的示意图仅以示意方式说明本发明的基本结构。
实施案例1。
参阅图1，本发明提供一种船上储供氢技术方案，一种船用发动机储供氢系统，主要由水储存罐（1）、甲醇储存罐（2）、水供给泵（31）、甲醇供给泵（32）、混合装置（4）、原料供给泵（33）、预热器（5）、蒸发器（6）、膜重整反应器（7）、CO2提纯装置（81）、H2提纯装置（82）、CO2液化装置（9）、CO2储存罐（10）、H2缓冲罐（11）、发动机（12）、尾气余热利用装置（13）、太阳能光伏发电装置（14）组成。
水储存罐（1）和甲醇储存罐（2）的出口分别与水供给泵（31）和甲醇供给泵（32）的入口相连，水供给泵（31）和甲醇供给泵（32）的出口与混合装置（4）的入口相连，水供给泵（31）和甲醇供给泵（32）分别将水和甲醇从水储存罐（1）和甲醇储存罐（2）输送到混合装置（4）中，甲醇和水在混合装置（4）中进行充分的混合，形成甲醇水溶液；混合装置（4）的出口与原料供给泵（33）的入口相连，原料供给泵（33）的出口与预热器（5）的入口相连，原料供给泵（33）将混合装置（4）中混合均匀的甲醇水溶液以5Mpa的压力输送到预热器（5）中，甲醇水溶液在预热器（5）中预热；预热器（5）的出口与蒸发器（6）的入口相连，预热器（5）中经过预热的甲醇水溶液在高压的作用下输送到蒸发器（6）中，甲醇水溶液在蒸发器（6）的加热作用下变为甲醇水蒸汽；蒸发器（6）的出口与膜重整反应器（7）的入口相连，蒸发器（6）中的甲醇水蒸汽在高压的作用下输送到膜重整反应器（7）中，甲醇水蒸汽在膜重整反应器（7）中进行甲醇重整生成CO2、H2和少量的CO，并且CO2在膜重整反应器（7）中分离；膜重整反应器（7）的出口（压力约为2Mpa）分为两路。
一路与CO2提纯装置（81）的入口相连，膜重整反应器（7）中的CO2气流在压力的作用下进入CO2提纯装置（81），CO2气流在CO2提纯装置（81）中冷却到室温，同时为预热器（5）供热；CO2提纯装置（81）的出口分为两路：一路与混合装置（4）的入口相连，将CO2气流中未反应的甲醇水溶液输送到混合装置（4）中；另一路与CO2液化装置（9）的入口相连，CO2气流在CO2液化装置（9）中液化为CO2液体；CO2液化装置（9）的出口与CO2储存罐（10）的入口相连，CO2在CO2储存罐（10）中储存。
另一路与H2提纯装置（82）的入口相连，膜重整反应器（7）中的H2气流在压力的作用下进入H2提纯装置（82），H2气流在H2提纯装置（82）中冷却到室温，同时为预热器（5）供热；H2提纯装置（82）的出口分为两路：一路与混合装置（4）的入口相连，将H2气流中未反应的甲醇水溶液输送到混合装置（4）中；另一路与H2缓冲罐（11）的入口相连，H2暂时储存在H2缓冲罐（11）中；H2缓冲罐（11）的出口与发动机的入口相连，H2在发动机中燃烧；发动机的出口与尾气余热利用装置（13）的入口相连，尾气中的余热被余热利用装置（13）回收，余热利用装置（13）为蒸发器（6）和膜重整反应器（7）提供热量。
太阳能光伏发电装置（14）利用太阳能发电，并储存在电池中，为水供给泵（31）、甲醇供给泵（32）、原料供给泵（33）、CO2液化装置（9）、尾气余热利用装置（13）等装置供电。
实施案例2。
参阅附图2，本发明提供一种尾气余热利用技术方案，一种尾气余热利用装置（13），主要由换热介质入口（131），保温外壳（132），内部换热管道（133），尾气出口（134），尾气入口（135），温度检测器（136），电加热棒（137），换热介质汇集箱（138），换热介质出口（139）组成。其工作过程如下。
发动机的高温尾气从尾气入口（135）进入尾气余热利用装置（13）内，高温尾气与内部换热管道（133）充分接触，然后由尾气出口（134）离开尾气余热利用装置（13）；换热介质从换热介质入口（131）进入内部换热管道（133），换热介质在内部换热管道（133）中被发动机的高温尾气加热，回收尾气中的热量；被加热的换热介质进入换热介质汇集箱（138）中，温度检测器（136）监测换热介质的温度，如果换热介质未达到规定的温度，则启动电加热棒（137）将换热介质加热到规定的温度，当温度检测器（136）监测到换热介质达到规定温度时，停止电加热棒（137）；达到规定温度的换热介质从换热介质出口（139）离开尾气余热利用装置（13）。
实施案例3。
参阅附图3，本发明提供一种甲醇水蒸汽重整制氢及CO2/H2分离技术方案，一种膜重整反应器（7），主要由箱盖（71），换热介质入口（72），甲醇水蒸汽入口（73），主体（74），重整室（75），内部换热管道（76），导流室（77），CO2分离室（78），CO2分离膜柱（79），CO2汇集管（710），底座（711），CO2出口（712），H2出口（713），换热介质出口（714）组成。其工作过程如下。
换热介质由换热介质入口（72）进入内部换热管道（76）中，从换热介质出口（714）离开重整反应器。在这个过程中换热介质中所具有的热量通过内部换热管道（76）传递到膜重整反应器（7）中，为甲醇水蒸汽重整反应和CO2的分离提供热量。
甲醇水蒸汽由甲醇水蒸汽入口（73）进入重整室（75）中，在箱盖（71）上设计了多个甲醇水蒸汽入口（73），以使甲醇水蒸汽均匀进入重整室（75）；重整室（75）中放置甲醇重整催化剂，甲醇水蒸气在重整室内发生甲醇水蒸气重整反应（1-1）、甲醇分解反应（1-2）和水煤气变换反应（1-3）生成重整气（H2、CO2、少量的CO）；重整气由导流室（77）进入CO2分离室（78）；重整室中有若干CO2分离膜柱（79），重整气中的CO2会进入CO2分离膜柱（79），随后CO2进入CO2汇集管（710），从CO2出口（712）离开膜重整反应器（7）；H2和少量的CO通过H2出口（713）离开膜重整反应器（7）。
（1-1）。
（1-2）。
（1-3）。
通常甲醇水蒸气重整反应会产生1000-10000 ppm的CO副产物。在本发明中，因为重整产物的CO2被分离，促进了甲醇水蒸汽重整反应（1-1）和水煤气变换反应（1-3），因此减少了重整产物中CO的含量。考虑到CO燃烧生成CO2，通过选择合适的催化剂，反应温度，甲醇和水的进料比例，进一步降低生成物中的CO含量。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种船用发动机储供氢系统，其特征在于：水储存罐（1）、甲醇储存罐（2）、水供给泵（31）、甲醇供给泵（32）、混合装置（4）、原料供给泵（33）、预热器（5）、蒸发器（6）、膜重整反应器（7）、CO2提纯装置（81）、H2提纯装置（82）、CO2液化装置（9）、CO2储存罐（10）、H2缓冲罐（11）、发动机（12）、尾气余热利装置用（13）、太阳能光伏发电装置（14）。
2.根据权利要求1所述的一种船用发动机储供氢系统，其特征在于：水储存罐（1）和甲醇储存罐（2）的出口分别与水供给泵（31）和甲醇供给泵（32）的入口相连，水供给泵（31）和甲醇供给泵（32）的出口与混合装置（4）的入口相连，混合装置（4）的出口与原料供给泵（33）的入口相连，原料供给泵（33）的出口与预热器（5）的入口相连，预热器（5）的出口与蒸发器（6）的入口相连，蒸发器（6）的出口与膜重整反应器（7）的入口相连，膜重整反应器（7）的出口分为两路：
一路与CO2提纯装置（81）的入口相连，CO2提纯装置（81）的出口分为两路，一路与混合装置（4）的入口相连，另一路与CO2液化装置（9）的入口相连，CO2液化装置（9）的出口与CO2储存罐（10）的入口相连，CO2在CO2储存罐（10）中储存。另一路与H2提纯装置（82）的入口相连，H2提纯装置（82）的出口分为两路，一路与混合装置（4）的入口相连，另一路与H2缓冲罐（11）的入口相连，H2缓冲罐（11）的出口与发动机的入口相连，发动机的出口与尾气余热利用装置（13）的入口相连，余热利用装置（13）为蒸发器（6）和膜重整反应器（7）提供热量。
3.根据权利要求1所述的一种船用发动机储供氢系统，其特征在于：太阳能光伏发电装置（14）利用太阳能发电，并储存在电池中，为水供给泵（31）、甲醇供给泵（32）、原料供给泵（33）、CO2液化装置（9）、尾气余热利用装置（13）等装置供电。
4.根据权利要求1所述的一种船用发动机储供氢系统，其特征在于：所述膜重整反应器（7）主要由箱盖（71），换热介质入口（72），甲醇水蒸汽入口（73），主体（74），重整室（75），内部换热管道（76），导流室（77），CO2分离室（78），CO2分离膜柱（79），CO2汇集管（710），底座（711），CO2出口（712），H2出口（713），换热介质出口（714）组成。其入口压力约为4-5 Mpa，出口压力约为1-2 Mpa。
5.根据权利要求1所述的一种适用于一种船用发动机储供氢系统，其特征在于：所述尾气余热利用装置（13），主要由换热介质入口（131），保温外壳（132），内部换热管道（133），尾气出口（134），尾气入口（135），温度检测器（136），电加热棒（137），换热介质汇集箱（138），换热介质出口（139）组成。
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