CN216518323U - 一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，用于使用LNG作燃料的船舶在运营过程中减少碳排放，满足船舶碳减排要求，其中所述船舶碳减排系统包括LNG燃料供气处理单元、天然气重整制氢单元和CO2液化收集单元，其中所述LNG燃料供气处理单元包括依次连接的LNG储罐、CO2冷凝器和天然气加热器，其中所述天然气加热器的出口连接所述船舶的混合燃料发动机；所述天然气重整制氢单元包括依次连接的重整制氢装置、冷却器、水分脱除装置和CO2分离装置，其中所述CO2液化收集单元包括连接的压缩机、冷却器、所述CO2冷凝器、CO2气液分离器和液态CO2储罐。本申请能够有效解决LNG燃料的碳减排能力不足的问题，且投资相对较少，运营成本低，具有很强的实用性。

Description

一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统

技术领域

本发明涉及船舶运营所产生CO2的减排领域，尤其涉及一种通过天然气重整制氢、替代燃料中的甲烷，来降低船舶发动机燃料中的碳含量，达到降低船舶碳排放的系统。

背景技术

目前，随着国际社会对温室效应的认识越来越深入，碳减排成为人类下一步发展必须迎接的挑战。在船舶领域，LNG燃料的应用已经成为趋势，但LNG燃料只能满足对硫排放和氮排放的要求，在碳减排方面还有很大不足。而使用诸如氢燃料等一些能够完全满足碳排放的燃料，又面临着存储成本和安全难度高等问题。如何采用新的技术，并结合船舶自身的特点，发展合适的船舶碳减排解决方案成为亟待解决的问题。

本申请正是通过结合LNG燃料以及氢燃料的优势，利用LNG生成的纯净天然气，通过重整的办法首先制成氢气混合气，然后使用氢气混合气与天然气共同作为发动机的燃料，用氢气混合气替代甲烷，降低燃料中碳的含量，能够有效弥补LNG燃料在碳排放问题上的缺陷，满足目前及未来所有的船舶碳排放要求，同时天然气和氢气混合气的混合燃料，相比纯天然气燃料，还能有效提高燃烧品质，提高发动机的性能表现，因此具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其中通过利用LNG燃料供气处理单元处理生成的天然气，使用重整的办法制成氢气混合气，然后使用氢气混合气与天然气共同作为发动机的燃料，从而用氢气混合气替代了甲烷，降低了燃料中碳的含量，能够进一步提高LNG船舶的碳减排能力。

本发明的一个优势在于提供一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其中通过使用天然气重整所制氢气混合气和天然气共同作为发动机燃料，能有效提高燃料的燃烧品质，提高发动机的性能表现。

本发明的一个优势在于提供一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其中在对天然气重整制氢单元中分离出的CO2进行液化处理的过程中，利用LNG燃料所释放的冷能，大大降低了液化CO2的难度，进而降低了对CO2分离装置和压缩机的要求，有效节约了投资和运营成本。

本发明的一个优势在于提供一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其中经CO2气液分离器分离后的剩余气体，再次进入CO2分离装置进行分离，能够避免氢气向大气中的排放，避免潜在的安全问题。

本发明的一个优势在于提供一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排方法，通过调节供给混合燃料发动机的主要成分为氢气的氢气混合气流量和天然气流量，以调节供给混合燃料发动机的燃料中氢气的比例，进而可以控制碳减排强度。

为达到本发明以上至少一个优势，第一方面，本发明提供一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，用于使用LNG燃料的船舶在运营过程中进一步减少碳排放，满足船舶碳减排要求，其中所述船舶碳减排系统包括:

LNG燃料供气处理单元，其中所述LNG燃料供气处理单元包括依次连接的LNG储罐、CO2冷凝器和天然气加热器，其中所述天然气加热器的出口连接所述船舶的天然气和氢气混合燃料发动机；

天然气重整制氢单元，其中所述天然气重整制氢单元包括依次连接的重整制氢装置、海水冷却器、水分脱除装置和CO2分离装置，其中所述天然气重整制氢装置的输入端口连接所述天然气加热器的出口，其中所述CO2分离装置的氢气混合气出口连接所述混合燃料发动机；和

CO2液化收集单元，用于液化并收集所述CO2分离装置分离出的CO2气体。

根据本发明一实施例，所述天然气重整制氢装置被实施为两步法甲烷水蒸气重整反应装置或甲烷自热重整装置。

根据本发明一实施例，所述CO2分离装置被实施为变压吸附装置或膜分离装置。

根据本发明一实施例，所述船舶碳减排系统还包括CO2液化收集单元，其中所述CO2液化收集单元包括依次连接的压缩机、冷却器、所述CO2冷凝器、CO2气液分离器和液态CO2储罐，其中所述压缩机的输入口连通所述CO2分离装置的CO2气体出口，所述液态CO2储罐还设置有出液口，用以将液态CO2过驳到储运容器。

根据本发明一实施例，所述CO2气液分离器的气相出口连接所述CO2分离装置的输入口。

根据本发明一实施例，所述混合燃料发动机还连接有烟气排放设备，所述烟气排放设备通过供热管道与所述重整制氢装置相连，以利用烟气的废热供重整制氢装置使用。

根据本发明一实施例，所述混合燃料发动机连接所述CO2分离装置的氢气混合气管路，以及连接所述天然气加热器的天然气管路分别设置有流量调节设备，用于调节通往所述混合燃料发动机的氢气混合气流量和天然气流量，进而调节所述混合燃料发动机燃料中氢气的比例。

第二方面，本申请还提供了一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排方法，用于在船舶使用LNG燃料的过程中减少碳排放，其中所述船舶碳减排方法包括以下步骤：

S1，加热LNG燃料生成预定温度的天然气；

S2，从步骤S1中生成的所述天然气中引出预定量的天然气，利用这部分天然气与水进行重整反应，生成含有预定氢气比例的混合气；

S3，脱除所述混合气中的水分；

S4，从脱除水分的所述混合气中分离CO2，脱除水分和CO2的气体为含有少量其它气体的氢气混合气，所述其它气体包括CH4、CO和CO2,所述氢气混合气与步骤S2中未进行重整反应的其它天然气，共同作为所述混合燃料发动机的燃料；

S5，依次压缩、冷却、冷凝和气液分离处理被分离出来的CO2，然后将气液分离出来的液态CO2储藏在CO2储罐中。

根据本发明一实施例，在步骤S2天然气和水进行的重整反应中，控制水和天然气的比例在3～5:1，并控制重整反应产生的混合气中的氢气的占比达到40％以上。

根据本发明一实施例，在步骤S4中，控制从所述混合气中分离出的CO2的纯度在90％以上，以便于进一步液化处理；在步骤S5中，控制气液分离后的剩余气体返回到步骤S4中与被脱除水分的所述混合气一起再次进行CO2的分离。

根据本发明一实施例，在步骤S4中，分别调节所述氢气混合气的流量和步骤S2中未进行重整反应的其它天然气的流量，以调节供给所述混合燃料发动机的燃料中氢气的比例，进而控制船舶的碳减排强度。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，得以充分体现。

附图说明

图1示出了本申请重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统的原理示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在说明书的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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装置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，上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

参考图1，依本发明一较佳实施例的一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统将在以下被详细地阐述，其中所述重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，用于在船舶使用LNG燃料的过程中减少碳排放，满足船舶碳减排要求。

所述船舶碳减排系统包括LNG燃料供气处理单元、天然气重整制氢单元和CO2液化收集单元，分别用于把LNG处理加热成可供使用的天然气、天然气与水反应重整制氢，以及把分离出的CO2液化收集起来。

具体来说，所述LNG燃料供气处理单元包括依次连接的LNG储罐100、CO2冷凝器11和天然气加热器12，其中所述天然气加热器12的出口通过天然气管路L1连接船舶的天然气和氢气混合燃料发动机13。LNG燃料被抽取离开LNG储罐100后，经过所述CO2冷凝器11，在其中与CO2液化收集单元中需液化的CO2气体充分换热，温度得到升高，然后通过所述天然气加热器12，被加热成合适温度的天然气，然后通过天然气管路L1提供给所述混合燃料发动机13使用。所述混合燃料发动机13还设置有空气进口131，以吸入足够燃烧的空气。

所述天然气加热器12还具有加热介质进口121和加热介质出口122。加热介质在所述天然气加热器12中与天然气进行充分换热，以达到合适的温度。加热介质可以利用混合燃料发动机13的废热提供热源，或可利用其它船舶上可以提供的热源。

此外，所述混合燃料发动机13燃烧后产生的烟气经由烟气排放设备14排放至大气中。

所述天然气重整制氢单元包括依次连接的重整制氢装置21、海水冷却器22、水分脱除装置23和CO2分离装置24，其中所述重整制氢装置21的输入端口通过管道L4连接所述天然气加热器12出口的天然气管路L1，以供应重整制氢装置21所需要的天然气,其中所述CO2分离装置24的氢气混合气出口P3通过氢气混合气管路L2连接所述混合燃料发动机13，从而将经由所述CO2分离装置24分离后产生的主要成分为氢气的氢气混合气，供给所述混合燃料发动机13使用。

也就是说，从所述LNG燃料供气处理单元生成的天然气中，引出重整反应所需的天然气，利用这部分天然气与水在所述重整制氢装置21中进行重整反应(其中为达到充分重整天然气的目的，水和天然气的控制比例通常为，水：天然气＝3～5：1，比如3:1、4:1或者5:1)，重整反应生成含有预定氢气比例的混合气，其中在所述重整制氢装置21的出口端，即P1点处，混合气的一常见可能比例为23.2％H2O、1.0％CO、31.27％CO2、43.38％H2和1.15％CH4。

所述天然气重整制氢装置21还设置有水蒸气进口211，用于向所述重整制氢装置21内持续通入重整反应所需的水蒸气，水蒸汽需利用纯净水生成。天然气与水在重整制氢反应过程中需要的较高温度，可通过所述烟气排放设备14排放烟气的废热予以部分提供，以尽可能的降低能耗。比如，可利用烟气废热加热水，以给重整制氢装置供应较高温度的水蒸汽，也可用烟气废热加热用于重整反应的天然气，以提高反应所需天然气的温度。

所述重整反应生成的混合气体首先经所述海水冷却器22冷却，降温到海水的常规温度，比如35℃左右，然后再通过所述水分脱除装置23，把混合气中的水分脱除，在所述水分脱除装置23的出口端，即P2点处，脱除水气后的混合气一常见的可能比例为1.3％CO、40.71％CO2、56.48％H2和1.49％CH4，同时所述水分脱除装置23的底部设置有脱除水分出口231，用于排出脱除的水分。

随后被脱除水分后的所述混合气进入所述CO2分离装置24，分离出浓度在90％以上的CO2气体，此外，在所述CO2分离装置24的氢气混合气出口端，即P3点处，脱除水分和CO2的气体为含有少量其它气体的氢气混合气，所述氢气混合气还混有少量CO和CH4的可燃气体，此外，还会混有少量没有完全分离的CO2，只要达到所述混合燃料发动机13的燃烧标准，并不一定要完全脱除该部分CO2,而少量CO2进入发动机燃烧，还可以帮助降低发动机缸内的燃烧温度，降低氮氧化物生成的可能性。所述可燃气体经过氢气混合气管路L2供应所述混合燃料发动机13，与经过天然气管路L1供应的天然气一起，共同供发动机燃烧使用。所述天然气管路L1设置有流量调节设备132，氢气混合气管路L2设置有流量调节设备133，用于调节通往所述混合燃料发动机13的氢气混合气流量和天然气流量，进而调节所述混合燃料发动机13的燃料中氢气的比例，从而可以控制系统最终的碳减排强度，但氢气混合气和天然气的比例，还要考虑发动机燃烧特性的需要。

此外，所述海水冷却器22分别设置有冷却海水进口221和冷却海水出口222，用于通过海水的循环来给混合气体降温，以达到用最低成本降低混合气温度的目的。

作为一较佳实施例，所述重整制氢装置21被实施为传统的两步法甲烷水蒸气重整反应装置，即利用SRM法重整制氢，也可以被实施为甲烷自热重整装置，即利用ATR法重整制氢，其均是利用甲烷和水的重整反应生成氢气混合气和CO2，在此不再详细赘述。

作为一较佳实施例，所述CO2分离装置24被实施为变压吸附装置或膜分离装置，用于从混合气中分离CO2，并能够确保分离出的CO2的浓度在90％以上，以便于进一步液化处理。

根据本发明一实施例，所述船舶碳减排系统还包括CO2液化收集单元，其中所述CO2液化收集单元包括依次连接的压缩机31、冷却器32、所述CO2冷凝器11、CO2气液分离器33和液态CO2储罐200，其中所述压缩机31的输入端连通所述CO2分离装置24的CO2气体出口，经所述CO2分离装置24分离出的浓度在90％以上的CO2气体，首先被所述压缩机31压缩至10bar左右，然后通入所述冷却器32，被冷却到常温，比如35℃左右，冷却方式可以为海水冷却、空气冷却或其它一切适当冷却方式。

所述被压缩冷却后的CO2气体，进入所述CO2冷凝器11,与LNG进行充分换热，利用LNG冷能降温至-55℃～-60℃，以此确保90％左右的CO2气体被冷却液化，然后，降温后的气液混合态CO2进入所述气液分离器33中进行分离，分离出的液态CO2注入所述液态CO2储罐200进行收集，所述液态CO2储罐200的底部还设有排出口201，当液态CO2储罐200中的液态CO2达到一定容量时，或在需要时，可以把液态CO2卸放到岸基或船舶的接收设施中，并最终将CO2运输和封存在可以长期储藏CO2的封存库中，实现减排CO2的最终目的。

具体的，所述CO2冷凝器11具有LNG进口111和天然气出口112，以及气态CO2进口113和液态CO2出口114，其中所述LNG储罐100内的LNG燃料经所述LNG进口111进入所述CO2冷凝器11，并在所述CO2冷凝器11内换热升温后由所述天然气出口112通入所述天然气换热器12内，而所述冷却器32的出口端连通所述气态CO2进口113，所述CO2气体在所述CO2冷凝器11内换热冷凝后经所述液态CO2出口114，通入所述CO2气液分离器33内。

考虑到所述CO2分离装置24难以实现分离出的CO2浓度达到100％，必然会混有一定量的包括氢气在内其它可燃气体，但氢气在CO2冷凝过程中很难被液化，故经所述CO2气液分离器33气液分离后，剩余的气体中氢气和其它可燃气体的浓度会大大提高，比如在所述CO2气液分离器33的气体出口，即P4点处，氢气比例可能会达到30％，这些可燃气体如直接排入大气中存在危险性，也浪费了资源。因此，进一步优选地，将所述CO2气液分离器33分离后的气体，经过管路L5通入所述CO2分离器24中，再次进行分离，使重整制氢产生的氢气充分得以利用。这样也降低了CO2分离装置24从氢气混合气中分离CO2的难度，降低了设备投资成本。

第二方面，本申请还提供了一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排方法，用于使用LNG燃料的船舶在运营过程中进一步减少碳排放，满足船舶碳减排要求，其中所述船舶碳减排方法包括以下步骤：

S1，加热LNG燃料生成预定温度的天然气，以供所述天然气和氢气混合燃料发动机燃烧和所述重整制氢装置使用；

S2，从步骤S1中生成的所述天然气中引出预定量的天然气，利用这部分天然气与水进行重整反应，生成含有预定氢气比例的混合气，所述混合气中的成分有H2、CO2、H2O、CO、CH4；

S3，脱除所述混合气中的水分，比如，通过前述海水冷却器22和前述水分脱除装置23，分别冷却和脱除所述混合气中的水分；

S4，从脱除水分的所述混合气中分离CO2，脱除水分和CO2的气体为含有少量其它气体的氢气混合气，所述其它气体包括CH4、CO和CO2,所述氢气混合气与步骤S2中未进行重整反应的其它天然气，共同作为所述混合燃料发动机的燃料，其中所述其他天然气是指被引出供重整反应的天然气后，剩余部分的天然气；

S5，依次压缩、冷却、冷凝和气液分离处理被分离出来的CO2，然后将气液分离出来的液态CO2储藏在CO2储罐中。当液态CO2储罐中的液态CO2达到一定容量时，或在需要时，可以把液态CO2卸放到岸基或船舶的接收设施中，并最终将CO2运输和封存在可以长期储藏CO2的封存库中。

进一步优选地，在步骤S2天然气和水进行的重整反应中，控制水和天然气的比例在3～5:1，并控制重整反应产生的混合气中的氢气的占比达到40％以上，以尽可能的减少所述船舶的碳排放。

进一步优选地，所述天然气与水的重整反应，为两步法甲烷水蒸气重整反应，或是甲烷自热重整反应，或是任何其它通过甲烷与水的重整反应生成H2和CO2的过程。

进一步优选地，在步骤S4中，控制从所述混合气中分离出的CO2的纯度在90％以上，以便于进一步液化处理；在步骤S5中，控制被气液分离出来的剩余气体返回到步骤S4中与脱除水分的所述混合气一起再次进行CO2的分离，从而避免氢气向大气中的排放，避免潜在的安全问题。

进一步优选地，在步骤S4中，分别调节所述氢气混合气流量和步骤S2中未进行重整反应的其它天然气的流量，以调节供给所述混合燃料发动机的燃料中氢气的比例，进而可以控制船舶的碳减排强度。

通过使用重整制氢替代甲烷的船舶碳减排方法，可以帮助使用LNG燃料的船舶在运营过程中进一步减少碳排放，弥补LNG燃料在碳排放问题上的不足，具有重要的应用价值。此外，本方法与其他碳减排方法相比，中间没有任何无关气体(如氮气)的参与，能够尽可能把需要分离处理的气体量降到最低，且充分利用了LNG燃料释放的冷能，大大降低了液化CO2的难度，从而显著降低对了分离装置和压缩机的高要求，节约了设备投资，大幅降低了运营成本，具有很高的实用价值。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的优势已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (7)

1.一种重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，用于在船舶使用LNG燃料的过程中减少碳排放，其特征在于，所述船舶碳减排系统包括:

LNG燃料供气处理单元，其中所述LNG燃料供气处理单元包括依次连接的LNG储罐、CO2冷凝器和天然气加热器，其中所述天然气加热器的出口连接船舶的天然气和氢气混合燃料发动机；

天然气重整制氢单元，其中所述天然气重整制氢单元包括依次连接的重整制氢装置、海水冷却器、水分脱除装置和CO2分离装置，其中所述重整制氢装置的输入口连接所述天然气加热器的出口，其中所述CO2分离装置的氢气混合气出口连接所述混合燃料发动机；和

CO2液化收集单元，用于液化并收集所述CO2分离装置分离出的CO2气体。

2.如权利要求1所述重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其特征在于，所述重整制氢装置被实施为两步法甲烷水蒸气重整反应装置或甲烷自热重整装置。

3.如权利要求1所述重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其特征在于，所述CO2分离装置被实施为变压吸附装置或膜分离装置。

4.如权利要求1～3任一项所述重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其特征在于，所述CO2液化收集单元包括依次连接的压缩机、冷却器、所述CO2冷凝器、CO2气液分离器和液态CO2储罐，其中所述压缩机的输入口连通所述CO2分离装置的CO2气体出口，所述液态CO2储罐还设置有出液口，用以将液态CO2过驳到储运容器。

5.如权利要求4所述重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其特征在于，所述CO2气液分离器的气相出口连接所述CO2分离装置的输入口。

6.如权利要求1～3任一项所述重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其特征在于，所述混合燃料发动机还连接有烟气排放设备，所述烟气排放设备通过供热管道与所述重整制氢装置相连，以利用烟气的废热供重整制氢装置使用。

7.如权利要求1～3任一项所述重整制氢替代甲烷的船舶碳减排系统，其特征在于，所述混合燃料发动机连接所述CO2分离装置的氢气混合气管路，以及连接所述天然气加热器的天然气管路，分别设置有流量调节设备，用于调节通往所述混合燃料发动机的氢气混合气流量和天然气流量，进而调节所述混合燃料发动机燃料中氢气的比例。

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