CN219317061U - 使用sofc的lng动力船碳减排系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，包括LNG燃料供应系统和碳回收系统，LNG燃料供应系统包括依次连接的LNG储罐、CO₂冷凝器、天然气加热器、船舶用气设备和烟气排放设备，其中LNG储罐内储存有LNG燃料，其中船舶用气设备包括船舶发动机和SOFC燃料电池，所述SOFC燃料电池的阴极排气口连接所述烟气排放设备；碳回收系统包括依次连接的第一冷却器、水分脱除装置以及CO₂液化和存储装置，其中第一冷却器的进口连接SOFC燃料电池的后燃烧室排气口，水分脱除装置的气体出口连接CO₂液化和存储装置。本申请提供的碳减排系统能够使船舶在满足碳减排政策要求的同时，整体能耗尽可能减少，运行费用低，设备构造简单，占用空间小。

Description

使用SOFC的LNG动力船碳减排系统

技术领域

本实用新型涉及LNG动力船碳减排技术领域，尤其涉及使用SOFC的LNG动力船碳减排系统。

背景技术

在国际排放控制政策以及碳减排趋势的影响下，LNG动力已经成为船舶的重要动力选择，全球LNG动力船舶正进入快速发展期。

然而，LNG在满足对硫排放和氮排放的要求之外，只能部分满足碳排放的要求；而如果使用一些能够完全满足碳排放要求的燃料，比如甲醇、氨、氢等燃料，又面临着绿色燃料供应难以满足要求、成本过高等一系列难题。

目前，LNG本身具备一定的碳减排能力，只是还未达到国际海事组织到2030年左右预期达到的碳减排目标，因此遭到了一定的质疑，认为其只是一种过渡性燃料。

因此，如何使LNG动力船满足碳排放的要求，同时降低碳减排成本，是当下亟待解决的问题之一。

实用新型内容

本实用新型的一个优势在于提供一种使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其中在LNG燃料供应系统的基础上，利用SOFC燃料电池阴极反应气体和阳极反应气体相互隔离的特点，可以有效排除不参与反应的氮气，而集中处理生成的碳氧化物，这样能大幅降低分离、收集、液化CO₂的能耗，同时SOFC燃料电池的高效率可以进一步提高系统效率，在满足碳减排要求的前提下，大幅降低运行成本。

本实用新型的一个优势在于提供一种使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其中利用LNG燃料所蕴含的冷能，把SOFC燃料电池反应后所排放的CO₂收集和处理，进一步节约了能耗，降低了系统整体的运行成本。

本实用新型的一个优势在于提供一种使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其中碳减排系统整体结构简单、占用空间小、减少了不必要的设备投资，具有较大的发展潜力。只需要船舶安装SOFC燃料电池的功率达到船舶发动机功率的25％～30％，就可以满足近、中期船舶碳减排的要求，使LNG动力船更易于实现碳减排的要求，有效弥补了LNG燃料在碳排放问题上的不足，具有极高的应用价值。

本实用新型的一个优势在于提供一种使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其中不仅可以充分利用SOFC燃料电池排气的余热和能量，还可以利用船舶发动机的废热给天然气加热器提供所需热量，并利用海水给所需气体进行降温，故而能够尽最大可能的减少燃料消耗，提高系统的整体能效，降低运行成本。

为达到本实用新型以上至少一个优势，第一方面，本实用新型提供一种使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，包括：

LNG燃料供应系统，其中所述LNG燃料供应系统包括依次连接的LNG储罐、CO₂冷凝器、天然气加热器、船舶用气设备和烟气排放设备，其中所述LNG储罐内储存有LNG燃料，其中所述船舶用气设备包括船舶发动机和SOFC燃料电池，所述SOFC燃料电池的阴极排气口连接所述烟气排放设备；和

碳回收系统，其中所述碳回收系统包括依次连接的第一冷却器、水分脱除装置以及CO₂液化和存储装置，其中所述第一冷却器的进口连接所述SOFC燃料电池的后燃烧室排气口，所述水分脱除装置的气体出口连接所述CO₂液化和存储装置。

根据本实用新型一实施例，所述SOFC燃料电池还设置有相对所述阴极排气口分别处理排气的阳极排气口，其中所述阳极排气口连接所述后燃烧室；

所述SOFC燃料电池还设置有用于通入空气的空气进口，所述后燃烧室设置有用于连接纯氧供气设备的纯氧供气接口。

根据本实用新型一实施例，所述CO₂液化和存储装置包括依次连接的压缩机、第二冷却器、所述CO₂冷凝器和液态CO₂储罐，其中所述第二冷却器的出口连接所述CO₂冷凝器的气态CO₂进口，所述CO₂冷凝器的液态CO₂出口连接所述液态CO₂储罐，所述CO₂冷凝器于所述液态CO₂出口的一侧还设置有排气口；

所述第二冷却器设置有用于换热的冷却介质进口和冷却介质出口，用于形成冷却介质循环。

根据本实用新型一实施例，所述LNG储罐通过LNG调节阀一路连接所述CO₂冷凝器的LNG进口，另一路直接连接所述CO₂冷凝器后的所述天然气加热器的进口，所述CO₂冷凝器的天然气出口连接所述天然气加热器的进口。

根据本实用新型一实施例，所述天然气加热器设置有用于形成热循环的换热介质进口和换热介质出口，其中所述热循环的热源为所述船舶用气设备产生的废热。

根据本实用新型一实施例，所述第一冷却器包括余热利用设备和海水冷却器，其中所述余热利用设备位于所述海水冷却器的上游，以充分利用余热；

其中所述海水冷却器设置有用于换热的海水进口和海水出口。

根据本实用新型一实施例，所述液态CO₂储罐设置有CO₂出液口，用以将液态CO₂过驳到其它储运容器。

第二方面，本实用新型还提供了一种使用SOFC的LNG动力船碳减排方法，依次包括以下步骤：

(a)依次通过CO₂冷凝器的换热和天然气加热器的加热，使LNG燃料达到船舶用气设备使用所需的预定温度；

(b)所述船舶用气设备包括SOFC燃料电池，所述SOFC燃料电池反应后的阳极排气和阴极排气分开处理，其中阳极排气通往所述SOFC燃料电池的后燃烧室，进行富氧燃烧，燃烧最终产物为CO₂和H₂O，所述SOFC燃料电池的后燃烧室排气通往余热利用设备，进行余热利用，其中阴极排气通过烟气排放设备排出；

(c)利用海水进一步冷却余热利用后的后燃烧室排气的温度至海水温度；

(d)通过水分脱除装置脱除所述排气中的水分；

(e)压缩脱除水分后的所述排气；

(f)冷却被压缩后的所述排气；

(g)将被压缩和冷却的所述排气通入所述CO₂冷凝器，同时通过LNG调节阀调节步骤(a)中进入所述CO₂冷凝器的LNG燃料的流量，以保持由所述CO₂冷凝器的液态CO₂出口流出的液态CO₂的温度为设定的所需温度；

(h)输送冷凝的液态CO₂至液态CO₂储罐进行存储，并在需要时将存储在所述液态CO₂储罐内的液态CO₂过驳到船舶以外的容器内，达到船舶碳减排的目的。

根据本实用新型一实施例，步骤(e)中，被压缩气体的压力范围为0.6Mpa～1Mpa。

根据本实用新型一实施例，步骤(g)中，在所述LNG调节阀的调节作用下，所述CO₂冷凝器流出的液态CO₂的温度范围为-65℃～-55℃。

本实用新型的这些和其它目的、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示出了本申请一较佳实施例使用SOFC的LNG动力船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实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。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实用新型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实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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，依本实用新型一较佳实施例的一种使用SOFC的LNG动力船碳减排系统将在以下被详细地阐述。SOFC，固体氧化物燃料电池，属于第三代燃料电池，是一种在中、高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是几种燃料电池中，理论能量密度最高的一种。SOFC燃料电池具有阳极和阴极反应气体可分离的特征，其中阳极排气通往SOFC燃料电池的后燃烧室，只需要向后燃烧室通入纯氧，便可以实现后燃烧室的完全燃烧，使后燃烧室排气中只含有CO₂和H₂O，其中阴极排气主要成分为氮气以及未反应的氧气和空气中的其他成分，其可以连接烟气排放设备(比如烟囱)进行排放，温度高，为高品质废热，可进行余热利用，比如通过废热锅炉和换热装置等回收其中的热能。

具体的，所述使用SOFC的LNG动力船碳减排系统包括LNG燃料供应系统和碳回收系统，其中所述LNG燃料供应系统包括依次连接的LNG储罐100、CO₂冷凝器12、天然气加热器13、船舶用气设备和烟气排放设备16，其中所述LNG储罐100内储存有LNG燃料，所述船舶用气设备包括船舶发动机14和SOFC燃料电池15，同时，所述SOFC燃料电池15的阴极排气口连接所述烟气排放设备16，比如烟囱，用于排出阴极排气，即氮气以及未反应的氧气和空气中的其他成分，这部分排出的气体温度较高，也可以作为高品质废热在排放前充分回收其中的热能，以作它用；所述碳回收系统包括依次连接的第一冷却器、水分脱除装置23以及CO₂液化和存储装置，其中所述第一冷却器的进口连接所述SOFC燃料电池15的后燃烧室排气口P₂，用于接收所述后燃烧室的排气，即只含有CO₂和H₂O的排气，其中所述水分脱除装置23的气体出口连接所述CO₂液化和存储装置，脱除了水分后的气体绝大多数为CO₂，CO₂的浓度在95％以上，甚至可以高达99％，其中被脱除的水分经所述水分脱除装置23底部的水分出口231排出,脱除了水分后的气体，即高浓度CO₂气体，经所述CO₂液化和存储装置液化，然后进行存储。

由此，能够在船舶LNG燃料供应系统的基础上，利用SOFC燃料电池15阳极和阴极反应气体分离的特点，来有效降低处理、液化和收集CO₂的能耗，且系统整体构造简单，易于快速投入使用，进行规模化、大范围的应用，同时还能够在满足碳减排要求的前提下，有效提升系统的整体能效。

天然气在所述船舶发动机中燃烧时，所述船舶发动机14通过空气进口141吸入足够的空气，确保天然气能够进行富氧燃烧，燃烧产生的烟气通过所述烟气排放设备16(比如烟囱)进行排放，排放的烟气在本申请中暂不做进一步的CO₂的分离、收集处理，当然也可增加处理设备，但要额外增加设备和占用船舶空间，本申请暂不考虑。排放的烟气还可以通过余热锅炉进一步回收余热，以提高系统整体能量利用效率。

在一个实施例中，所述SOFC燃料电池15设置有用于通入空气的空气进口151，通过所述空气进口151给所述SOFC燃料电池15提供充足的空气，由于所述SOFC燃料电池15独特的内部结构，燃料和空气发生电化学反应时并不掺混，为CO₂的后续处理提供了有利条件；

所述SOFC燃料电池15还具有与所述阴极排气口分开设置的阳极排气口，其中所述阳极排气口连接所述后燃烧室，同时，所述后燃烧室设置有用于连接纯氧供气设备的纯氧供气接口152，用于向所述后燃烧室通入纯氧，在所述后燃烧室中实现完全燃烧，确保所述后燃烧室的排气中只含有CO₂和H₂O，从而方便对CO₂进行液化和收集。

进一步优选地，所述CO₂液化和存储装置包括依次连接的压缩机24、第二冷却器25、所述CO₂冷凝器12和液态CO₂储罐200，其中所述第二冷却器25设置有用于换热的冷却介质进口251和冷却介质出口252，用于形成冷却介质循环，其中冷却介质可以优先选择为海水，取用方便且足量，其中所述第二冷却器25的出口连接所述CO₂冷凝器12的气态CO₂进口123，同时，所述CO₂冷凝器12的液态CO₂出口124连接所述液态CO₂储罐200，这样充分利用LNG燃料中所蕴含的冷能在所述CO₂冷凝器12中冷凝处理CO₂，达到大幅降低收集液化CO₂过程中所需大量能源的目的；此外，所述CO₂冷凝器12于所述液态CO₂出口的一侧还设置有排气口125，用于排出未被冷凝的气体。

经理论计算分析表明，如果在船舶上配置SOFC燃料电池的功率为船舶发动机功率的25％～30％，SOFC燃料电池15所排CO₂全部得到收集处理，即使在船舶发动机14所排烟气完全不进行CO₂分离和收集的情况下，船舶整体碳减排效应与常规燃料油相比也能达到减排40％的效果，可以基本满足近、中期碳减排目标。

作为一较佳实施例，所述LNG储罐100通过LNG调节阀11一路连接所述CO₂冷凝器12的LNG进口121，另一路直接连接所述天然气加热器13的进口，同时，所述CO₂冷凝器12的天然气出口122连接所述天然气加热器13的进口，从而能够通过所述LNG调节阀11调节直接进入所述CO₂冷凝器12内LNG燃料的流量，确保从所述CO₂冷凝器12的液态CO₂出口124流出的液态CO₂的温度在设定的温度范围。

概况来说，所述CO₂冷凝器12同时应用在所述LNG燃料供应系统和所述碳回收系统中，其中在所述LNG燃料供应系统中，所述CO₂冷凝器12具有相对的LNG进口121和天然气出口122，即所述LNG储罐100内的LNG燃料在排出口P₁处的温度在-162℃左右，LNG燃料首先经过所述LNG进口121进入所述CO₂冷凝器12，然后通过所述天然气出口122流出至所述天然气加热器13的进口，其中在所述碳回收系统中，所述CO₂冷凝器12具有相对的气态CO₂进口123和液态CO₂出口124，即所述碳回收系统中的气态CO₂由所述气态CO₂进口123进入所述CO₂冷凝器12，然后由所述液态CO₂出口124流出，以此，能够通过所述CO₂冷凝器12来充分利用LNG燃料所蕴含的巨大冷能，把CO₂气体冷凝成液态CO₂。

需要强调的是，为了精确控制所述碳回收系统中CO₂的冷凝温度，使CO₂既能冷凝液化，又不至于温度过低而凝固成干冰，以方便存储液态CO₂，所述LNG储罐100通过LNG调节阀11一路连接所述CO₂冷凝器12的LNG进口121，另一路直接连接所述天然气加热器13的进口，这样一来，通过所述LNG调节阀11便可以调节通往所述LNG进口121的LNG燃料流量，从而能够控制液化CO₂的冷凝温度，比如，使所述碳回收系统中由所述液态CO₂出口124流出的液态CO₂的温度保持在-65℃～-55℃，优选为-60℃，此外，还需要注意的是，经所述LNG调节阀11调节，未流入所述CO₂冷凝器12中的LNG燃料将直接流向所述天然气加热器13进行加热，以此能够保证所述船舶用气设备的用气量不受影响。

优选地，所述天然气加热器13设置有用于形成热循环的换热介质进口131和换热介质出口132，其中所述热循环的热源为所述船舶用气设备产生的废热，以充分利用船舶产生的废热，达到进一步提高能效的目的。

进一步优选地，所述第一冷却器包括余热利用设备21和海水冷却器22，其中所述余热利用设备21位于所述海水冷却器22的上游，由于后燃烧室排气的温度较高，为高品质热源，可通过余热利用设备21充分利用，达到降低所述后燃烧室排气温度的作用，其中所述海水冷却器22设置有用于换热的海水进口221和海水出口222，利用海水的冷却，可以将所述后燃烧室排气的温度降低到海水温度，可以析出水分，并利于接下来的处理。

进一步优选地，所述液态CO₂储罐200设置有CO₂出液口201。所述液态CO₂储罐200具有绝热保冷能力，可长时间储存液态CO₂。船舶在航行过程中，不断产生新的液态CO₂。这些液态CO₂可先存储在液态CO₂储罐200中，达到一定容量后或者在有需要时，通过所述CO₂出液口201过驳到岸基液态CO₂储罐中，也可以过驳到专用的液态CO₂运输船，通过运输并最终排入至海洋底部由废气油气井改造而成的CO₂储藏库中，实现减排CO₂的最终目的。

第二方面，基于相同的工作原理，本实用新型还提供一种使用SOFC的LNG动力船碳减排方法，包括以下步骤：

(a)依次通过CO₂冷凝器12的换热和天然气加热器13的加热，使LNG燃料达到船舶用气设备使用所需的预定温度；

(b)所述船舶用气设备包括船舶发动机14和SOFC燃料电池15，所述SOFC燃料电池15反应后的阳极排气和阴极排气分开处理，其中阳极排气通往所述SOFC燃料电池15的后燃烧室，通过通入纯氧进行富氧燃烧，燃烧最终产物为CO₂和H₂O，然后所述SOFC燃料电池15的后燃烧室排气通往余热利用设备21，进行余热利用，并使所排气体温度降低，其中阴极排气通过烟气排放设备16排出，也可以待回收阴极排气中的废热后再进行排放；

(c)利用海水进一步冷却余热利用后的后燃烧室排气的温度至海水温度；

(d)通过水分脱除装置23脱除所述排气中的水分；

(e)通过压缩机24压缩脱除水分后的所述排气；

(f)冷却被压缩后的所述排气；

(g)将被压缩和冷却的所述排气通入所述CO₂冷凝器12，同时通过LNG调节阀11调节步骤(a)中进入所述CO₂冷凝器12的LNG燃料的流量，以保持由所述CO₂冷凝器12的液态CO₂出口124流出的液态CO₂的温度为设定的所需温度；

(h)输送冷凝的液态CO₂至液态CO₂储罐200进行存储，并在需要时将存储在所述液态CO₂储罐200内的液态CO₂过驳到船舶以外的容器内，达到船舶碳减排的目的。

进一步优选地，步骤(e)中，被压缩气体的压力范围在1Mpa左右，优先为0.6Mpa～1Mpa，其中0.6Mpa～1Mpa是一个相对较低的工作压力，可以大幅降低气体压缩所耗费的能量。

进一步优选地，步骤(g)中，在所述LNG调节阀的调节作用下，所述CO₂冷凝器流出的液态CO₂的温度范围为-65℃～-55℃，比如-60℃，充分利用LNG燃料所蕴含的冷能把绝大多数的CO₂冷凝成液态，从而降低CO₂液化过程中所需的大量能量。

此外，将存储在所述液态CO₂储罐200内的液态CO₂过驳到船舶以外的容器内的时机，可以是所述液态CO₂储罐200达到容积限制后，也可以是在有较方便的液态CO₂运输船资源时，此时，可以将所述液态CO₂过驳到其它岸基存储容器或液态CO₂运输船中，然后通过运输并最终排入至海洋底部由废气油气井改造而成的CO₂储藏库中，达到船舶碳减排的最终目的。

需要说明的是，本实用新型中用语“第一、第二以及第三”仅用于描述目的，不表示任何顺序，不能理解为指示或者暗示相对重要性，可将这些用语解释为名称。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的优势已经完整并有效地实现。本实用新型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，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (7)

1.使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其特征在于，包括：

LNG燃料供应系统，其中所述LNG燃料供应系统包括依次连接的LNG储罐、CO₂冷凝器、天然气加热器、船舶用气设备和烟气排放设备，其中所述LNG储罐内储存有LNG燃料，其中所述船舶用气设备包括船舶发动机和SOFC燃料电池，所述SOFC燃料电池的阴极排气口连接所述烟气排放设备；和

碳回收系统，其中所述碳回收系统包括依次连接的第一冷却器、水分脱除装置以及CO₂液化和存储装置，其中所述第一冷却器的进口连接所述SOFC燃料电池的后燃烧室排气口，所述水分脱除装置的气体出口连接所述CO₂液化和存储装置。

2.如权利要求1所述使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其特征在于，所述SOFC燃料电池还设置有相对所述阴极排气口分别处理排气的阳极排气口，其中所述阳极排气口连接所述后燃烧室；

所述SOFC燃料电池还设置有用于通入空气的空气进口，所述后燃烧室设置有用于连接纯氧供气设备的纯氧供气接口。

3.如权利要求2所述使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其特征在于，所述CO₂液化和存储装置包括依次连接的压缩机、第二冷却器、所述CO₂冷凝器和液态CO₂储罐，其中所述第二冷却器的出口连接所述CO₂冷凝器的气态CO₂进口，所述CO₂冷凝器的液态CO₂出口连接所述液态CO₂储罐，所述CO₂冷凝器于所述液态CO₂出口的一侧还设置有排气口；

所述第二冷却器设置有用于换热的冷却介质进口和冷却介质出口，用于形成冷却介质循环。

4.如权利要求3所述使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其特征在于，所述LNG储罐通过LNG调节阀一路连接所述CO₂冷凝器的LNG进口，另一路直接连接所述CO₂冷凝器后的所述天然气加热器的进口，所述CO₂冷凝器的天然气出口连接所述天然气加热器的进口。

5.如权利要求4所述使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其特征在于，所述天然气加热器设置有用于形成热循环的换热介质进口和换热介质出口，其中所述热循环的热源为所述船舶用气设备产生的废热。

6.如权利要求5所述使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其特征在于，所述第一冷却器包括余热利用设备和海水冷却器，其中所述余热利用设备位于所述海水冷却器的上游，以充分利用余热；

其中所述海水冷却器设置有用于换热的海水进口和海水出口。

7.如权利要求6所述使用SOFC的LNG动力船碳减排系统，其特征在于，所述液态CO₂储罐设置有CO₂出液口，用以将液态CO₂过驳到其它储运容器。

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