LNG动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统

本发明涉及一种lng动力船舶能量利用系统，特别是涉及一种lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统。

背景技术：

1、液化天然气汽化过程释放大量冷能，若不能充分利用，将造成巨大能量浪费并对海洋环境产生危害。此外，船舶运行时产生的余热占整个动力系统能量消耗的50％，排放烟气中含有大量中低温余热和动能未被充分利用，回收船舶余热对船舶低碳排放和能量高效利用有着极重要的意义。

2、航运业碳排放量占全球的3％，天然气作为一种清洁型能源，相比于传统燃油，可以降低20％的co2排放，但面对lng船舶的快速发展和imo愈加严格的温室气体减排要求，在降低co2排放方面，天然气作为替代燃料发挥的作用正受到愈加严格的挑剔，迫切需要找到一种针对排放废气的合理可行的碳捕集和利用技术。

3、公开号为cn115075988b的中国专利提出了一种lng动力船舶尾气碳捕集系统，包括lng汽化模块、燃烧与尾气预处理模块、低温凝华碳捕集模块、脱碳气体余冷回收模块和辅冷却模块，梯级利用lng的汽化冷能实现co2的凝华分离，但该系统并未对船舶的中低温余热进行回收利用，造成烟气中大量热能被浪费。

技术实现思路

1、针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，充分利用烟气热能和lng冷能实现船舶低碳排放。

2、本发明的技术方案为，一种lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，包括：

3、lng蒸发侧，lng经过增压后进入碳捕集换热器换热后形成ng送入主机；

4、烟气侧，由主机排出的烟气经过第一级烟气换热、第二级烟气换热、第一级烟气膨胀做功、第三级烟气换热、第四级烟气换热和海水冷却后进入吸收塔由mea溶液吸收二氧化碳；

5、二氧化碳捕集侧，所述吸收塔排出富液进入解吸塔，通过所述第二级烟气换热由烟气提供热量，在解吸塔内完成二氧化碳的解吸和mea溶液的再生，所述解吸塔排出的二氧化碳依次经过第一级co2增压、第一级co2换热、第二级co2换热、第二级co2增压、第三级co2换热、第四级co2换热后通过碳捕集换热器完成co2的冷凝液化，所述第二级烟气换热为烟气向所述解吸塔中二氧化碳的解吸和mea溶液再生提供热能，所述碳捕集换热器为lng向二氧化碳提供冷能；

6、第一级跨临界朗肯循环发电单元，以海水为冷源，以所述第四级烟气换热的烟气、所述第一级co2换热和第三级co2换热的co2、所述第一级烟气换热的烟气为热源进行发电；

7、第二级有机朗肯循环发电单元，以海水为冷源，以主机的缸套水、所述第三级烟气换热的烟气、所述第二级co2换热和第四级co2换热的co2为热源进行发电。

8、进一步地，所述烟气侧包括依次连接的第一级烟气换热器、第二级烟气换热器、烟气透平、第三级烟气换热器、第四级烟气换热器、烟气海水冷却器、烟气水分离器和吸收塔，所述第一级烟气换热器进行第一级烟气换热，所述第二级烟气换热器进行第二级烟气换热为解吸塔提供所需的热能，所述第三级烟气换热器进行第三级烟气换热，所述第四级烟气换热器进行第四级烟气换热，所述烟气海水冷却器中由海水对烟气冷却。

9、进一步地，所述烟气侧包括连接于所述烟气海水冷却器和所述吸收塔之间的烟气水分离器，所述烟气水分离器用于将分离水分后的烟气送入所述吸收塔。

10、进一步地，所述吸收塔和所述解吸塔之间设置富液-贫液换热器，所述吸收塔排出的富液与所述解吸塔排出的贫液在所述富液-贫液换热器换热，换热后的所述富液进入所述解析塔，换热后的所述贫液经贫液海水冷却器由海水冷却后进入所述吸收塔。

11、进一步地，所述换热后的贫液在进入所述贫液海水冷却器前与补充的mea溶液及水混合。

12、进一步地，所述第一级跨临界朗肯循环发电单元包括依次连接的第一级循环工质泵、所述第四级烟气换热器、第一级co2换热器、第三级co2换热器、所述第一级烟气换热器、第一透平和第一级循环海水冷却器构成的循环回路，所述第一级co2换热器中由所述第一级co2增压后的co2与第一级跨临界朗肯循环中的第一级循环工质进行第一级co2换热，所述第三级co2换热器中由所述第二级co2增压后的co2与经过所述第一级co2换热器的所述第一级循环工质进行第三级co2换热，所述第一级跨临界朗肯循环发电单元还包括循环回热器，经过所述第三级co2换热器的所述第一级循环工质依次经过所述第一级烟气换热器、所述第一透平后进入所述循环回热器再依次经过所述第一级循环海水冷却器、所述第一级循环工质泵和所述第四级烟气换热器进入所述循环回热器回热后进入所述第一级co2换热器。

13、进一步地，所述第二级有机朗肯循环发电单元包括依次连接的第二级循环工质泵、第四级co2换热器、第二级co2换热器、所述第三级烟气换热器、循环蒸发器、第二透平、第二级循环海水冷却器，所述第四级co2换热器中由所述第三级co2换热后的co2与第二级有机朗肯循环发电单元中的第二级循环工质进行第四级co2换热，所述第二级co2换热器中由所述第一级co2换热后的co2与所述第四级co2换热后的第二级循环工质进行第二级co2换热，经过所述第二级co2换热器的第二级循环工质依次经过所述第三级烟气换热器、循环蒸发器、第二透平、第二级循环海水冷却器和第二级循环工质泵后进入所述第四级co2换热器，所述主机的缸套水在所述循环蒸发器与所述第二级循环工质换热。

14、进一步地，所述二氧化碳捕集侧还包括co2水分离器和co2海水冷却器，经过所述第四级co2换热后的co2依次经过所述co2水分离器分离水分和所述co2海水冷却器进行海水冷却后再进入所述碳捕集换热器。

15、进一步地，所述的第一级跨临界朗肯循环中的第一级循环工质的工作温度区间为25-220℃。所述第二级有机朗肯循环中的第二级循环工质的工作温度区间为28-83.76℃。

16、进一步地，所述第一级循环工质为co2，所述第二级循环工质为r600。

17、本发明所提供的技术方案优点在于：

18、面向船舶应用场景，使用化学吸收法对烟气进行碳捕集，利用烟气余热为溶液再生提供热量，lng为二氧化碳液化提供冷量，在不输入外部热量和冷量的条件下，碳捕集率达到53％，实现船舶的低碳排放；基于“温度匹配，梯级利用”的原则，在冷热源之间构建耦合的跨临界朗肯循环和有机朗肯循环，将船舶上的中低温余热充分利用，实现船舶的高效节能，有效降低船舶的运营成本。

技术特征：

1.一种lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，所述烟气侧包括依次连接的第一级烟气换热器、第二级烟气换热器、烟气透平、第三级烟气换热器、第四级烟气换热器、烟气海水冷却器、烟气水分离器和吸收塔，所述第一级烟气换热器进行第一级烟气换热，所述第二级烟气换热器进行第二级烟气换热为解吸塔提供所需的热能，所述第三级烟气换热器进行第三级烟气换热，所述第四级烟气换热器进行第四级烟气换热，所述烟气海水冷却器中由海水对烟气冷却。

3.根据权利要求2所述的lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，所述烟气侧包括连接于所述烟气海水冷却器和所述吸收塔之间的烟气水分离器，所述烟气水分离器用于将分离水分后的烟气送入所述吸收塔。

4.根据权利要求1所述的lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，所述吸收塔和所述解吸塔之间设置富液-贫液换热器，所述吸收塔排出的富液与所述解吸塔排出的贫液在所述富液-贫液换热器换热，换热后的所述富液进入所述解析塔，换热后的所述贫液经贫液海水冷却器由海水冷却后进入所述吸收塔。

5.根据权利要求4所述的lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，所述换热后的贫液在进入所述贫液海水冷却器前与补充的mea溶液及水混合。

6.根据权利要求2所述的lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，所述第一级跨临界朗肯循环发电单元包括依次连接的第一级循环工质泵、所述第四级烟气换热器、第一级co2换热器、第三级co2换热器、所述第一级烟气换热器、第一透平和第一级循环海水冷却器构成的循环回路，所述第一级co2换热器中由所述第一级co2增压后的co2与第一级跨临界朗肯循环中的第一级循环工质进行第一级co2换热，所述第三级co2换热器中由所述第二级co2增压后的co2与经过所述第一级co2换热器的所述第一级循环工质进行第三级co2换热，所述第一级跨临界朗肯循环发电单元还包括循环回热器，经过所述第三级co2换热器的所述第一级循环工质依次经过所述第一级烟气换热器、所述第一透平后进入所述循环回热器再依次经过所述第一级循环海水冷却器、所述第一级循环工质泵和所述第四级烟气换热器进入所述循环回热器回热后进入所述第一级co2换热器。

7.根据权利要求2所述的lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，所述第二级有机朗肯循环发电单元包括依次连接的第二级循环工质泵、第四级co2换热器、第二级co2换热器、所述第三级烟气换热器、循环蒸发器、第二透平、第二级循环海水冷却器，所述第四级co2换热器中由所述第三级co2换热后的co2与第二级有机朗肯循环发电单元中的第二级循环工质进行第四级co2换热，所述第二级co2换热器中由所述第一级co2换热后的co2与所述第四级co2换热后的第二级循环工质进行第二级co2换热，经过所述第二级co2换热器的第二级循环工质依次经过所述第三级烟气换热器、循环蒸发器、第二透平、第二级循环海水冷却器和第二级循环工质泵后进入所述第四级co2换热器，所述主机的缸套水在所述循环蒸发器与所述第二级循环工质换热。

8.根据权利要求1所述的lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，所述二氧化碳捕集侧还包括co2水分离器和co2海水冷却器，经过所述第四级co2换热后的co2依次经过所述co2水分离器分离水分和所述co2海水冷却器进行海水冷却后再进入所述碳捕集换热器。

9.根据权利要求1所述的lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，所述的第一级跨临界朗肯循环中的第一级循环工质的工作温度区间为25-220℃，所述第二级有机朗肯循环中的第二级循环工质的工作温度区间为28-83.76℃。

10.根据权利要求9所述的lng动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，其特征在于，所述第一级循环工质为co2，所述第二级循环工质为r600。

技术总结
本发明公开了一种LNG动力船舶燃烧后碳捕集耦合余热和冷能梯级利用系统，包括LNG蒸发侧，LNG作为捕集二氧化碳的冷源，经过增压、与二氧化碳换热后形成NG；烟气侧，烟气为第一级跨临界朗肯循环、溶液再生和二氧化碳解吸提供所需热量，经做功后与第二级循环工质换热冷却，被海水冷却后送入吸收塔由MEA溶液吸收二氧化碳后排出；二氧化碳捕集侧，由解吸塔排出二氧化碳，经过两级压缩、与第二级有机朗肯循环的工质换热冷却后被LNG冷凝液化。本发明对烟气进行碳捕集的同时耦合船舶中低温余热和LNG冷能，能实现船舶的低碳排放和能量高效利用。

技术研发人员：姚寿广,孙菁,夏民杰
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5