一种船舶燃料烟气中的CO2捕集系统的制作方法

一种船舶燃料烟气中的co2捕集系统
技术领域
1.本发明涉及一种船舶燃料烟气中的co2捕集系统。


背景技术：

2.航运业如今面临着已知和未知的环境和排放法规及要求，例如国际防止船舶污染公约(marpol)和国际海事组织(imo)脱碳目标。目前市场上多聚焦氢、氨、lng、醇类等作为未来的能源，以确保船用燃料满足未来的需求。根据克拉克森报告，2021年船舶新订单数量下跌了接近50％，重要的一个原因就是船东不知道到底该用哪种能源来满足未来的航运要求，尤其是脱碳要求。2018年，国际海事组织在其最初的温室气体(ghg)战略中提出了其雄心。目标是到2030年个别船舶的co2排放减少40％，到2050年减少70％；到2050年温室气体总量减少50％。这些目标给许多船东留下了实现合规的艰巨任务。船东可能必须审查运营效率，如航行优化，引进先进的船舶设计技术，实施降低航行速度和/或使用低碳足迹的替代燃料。本发明针对燃烧后的烟气中的co2进行补集，达到减碳的目的。
3.目前常用的碳捕集方法是胺法脱碳，胺法脱碳的原理如下(见图1)：
4.烟气通过引风机引入预处理塔，经过预处理塔的降温、除尘、深度脱硫和脱硝等过程后送入吸收塔的底部，在吸收塔内与顶部流下的吸收剂逆流接触，并进行传热传质过程，脱碳后的烟气排入大气。吸收塔内的吸收剂采用混合胺液，利用了胺液低温吸收co2、高温释放co2的原理。吸收剂在吸收塔内作为贫液吸收co2，然后进入解吸塔，富液通过加热等方式使得吸收剂再生，析出co2，co2通过压缩机的增压以及冷却器的降温后液化，最后由co2储罐储存。
5.胺法脱碳系统用于船舶时存在以下问题：
6.1、结构复杂，占用空间大：胺法脱碳系统需要配备吸收塔和解吸塔，双塔的占地面积比较大；由于船舶的空间有限，不宜安装系统复杂、体积比较大的设备。
7.2、动力设备功耗大：胺法脱碳系统需要配备富液泵、贫液泵和压缩机，这三项动力设备的功率较大；由于船舶上的机械功率配备有限。需要添加脱碳系统旧船，没有供给这部分动力设备机械消耗的富余功率。新造船若要添加脱碳系统，需要额外添加供给这部分动力设备能耗的能源储备，将会导致船舶可利用载货空间大幅减少，不经济。
8.3、投资大，运行费用高：胺法脱碳系统中的吸收塔和解吸塔的投资总成本中初始投资费用占70％，运行费用占30％，碳捕集成本在20-190$/tco2范围不等。解吸塔中吸收剂再生也需要消耗大量的热能。
9.4、吸收剂降解产物对环境有害：吸收剂降解后产生亚硝胺和硝铵类物质，该类物质在大气中扩散后，对环境和人体健康的影响非常大。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种船舶燃料烟气中的co2捕集系统，它的结构简单，占用空间小，投资小，运行费用低。
11.本发明的目的是这样实现的：一种船舶燃料烟气中的co2捕集系统，包括烟气预处理单元、引风机沸石转轮、烟气co2换热器、co2分配器、海水冷却器、co2液化单元和低温co2液态储罐；其中，
12.所述沸石转轮由动力机构驱动旋转，该沸石转轮的正下部为吸附区，沸石转轮的左上部为解吸区，沸石转轮的右上部为冷却区；
13.所述烟气co2换热器设在所述沸石转轮的前方，该烟气co2换热器包括烟气管路和co2气体管路；所述烟气管路的烟气进口连接船舶发动机或锅炉的高温烟气，该烟气管路的烟气出口与所述烟气预处理单元的烟气进口连接；所述co2气体管路的co2气体进口对准所述沸石转轮的冷却区，所述co2气体管路的co2气体出口对准所述沸石转轮的解吸区；
14.所述烟气预处理单元和所述引风机依次设在所述沸石转轮的后方；所述烟气预处理单元的烟气出口对准所述引风机的进气口，引风机的出气口对准所述沸石转轮的吸附区；
15.所述co2分配器设在所述沸石转轮的后方，该co2分配器设有一个高温co2气体进口和两个高温co2气体出口；所述高温co2气体进口对准所述沸石转轮的解吸区；
16.所述海水冷却器设在所述沸石转轮的后方，该海水冷却器的进口与所述co2分配器的一个高温co2气体出口连接，该海水冷却器的出口对准所述沸石转轮的吸附区；
17.所述co2液化单元的co2气体进口与所述co2分配器的另一个高温co2气体出口连接；
18.所述低温co2液态储罐与所述co2液化单元的co2液态出口连接。
19.上述的船舶燃料烟气中的co2捕集系统，其中，所述烟气co2换热器的烟气管路和co2管路交错叠置。
20.上述的船舶燃料烟气中的co2捕集系统，其中，所述烟气预处理单元包括烟气预处理喷淋层、吸收剂喷淋层和水洗喷淋层。
21.上述的船舶燃料烟气中的co2捕集系统，其中，所述co2液化单元为热声制冷机并包括热声发动机、低温端换热器、高温端换热器和连接在低温端换热器与高温端换热器之间的回热器；所述热声发动机由船舶发动机或锅炉的高温烟气提供动力源而产生声波，高温烟气经过热声发动机后再进入所述烟气预处理单元的烟气进口；所述低温端换热器接受由声波而转化的热功，所述低温端换热器的co2气体进口与所述co2分配器的另一个高温co2气体出口连接。
22.本发明的船舶燃料烟气中的co2捕集系统具有以下特点：
23.1、系统结构简单，占用空间小：不需要配备吸收塔和解析塔，本发明的co2捕集系统只有一套沸石转轮，沸石转轮将吸附区和解吸区高度整合，占用平面空间小，为船舶节省大量的载货空间；
24.2、动力件少，基本不需要消耗船舶的额外功率：沸石转轮中的吸附剂的转换不需要泵的驳运，仅需为沸石转轮提供少量的动力；无压缩机，大大减少了能量消耗，非常适用于现有旧船改造项目；同时，也适用于新造船，当新造船需要添加本发明的co2捕集系统时，无需添加额外的储能空间，也无需负担额外的脱碳费用；
25.3、投资小，运行费用低：该本发明的co2捕集系统结构简单，初始投资成本较低，运行过程中基本无动力件，没有附加消耗，易于维护，且主要利用船舶发动机或锅炉的余热，
即实现了节能减排，又降低了运行费用，符合社会发展趋势。
26.4、吸附沸石的热稳定性好，不产生有害的降解物质：吸附沸石属于环境友好型产物，对人体和环境不产生不利影响。
附图说明
27.图1是本发明的船舶燃料烟气中的co2捕集系统的原理结构图；
28.图2是本发明的co2捕集系统中的沸石转轮的结构示意图；
29.图3是本发明的co2捕集系统中的烟气co2换热器的透视图；
30.图4是本发明的co2捕集系统中的烟气co2换热器的侧视图；
31.图5是本发明的co2捕集系统中的co2液化单元的原理结构图。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
33.请参阅图1至图5，本发明的船舶燃料烟气中的co2捕集系统，包括烟气预处理单元1、引风机2、沸石转轮3、烟气co2换热器4、co2分配器5、海水冷却器6和co2液化单元7和低温co2液态储罐8。
34.沸石转轮3由动力机构30驱动旋转，该沸石转轮3的正下部为吸附区31；沸石转轮3的左上部为解吸区32，沸石转轮3的右上部为冷却区33；
35.烟气co2换热器4设在沸石转轮3的前方，该烟气co2换热器4包括烟气管路41和co2管路42；烟气管路41和co2气体管路42各自由多个环形管道、一根进口集管和一根出口集管构成，环形管道采用长圆形微通道；烟气管路41的多个环形管道与co2气体管路42的多个环形管道交错叠置；烟气管路41的烟气进口411连接船舶发动机或锅炉的高温烟气，烟气管路41的烟气出口412与烟气预处理单元1的烟气进口连接；co2气体管路42的co2气体进口421对准沸石转轮3的冷却区33，co2气体管路42的co2气体出口422对准沸石转轮3的解吸区32；
36.烟气预处理单元1和引风机2依次设在沸石转轮3的后方；烟气预处理单元1包括烟气预处理喷淋层、吸收剂喷淋层和水洗喷淋层；烟气预处理单元1的烟气出口对准引风机2的进气口；引风机2的出气口对准沸石转轮3的吸附区31；
37.co2分配器5设在沸石转轮3的后方，该co2分配器5设有一个高温co2气体进口和两个高温co2气体出口；高温co2气体进口对准沸石转轮3的解吸区32；
38.海水冷却器6设在沸石转轮3的后方，海水冷却器6的进口与co2分配器5的一个高温co2气体出口连接；海水冷却器6的出口对准沸石转轮3的吸附区31；
39.co2液化单元7为热声制冷机并包括热声发动机70、低温端换热器71、高温端换热器73和连接在低温端换热器71与高温端换热器72之间的回热器72；热声发动机70由船舶发动机或锅炉的高温烟气提供动力源而产生声波，高温烟气经过热声发动机70后再进入烟气预处理单元1的烟气进口；低温端换热器71接受由声波而转化的热功，低温端换热器71的co2气体进口与co2分配器5的另一个高温co2气体出口连接；
40.低温co2液态储罐8与co2液化单元7的低温端换热器71的co2液态出口连接。
41.本发明的船舶燃料烟气中的co2捕集系统的工作原理如下：
42.高温烟气进入烟气预处理单元1，经烟气预处理之后，高温烟气变为低温脱硫脱硝
烟气，接着通过引风机2进入沸石转轮3的吸附区31，沸石转轮3吸附烟气中的co2，之后低温脱碳烟气排入大气环境中。沸石转轮3吸附co2达到饱和之后在动力机构30的带动下，转至解吸区32，经烟气co2换热器4升温后，co2被析出，排至co2分配器5，co2分配器5中的co2为高温co2气体，同时沸石转轮3中再生的吸附剂也变成了高温吸附剂。co2分配器5经计算分析，一部分高温co2气体进入海水冷却器6，另一部分高温co2气体排至co2液化单元7。经海水冷却器6降温的co2气体进入沸石转轮3的冷却区33，将沸石转轮3的高温吸附剂冷却为低温吸附剂，使低温吸附剂进入待吸附状态，同时该部分co2气体再进入烟气co2换热器4。烟气co2换热器4的换热源是来自船舶发动机或锅炉的高温烟气，高温烟气经烟气co2换热器4加热之后变为低温烟气并排至烟气预处理单元1；来自沸石转轮3的冷却区33的降温后的co2气体经烟气co2换热器4(高温烟气)加热之后，进入沸石转轮3的解吸区32，加热富含co2的吸附剂，使高浓度的co2气体被析出，排至co2分配器5。如此循环往复，co2不断地被收集储存，其中一小部分co2作为循环介质为解吸提供动力。
43.沸石转轮3的解吸区32、冷却区33和吸附区31的功能为周期性轮换，当沸石转轮3的吸附区31吸附co2饱和时转至沸石转轮3的解吸区32，进行沸石吸热、析出co2，同时沸石转轮3的解吸区32转至沸石转轮3的冷却区31，进行沸石降温，为吸收co2做准备，沸石转轮3的冷却区31转至沸石转轮3的吸附区31，沸石吸附co2，完成co2吸附及解吸循环，该循环周而复始，实现烟气脱碳。
44.烟气co2换热器4通过管道的金属壁面传热，co2被高温烟气加热至沸石转轮3能析出co2所需的温度。
45.co2液化单元7为热声制冷机，动力源来自船舶发动机或锅炉的高温烟气余热，热声制冷机将热能转化为声能，再通过消耗声能实现制冷，将气态co2转化为液态，储存于低温co2液态储罐8中。高温烟气经过热声发动机70，为热声发动机70提供动力源产生声波。在回热器72内的气体微团720的初始温度低于低温端换热器71的温度，气体微团720在低温端换热器71吸热，然后在声波功能的作用下向高温端换热器73的一端移动，移动过程中，气体微团720变化为绝热压缩，压力和温度均升高；当气体微团720移至高温端换热器73的一端时，气体微团720的温度高于高温端换热器73，向高温端换热器73释放热量，热量被高温端换热器73带走；之后，气体微团720向低温端换热器71的一端移动，气体微团720变化为绝热膨胀，压力和温度均降低；当气体微团720移至低温端换热器71的一端时，气体微团720的温度低于低温端换热器71的温度，气体微团720吸收低温端换热器71的热量，降低低温端换热器71的温度，将气态co2液化，液化之后的co2排至低温co2液态储罐8。
46.以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

技术特征：
1.一种船舶燃料烟气中的co2捕集系统，包括烟气预处理单元和低温co2液态储罐，其特征在于，所述co2捕集系统还包括沸石转轮、烟气co2换热器、引风机、co2分配器、海水冷却器和co2液化单元；所述沸石转轮由动力机构驱动旋转，该沸石转轮的正下部为吸附区，沸石转轮的左上部为解吸区，沸石转轮的右上部为冷却区；所述烟气co2换热器设在所述沸石转轮的前方，该烟气co2换热器包括烟气管路和co2气体管路；所述烟气管路的烟气进口连接船舶发动机或锅炉的高温烟气，该烟气管路的烟气出口与所述烟气预处理单元的烟气进口连接；所述co2气体管路的co2气体进口对准所述沸石转轮的冷却区，所述co2气体管路的co2气体出口对准所述沸石转轮的解吸区；所述烟气预处理单元和所述引风机依次设在所述沸石转轮的后方；所述烟气预处理单元的烟气出口对准所述引风机的进气口，引风机的出气口对准所述沸石转轮的吸附区；所述co2分配器设在所述沸石转轮的后方，该co2分配器设有一个高温co2气体进口和两个高温co2气体出口；所述高温co2气体进口对准所述沸石转轮的解吸区；所述海水冷却器设在所述沸石转轮的后方，该海水冷却器的进口与所述co2分配器的一个高温co2气体出口连接，该海水冷却器的出口对准所述沸石转轮的吸附区；所述co2液化单元的co2气体进口与所述co2分配器的另一个高温co2气体出口连接；所述低温co2液态储罐与所述co2液化单元的co2液态出口连接。2.根据权利要求1所述的船舶燃料烟气中的co2捕集系统，其特征在于，所述烟气co2换热器的烟气管路和co2管路交错叠置。3.根据权利要求1所述的船舶燃料烟气中的co2捕集系统，其特征在于，所述烟气预处理单元包括烟气预处理喷淋层、吸收剂喷淋层和水洗喷淋层。4.根据权利要求1所述的船舶燃料烟气中的co2捕集系统，其特征在于，所述co2液化单元为热声制冷机并包括热声发动机、低温端换热器、高温端换热器和连接在低温端换热器与高温端换热器之间的回热器；所述热声发动机由船舶发动机或锅炉的高温烟气提供动力源而产生声波，高温烟气经过热声发动机后再进入所述烟气预处理单元的烟气进口；所述低温端换热器接受由声波而转化的热功，所述低温端换热器的co2气体进口与所述co2分配器的另一个高温co2气体出口连接。

技术总结
本发明公开了一种船舶燃料烟气中的CO2捕集系统，烟气CO2换热器的烟气管路的进口连接船舶发动机或锅炉的高温烟气，烟气管路的出口与烟气预处理单元的烟气进口连接，CO2气体管路的进口对准沸石转轮的冷却区，CO2气体管路的出口对准沸石转轮的解吸区；预处理单元的烟气出口对准沸石转轮的吸附区；CO2分配器的高温CO2气体进口对准沸石转轮的解吸区；海水冷却器的进口与CO2分配器的一个高温CO2气体出口连接，出口对准沸石转轮的吸附区；CO2分配器的另一个高温CO2气体出口与CO2液化单元连接；CO2液化单元的CO2液态出口连接低温CO2液态储罐。本发明的结构简单，占用空间小，投资小，运行费用低。行费用低。行费用低。


技术研发人员：朱刚 史丙苓 张德雷 刘晓明 唐虎
受保护的技术使用者：上海铠韧气体工程股份有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/9/19