CN114935112B - 一种lng固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，涉及能源综合利用系统技术领域，包括SOFC发电单元、淡水供给单元、汽水换热单元、烟气换热单元和液化LNG存储单元，所述汽水换热单元与SOFC发电单元的尾排端相连接，所述汽水换热单元与淡水供给单元相连接，所述烟气换热单元与汽水换热单元相连接，所述烟气换热单元用于经汽水换热单元热交换后的烟气以及来自于液化LNG存储单元的液化LNG流通，供流经烟气换热单元的烟气与液化LNG热交换，以冷凝液化烟气中的二氧化碳。从而实现烟气余热的梯级利用，提升能源综合利用率，并大大减少船舶碳排放，实现船舶节能减排。

Description

一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统
技术领域
本发明涉及能源综合利用系统技术领域，尤其涉及一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统。
背景技术
传统动力的LNG船舶，以燃料燃烧推动透平作为动力推进装置，效率低；而SOFC（固体氧化物燃料电池）通过电化学反应直接将化学能转化为电能，发电效率可达50-70%，热电联供效率可达80-95%，且燃料适应性广，在不改变船用燃料补给保障的基础设施前提下，可实现船舶节能减排达50-100%。
中国发明专利 CN202110659771.1公开了一种零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统，包括LNG冷能梯级利用子系统、尾气余热梯级利用子系统和CO2液化捕获子系统；LNG和载冷剂之间通过换热，实现LNG冷能梯级利用；船舶主机通过换热器和蒸汽透平连接实现尾气余热梯级利用；CO2液化捕获子系统中船舶主机产生的CO2通过换热器和海水淡化蒸发器连接，海水淡化蒸发器通过汽水分离器和液态CO2储罐连接实现CO2的液化捕获。
然而上述零碳排放的LNG燃料动力船冷能余热综合梯级利用系统对LNG的冷能和SOFC的尾气余热的利用效能差，从而导致能源综合利用率低，且不能做到零碳排放，船舶碳排放高，不能满足船舶的节能减排需求。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，以解决现有技术中的带有SOFC的双燃料船舶主机余热利用和LNG冷能回收系统对LNG的冷能和SOFC的尾气余热的利用效能差，从而导致能源综合利用率低，且不能做到零碳排放，船舶碳排放高，不能满足船舶的节能减排需求的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，包括SOFC发电单元、淡水供给单元、汽水换热单元、烟气换热单元和液化LNG存储单元，所述淡水供给单元与SOFC发电单元的淡水入口相连接，所述汽水换热单元与SOFC发电单元的尾排端相连接，所述汽水换热单元与淡水供给单元相连接，所述汽水换热单元用于来自于SOFC发电单元尾排端的烟气以及来自于淡水供给单元的淡水流通，供流经汽水换热单元的烟气与淡水热交换，所述烟气换热单元与汽水换热单元相连接，所述液化LNG存储单元经由烟气换热单元与SOFC发电单元的燃气入口相连接，所述烟气换热单元用于经汽水换热单元热交换后的烟气以及来自于液化LNG存储单元的液化LNG流通，供流经烟气换热单元的烟气与液化LNG热交换，以冷凝液化烟气中的二氧化碳。
在其中一个实施例中，所述淡水供给单元包括船舶淡水箱、纯化设备、计量水泵和循环水泵，所述船舶淡水箱经由循环水泵与汽水换热单元相连通，供船舶淡水箱中的淡水泵入汽水换热单元进行热交换预热后回流至船舶淡水箱，所述船舶淡水箱与纯化设备相连通，所述纯化设备经由计量水泵与SOFC发电单元的淡水入口相连通，供船舶淡水箱中预热后的淡水进入纯化设备，并经纯化设备纯化后进入SOFC发电单元参与电化学反应。
在其中一个实施例中，所述淡水供给单元还包括排水电磁阀，所述船舶淡水箱经由排水电磁阀与汽水换热单元的冷凝水出口相连通，供烟气于汽水换热单元进行热交换所产生的冷凝水排入船舶淡水箱。
在其中一个实施例中，还包括增压泵，所述烟气换热单元经由增压泵与汽水换热单元相连通，所述增压泵用于经汽水换热单元热交换后的低压烟气增压形成高压烟气进入烟气换热单元。
在其中一个实施例中，还包括缓冲罐，所述缓冲罐设于汽水换热单元与增压泵之间，所述缓冲罐分别与汽水换热单元和增压泵相连通，所述缓冲罐用于缓冲经汽水换热单元热交换后的烟气。
在其中一个实施例中，还包括液化二氧化碳储罐，所述液化二氧化碳储罐与烟气换热单元相连通，所述液化二氧化碳储罐用于存储烟气经烟气换热单元热交换冷凝液化产生的液态二氧化碳。
在其中一个实施例中，还包括辅助制冷设备，所述液化二氧化碳储罐经由辅助制冷设备与烟气换热单元相连通，所述辅助制冷设备用于液化LNG与烟气热交换的冷量缺口补偿，供烟气中的二氧化碳全部冷凝液化。
在其中一个实施例中，还包括第一温度变送器、第二温度变送器和压力变送器，所述第一温度变送器设于汽水换热单元与缓冲罐的连通气路，所述第一温度变送器用于监测汽水换热单元出口端的烟气温度，所述压力变送器与缓冲罐内部相连通，所述压力变送器用于监测缓冲罐内部的压力，所述第二温度变送器设于增压泵与烟气换热单元的连通气路，所述第二温度变送器用于监测增压泵出口端的烟气温度。
在其中一个实施例中，还包括风机，所述风机与SOFC发电单元的空气入口相连通，所述风机用于将外部空气鼓送入SOFC发电单元参与电化学反应。
在其中一个实施例中，还包括比例阀，所述烟气换热单元经由LNG燃料供给管路与SOFC发电单元的燃气入口相连通，所述比例阀设于所述LNG燃料供给管路，所述比例阀用于调节LNG进气流量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统利用淡水供给单元与SOFC发电单元低压高温烟气换热，对烟气进行初步降温，再经过烟气换热单元将LNG气化，使LNG预热，利用LNG冷能使烟气温度进一步降低，将液化温度较高的二氧化碳液化，从而实现烟气余热的梯级利用，提升能源综合利用率，并大大减少船舶碳排放，实现船舶节能减排。
附图说明
图1为本发明的示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明提供了一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，包括SOFC发电单元10、淡水供给单元20、汽水换热单元30、烟气换热单元40、液化LNG存储单元50、增压泵60、缓冲罐70、液化二氧化碳储罐80、辅助制冷设备90、第一温度变送器100、第二温度变送器110、压力变送器120、风机130、比例阀140和燃气路电磁阀170，所述淡水供给单元20与SOFC发电单元10的淡水入口相连接，所述汽水换热单元30与SOFC发电单元10的尾排端相连接，所述汽水换热单元30与淡水供给单元20相连接，所述汽水换热单元30用于来自于SOFC发电单元10尾排端的烟气以及来自于淡水供给单元20的淡水流通，供流经汽水换热单元30的烟气与淡水热交换，所述烟气换热单元40与汽水换热单元30相连接，所述液化LNG存储单元50经由烟气换热单元40与SOFC发电单元10的燃气入口相连接，所述烟气换热单元40用于经汽水换热单元30热交换后的烟气以及来自于液化LNG存储单元50的液化LNG流通，供流经烟气换热单元40的烟气与液化LNG热交换，以冷凝液化烟气中的二氧化碳。
本发明的LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统利用淡水供给单元20与SOFC发电单元10低压高温烟气换热，对烟气进行初步降温，再经过烟气换热单元40将LNG气化，使LNG预热，利用LNG冷能使烟气温度进一步降低，将液化温度较高的二氧化碳液化，从而实现烟气余热的梯级利用，提升能源综合利用率，并大大减少船舶碳排放，实现船舶节能减排。
在其中一个实施例中，所述淡水供给单元20包括船舶淡水箱21、纯化设备22、计量水泵23、循环水泵24和排水电磁阀26，所述船舶淡水箱21经由循环水泵24与汽水换热单元30相连通，供船舶淡水箱21中的淡水泵入汽水换热单元30进行热交换预热后回流至船舶淡水箱21，所述船舶淡水箱21经由水路电磁阀25与纯化设备22相连通，所述纯化设备22经由计量水泵23与SOFC发电单元10的淡水入口相连通，供船舶淡水箱21中预热后的淡水进入纯化设备22，并经纯化设备22纯化后进入SOFC发电单元10参与电化学反应。
为了减少与环境的热交换，SOFC发电单元10的低压高温烟气进入汽水换热单元30入口的管路、汽水换热单元30均包覆保温材料。
为简化船舶水路，将船舶淡水箱21与SOFC供水箱合二为一，淡水经过纯化设备22，去除离子后，进入SOFC发电单元10。
船舶淡水箱21中的淡水作为冷源，通过循环水泵24进入汽水换热单元30为高温烟气降温，同时使水进入SOFC发电单元10前预热。
在其中一个实施例中，所述船舶淡水箱21经由排水电磁阀26与汽水换热单元30的冷凝水出口相连通，供烟气于汽水换热单元30进行热交换所产生的冷凝水排入船舶淡水箱21。
汽水换热单元30收集的冷凝液态水，定期通过开启排水电磁阀26流回船舶淡水箱21，以便重新进入SOFC发电单元10再次利用。
SOFC发电单元10的高温低压烟气通过包裹保温材料的管道进入汽水换热单元30，循环水泵24将船舶淡水箱21中的淡水作为冷源泵入汽水换热单元30，与高温低压烟气在汽水换热单元30中进行热交换，对烟气进行初步冷却，同时，对淡水进行预热，预热后的淡水在计量水泵23的作用下进入纯化设备22，并经纯化设备22纯化制得去离子水，去离子水为LNG进行燃料重整进入SOFC发电单元10使用。烟气和淡水在汽水换热单元30中进行热交换的过程中，烟气中低于露点温度的水蒸气冷凝形成冷凝水，冷凝水经过排水电磁阀26进入船舶淡水箱21中，对烟气中的水蒸气进行液化回收。
船舶淡水箱21兼具船舶淡水供应、SOFC发电单元10供水、高温烟气水回收作用。
在其中一个实施例中，所述烟气换热单元40经由增压泵60与汽水换热单元30相连通，所述增压泵60用于经汽水换热单元30热交换后的低压烟气增压形成高压烟气进入烟气换热单元40。
所述缓冲罐70设于汽水换热单元30与增压泵60之间，所述缓冲罐70分别与汽水换热单元30和增压泵60相连通，所述缓冲罐70用于缓冲经汽水换热单元30热交换后的烟气。
所述液化二氧化碳储罐80与烟气换热单元40相连通，所述液化二氧化碳储罐80用于存储烟气经烟气换热单元40热交换冷凝液化产生的液态二氧化碳，所述液化二氧化碳储罐80设有排气电磁阀160。
为高效利用液化LNG冷能，同时满足耐压要求，烟气换热单元40采用高效钎焊板式换热器。烟气换热单元40、烟气换热单元40出口管路以及液化二氧化碳储罐80进口管路也均包覆保温材料。经过液化回收的液化二氧化碳以冷流体的形式储存，可作为工业、食品行业原材料再次利用。
在其中一个实施例中，所述液化二氧化碳储罐80经由辅助制冷设备90与烟气换热单元40相连通，所述辅助制冷设备90用于液化LNG与烟气热交换的冷量缺口补偿，供烟气中的二氧化碳全部冷凝液化。
利用船舶自带的制冷设备作为辅助制冷设备90，通过进行合理的制冷量分配，对经LNG降温的高压烟气进行缺口冷量匹配，以适应SOFC发电单元10的变工况运行。
在其中一个实施例中，所述第一温度变送器100设于汽水换热单元30与缓冲罐70的连通气路，所述第一温度变送器100用于监测汽水换热单元30出口端的烟气温度，所述压力变送器120与缓冲罐70内部相连通，所述压力变送器120用于监测缓冲罐70内部的压力，所述第二温度变送器110设于增压泵60与烟气换热单元40的连通气路，所述第二温度变送器110用于监测增压泵60出口端的烟气温度。
在增压泵60前设置缓冲罐70、第一温度变送器100和压力变送器120，监测烟气温度和压力，通过调节增压泵60转速和启停控制背压，防止SOFC发电单元10背压波动。
低压高温烟气经过汽水换热单元30后，经过缓冲罐70由增压泵60升压，通过缓冲罐70的压力变送器120检测SOFC发电单元10背压变化情况，通过控制增压泵60转速和启停控制增压烟气流量。
所述风机130与SOFC发电单元10的空气入口相连通，所述风机130用于将外部空气鼓送入SOFC发电单元10参与电化学反应。
所述烟气换热单元40经由LNG燃料供给管路150与SOFC发电单元10的燃气入口相连通，所述比例阀140设于所述LNG燃料供给管路150，所述比例阀140用于调节LNG进气流量，所述液化LNG存储单元50经由燃气路电磁阀170与烟气换热单元40相连通。
液化LNG，其温度为-162℃，需升温气化后进入SOFC发电单元10作为燃料。SOFC发电单元烟气温度约为100℃，该温度的烟气可通过船舶淡水箱21进行换热，降至常温并除水，再经过烟气换热单元40将LNG气化，使LNG预热，同时可使烟气温度进一步降低。
液化LNG经过烟气换热单元40与高压烟气换热后气化，经过比例阀140进入SOFC发电单元10燃气入口，通过比例阀140进行LNG流量调节，烟气换热单元40兼具烟气液化与LNG气化器的作用。
烟气流经汽水换热单元30后，未冷凝的常温烟气经第一温度变送器100测温进入缓冲罐70，随后通过增压泵60将常温烟气增压，增压泵60带有水冷散热或风冷散热，对增压后的高压烟气进行降温，接着烟气经过第二温度变送器110测温后进入烟气换热单元40，同时液化LNG存储单元50中的液态LNG经燃气路电磁阀170进入烟气换热单元40，与增压后的高压烟气换热，换热后液化LNG吸热气化，经过比例阀140与LNG燃料供给管路150相连并进入SOFC发电单元10，而高压烟气中的二氧化碳放热液化，经包有保温材料的管路进入辅助制冷设备90，经过辅助制冷设备90进一步冷却后，液态二氧化碳进入液化二氧化碳储罐80储存，其余液化温度较低的气体（如氮气）由排气电磁阀160进行排气。
SOFC发电单元10发电需要提供空气、燃料和水，风机130提供空气，LNG燃料供给管路150提供气化LNG，淡水供给单元20提供经纯化设备22纯化过的去离子水，去离子水为LNG进行燃料重整进入SOFC发电单元10使用，SOFC发电单元10发电后排出低压高温烟气。
低压高温烟气经过汽水换热单元30，利用循环水泵24将船舶淡水箱21的淡水作为冷媒，使低压高温烟气初步降温，分离出露点温度下冷凝的液态水，并将液态水回收至船舶淡水箱21，船舶淡水箱21中的水经纯化设备22进行过滤和去离子，随后进入SOFC发电单元10，其余的低压常温烟气进入缓冲罐70。低压常温烟气进入缓冲罐70后，通过增压泵60升至一定压力，高压常温烟气进入烟气换热单元40，烟气换热单元40以液化LNG为冷源，辅助制冷设备90为船用制冷装置，用于冷库、空调等制冷，可通过调节制冷功率调节制冷量。高压常温烟气在烟气换热单元40中进一步降温，液化LNG吸收常温烟气的热量气化进入SOFC发电单元10，烟气中的二氧化碳降温液化，成为过冷液体，进入液化二氧化碳储罐80储存。
利用船舶淡水箱21的水与SOFC发电单元10低压高温烟气换热，实现冷凝水回收；液化LNG通过烟气换热单元40与降温后的烟气换热，配合辅助制冷设备90，实现烟气中二氧化碳的液化回收以及LNG气化预热；本发明利用SOFC发电单元10烟气余热，将船舶淡水箱21中的水预热及烟气中的水回收，同时利用LNG冷能、SOFC发电单元10烟气余热再配合船用淡水、船用制冷装置的冷能调节，将烟气中的二氧化碳液化储存，实现了船舶零碳排放，减少了烟气余热及液化燃料的冷能损失，从而实现烟气余热的梯级利用，提升了系统的综合能量利用率。
本发明的LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统通过船舶淡水箱21的淡水将SOFC发电单元10高温低压的烟气进行初步冷却降温，进行水回收，再利用液化LNG的冷量，将常温增压后的烟气冷却，使烟气中的二氧化碳液化储存。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明利用可储备的液化LNG作为燃料，既不改变现有天然气燃料补给保障的基础设施，同时易于重整，与SOFC发电单元10适配性高。
2、本发明将SOFC重整所需水箱与船舶淡水箱21合二为一，利用船舶淡水箱21携带的淡水提供给SOFC发电单元10，节约空间体积，简化供水回路。
3、将船舶淡水箱21的水作为冷源，为SOFC发电单元10的高温低压烟气进行初步降温，使淡水预热进入SOFC发电单元10，而降温后的烟气中的水冷凝回收至船舶淡水箱21，经纯化设备22后可再次进入SOFC发电单元10循环利用。
4、利用液化LNG的冷能对增压后的常温烟气进行换热，使液化LNG预热升温气化，可提升SOFC发电单元10综合能量利用率，替代了常用LNG汽化器，节约了船舶空间；同时使烟气中液化温度较高的二氧化碳液化储存，实现船舶尾气零碳排放。
5、利用船舶自带制冷设备作为烟气的辅助制冷设备90，可通过调节制冷功率调节辅助制冷量，配合SOFC发电单元10的升、降载或功率突变等情况进行烟气液化的辅助制冷。
面对现有技术存在的问题，本发明的LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统旨在结合SOFC发电单元10的运行工况，利用船舶淡水箱21的水作为冷源，配合进行SOFC发电单元10供水、高温烟气冷却，再利用液化LNG冷能，将烟气进一步降温使二氧化碳液化回收，实现发电系统零碳排放，同时船舶能源综合利用率提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，包括SOFC发电单元、淡水供给单元、汽水换热单元、烟气换热单元和液化LNG存储单元，所述淡水供给单元与SOFC发电单元的淡水入口相连接，所述汽水换热单元与SOFC发电单元的尾排端相连接，所述汽水换热单元与淡水供给单元相连接，所述汽水换热单元用于来自于SOFC发电单元尾排端的烟气以及来自于淡水供给单元的淡水流通，供流经汽水换热单元的烟气与淡水热交换，所述烟气换热单元与汽水换热单元相连接，所述液化LNG存储单元经由烟气换热单元与SOFC发电单元的燃气入口相连接，所述烟气换热单元用于经汽水换热单元热交换后的烟气以及来自于液化LNG存储单元的液化LNG流通，供流经烟气换热单元的烟气与液化LNG热交换，以冷凝液化烟气中的二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，所述淡水供给单元包括船舶淡水箱、纯化设备、计量水泵和循环水泵，所述船舶淡水箱经由循环水泵与汽水换热单元相连通，供船舶淡水箱中的淡水泵入汽水换热单元进行热交换预热后回流至船舶淡水箱，所述船舶淡水箱与纯化设备相连通，所述纯化设备经由计量水泵与SOFC发电单元的淡水入口相连通，供船舶淡水箱中预热后的淡水进入纯化设备，并经纯化设备纯化后进入SOFC发电单元参与电化学反应。
3.根据权利要求2所述的一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，所述淡水供给单元还包括排水电磁阀，所述船舶淡水箱经由排水电磁阀与汽水换热单元的冷凝水出口相连通，供烟气于汽水换热单元进行热交换所产生的冷凝水排入船舶淡水箱。
4.根据权利要求1所述的一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，还包括增压泵，所述烟气换热单元经由增压泵与汽水换热单元相连通，所述增压泵用于经汽水换热单元热交换后的低压烟气增压形成高压烟气进入烟气换热单元。
5.根据权利要求4所述的一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，还包括缓冲罐，所述缓冲罐设于汽水换热单元与增压泵之间，所述缓冲罐分别与汽水换热单元和增压泵相连通，所述缓冲罐用于缓冲经汽水换热单元热交换后的烟气。
6.根据权利要求1所述的一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，还包括液化二氧化碳储罐，所述液化二氧化碳储罐与烟气换热单元相连通，所述液化二氧化碳储罐用于存储烟气经烟气换热单元热交换冷凝液化产生的液态二氧化碳。
7.根据权利要求6所述的一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，还包括辅助制冷设备，所述液化二氧化碳储罐经由辅助制冷设备与烟气换热单元相连通，所述辅助制冷设备用于液化LNG与烟气热交换的冷量缺口补偿，供烟气中的二氧化碳全部冷凝液化。
8.根据权利要求5所述的一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，还包括第一温度变送器、第二温度变送器和压力变送器，所述第一温度变送器设于汽水换热单元与缓冲罐的连通气路，所述第一温度变送器用于监测汽水换热单元出口端的烟气温度，所述压力变送器与缓冲罐内部相连通，所述压力变送器用于监测缓冲罐内部的压力，所述第二温度变送器设于增压泵与烟气换热单元的连通气路，所述第二温度变送器用于监测增压泵出口端的烟气温度。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，还包括风机，所述风机与SOFC发电单元的空气入口相连通，所述风机用于将外部空气鼓送入SOFC发电单元参与电化学反应。
10.根据权利要求9所述的一种LNG固体氧化物燃料电池动力船烟气回收系统，其特征在于，还包括比例阀，所述烟气换热单元经由LNG燃料供给管路与SOFC发电单元的燃气入口相连通，所述比例阀设于所述LNG燃料供给管路，所述比例阀用于调节LNG进气流量。
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