專利名稱：一種船舶主機余熱回收和尾氣處理系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種船舶主機余熱回收和尾氣處理系統，具體涉及一種基于富氧燃燒和碳捕捉技術的船舶主機余熱回收利用和尾氣處理系統。屬于船舶節能減排技術領域。
背景技術：
發展低碳經濟，應對氣候變化已成為當前世界各國的迫切任務和目標。船舶行業是溫室氣體排放的主要來源之一，約占全球溫室氣體排放總量的3.3%。為降低船舶溫室氣體排放，國際海事組織(MO)提出了船舶能耗限制指數(EEDI，二氧化碳排放量與貨運能力的比值)，并提出要求2015 2019年間建成的船舶碳效率須提高10%，2020^2024年間建成的船舶碳效率須提高20%，2024年后建成的船舶碳效率須提高30%，規定適用于所有400總噸以上的船舶，船舶一旦超過這一指數，將面臨高額罰款。隨著船舶有害排放物法規要求日益嚴格，船用柴油機急需低碳技術，這對船舶設計、生產技術、配套設備等都提出全新要求。船舶主機提供船舶海上航行、作業主要動力，是船舶燃料消耗的主要源頭。但主機排氣余熱約占總熱效率40%，因此，有效利用主機余熱，提高燃油利用效率，是船舶節能減排的有效途徑，引起了世界各國重視。目前，船舶主機余熱利用主要有兩種方式:一是將低品質余熱直接作為其它設備加熱熱源；二是將動力利用價值大、品位高余熱用于作功以回收動力。但船舶主機尾氣除帶走大量熱能外，還含有大量可循環再利用的碳氫化合物、CO和CO2等溫室氣體。目前研究大多只考慮了主機尾氣余熱利用，未考慮尾氣排放溫室氣體的處理與利用。

發明內容
為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種既可以高效利用船舶主機余熱、提高能量利用效率，又可以吸收尾氣中二氧化碳、降低碳排放的船舶主機余熱回收和尾氣處理系統。為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:—種船舶主機余熱回收和尾氣處理系統，包括廢氣鍋爐、汽輪機、發電機、二氧化碳吸收塔、水泵、水柜、臥式氨合成塔、烷烴裂解裝置和空氣分離機，所述的廢氣鍋爐與汽輪機之間通過高溫蒸汽管道連接；所述的汽輪機與發電機之間通過傳動軸連接；發電機與各用電設備之間用電線連接；廢氣鍋爐與二氧化碳吸收塔之間通過不銹鋼管道連接；所述的二氧化碳吸收塔內安裝有不銹鋼淋浴噴頭；所述的廢氣鍋爐通過碳鋼管道依次與空氣分離機和臥式氨合成塔連接；所述的臥式氨合成塔通過碳鋼管道與烷烴裂解裝置連接；所述的臥式氨合成塔還通過不銹鋼管道依次與水柜、水泵和二氧化碳吸收塔連接。本發明所述的高溫蒸汽管道材質為不銹鋼。一種船舶主機余熱回收和尾氣處理系統的方法，包括以下步驟:A、利用空氣分離機分離空氣制得高濃度氧 氣和氮氣，為船舶主機尾氣富氧燃燒及合成氨提供原料氣體；B、船舶主機尾氣在廢氣鍋爐的爐膽內與空氣分離機產生的高濃度氧氣進行富氧燃燒，燃燒之后的尾氣通過熱傳遞的方式對廢氣鍋爐內的水管內的水加熱，并產生高溫水蒸氣；C、廢氣鍋爐產生的高溫水蒸氣驅動汽輪機運轉，汽輪機帶動發電機發電，發電機為用電設備供電；D、廢氣鍋爐中對其水管內水加熱之后的尾氣排向二氧化碳吸收塔，尾氣中的部分二氧化碳在此被捕捉并產生碳酸氫銨；E、將空氣分離機制得的高濃度氮氣及裂解烷烴裝置產生的氫氣作為合成氨的原料氣，并在臥式氨合成塔內進行氨的合成；F、將合成的氨通向水柜，并在此制得質量分數為10%的氨水溶液；G、由水泵將質量分數10%的氨水溶液泵向二氧化碳吸收塔，并通過淋浴噴嘴對尾氣進行淋浴吸收，并回收碳酸氫銨。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:1、本發明基于富氧燃燒和二氧化碳捕捉技術，提高了燃油利用率，降低了二氧化碳排放量，達到了節能減排的效果。2、本發明的廢氣鍋爐由爐膽和水管組成，水管內可以進行水循環，通過水管外的尾氣燃燒對水管內的水進行加熱，代替了以前的燃燒燃油加熱的方式，這樣提高了尾氣熱
量利用率。3、本發明的氨合成塔采用臥式氨合成塔，既減小了對船舶穩定性的影響，又降低了從鍋爐出來的廢氣壓降，有利于吸收CO2;二氧化碳吸收塔也采用臥式，有利于船舶的穩定。已有實驗研究表明，質量濃度為28%的氨水易吸收98%的CO2，而用質量濃度為10%的氨水也可達到吸收80% CO2的效果。所述氨水濃度也可根據尾氣中CO2濃度和尾氣排放量，以及氨合成量綜合優化，以最大限度地吸收C02。4、本發明中，富氧燃燒后產生蒸汽通過汽輪發電機轉化為電能，電能是一種通用環保形式的能量。這樣，能量利用的形式可以多元化。5、本發明吸收CO2產生的碳酸氫銨，可進一步利用，如生產化肥；多余的氨也可用作致冷劑。具有顯著的社會效益和經濟效益。6、本發明基于富氧燃燒和二氧化碳捕捉技術的船舶主機余熱利用與尾氣處理系統，同時考慮物質流和能量流，不僅高效利用船舶主機余熱，提高能量利用效率，而且基于碳捕捉技術，吸收尾氣中二氧化碳，降低碳排放。本發明有助于提高船舶企業和航運業應對國際海事組織(MO)提出的船舶能耗限制指數(EEDI)的能力。


本發明共有2張附圖，其中:圖1是本發明的工作原理圖。圖2是本發明的系統結構示意圖。圖中:10_廢氣鍋爐，11-爐膽，12-水管，13-尾氣排出口，20-汽輪機，30-發電機，40- 二氧化碳吸收塔，41-淋浴噴頭，42-尾氣入口，43-碳酸氫銨排出口，44-其他氣體排出口，50-水泵，51-泵出口，52-泵入口，60-水柜，70-臥式氨合成塔，71-產物層，72-催化劑層，73-原料氣體混合層，80-裂解烷烴裝置，90-空氣分離機。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行進一步地描述。如圖2所示，一種船舶主機余熱回收和尾氣處理系統，包括廢氣鍋爐10、汽輪機20、發電機30、二氧化碳吸收塔40、水泵50、水柜60、臥式氨合成塔70、烷烴裂解裝置和空氣分離機90，所述的廢氣鍋爐10與汽輪機20之間通過高溫蒸汽管道連接；所述的汽輪機20與發電機30之間通過傳動軸連接；發電機30與各用電設備之間用電線連接；廢氣鍋爐10與二氧化碳吸收塔40之間通過不銹鋼管道連接；所述的二氧化碳吸收塔40內安裝有不銹鋼淋浴噴頭41 ;所述的廢氣鍋爐10通過碳鋼管道依次與空氣分離機90和臥式氨合成塔70連接；所述的臥式氨合成塔70通過碳鋼管道與烷烴裂解裝置連接；所述的臥式氨合成塔70還通過不銹鋼管道依次與水柜60、水泵50和二氧化碳吸收塔40連接。所述的高溫蒸汽管道材質為不銹鋼。如圖1-2所示，利用空氣分離機90分離空氣產生高濃度的氧氣和氮氣。在廢氣鍋爐10中的爐膽11處，利用得到的高濃度氧氣對主機尾氣進行富氧燃燒，尾氣富氧燃燒及尾氣余熱的熱能用于加熱廢氣鍋爐水管12內的水產生高溫蒸汽，最后的尾氣通過尾氣入口 42排往二氧化碳吸收塔40。高溫蒸汽經過汽輪機20，驅動發電機30發電，實現余熱的有效利用。發電可供應系統內或船舶上用電設備。在臥式氨合成塔70中，利用空氣分離機90產生的氮氣和裂解烷烴裝置80處得到的氫氣合成氨。原料氣體首先進入臥式氨合成塔70的原料氣體層73，再進入催化劑層72進行催化反應，最后生成的氨進入產物層71。合成的氨氣通往水柜60制得質量分數10%的氨水溶液。氨水溶液通過泵50以淋浴方式注入二氧化碳吸收塔40中，泵入口 52與水柜60的出口相連接，泵出口 51與淋浴噴頭41相連接。淋浴噴頭41以淋浴的方式吸收尾氣中的CO2,生成碳酸氫氨，并通過碳酸氫氨排出口 43進行回收處理，從而降低CO2排放量。二氧化碳吸收塔40中未吸收的其他氣體通過其他氣體排放口 44排往大氣。為提高船舶穩定，本發明采用臥式氨合成塔70、二氧化碳吸收塔40。
權利要求
1.一種船舶主機余熱回收和尾氣處理系統，其特征在于:包括廢氣鍋爐(10)、汽輪機(20 )、發電機(30 )、二氧化碳吸收塔(40 )、水泵(50 )、水柜(60 )、臥式氨合成塔(70 )、烷烴裂解裝置和空氣分離機(90)，所述的廢氣鍋爐(10)與汽輪機(20)之間通過高溫蒸汽管道連接；所述的汽輪機(20)與發電機(30)之間通過傳動軸連接；發電機(30)與各用電設備之間用電線連接；廢氣鍋爐(10)與二氧化碳吸收塔(40)之間通過不銹鋼管道連接；所述的二氧化碳吸收塔(40)內安裝有不銹鋼淋浴噴頭(41);所述的廢氣鍋爐(10)通過碳鋼管道依次與空氣分離機(90)和臥式氨合成塔(70)連接；所述的臥式氨合成塔(70)通過碳鋼管道與烷烴裂解裝置連接；所述的臥式氨合成塔(70)還通過不銹鋼管道依次與水柜(60)、水泵(50)和二氧化碳吸收塔(40)連接。
2.根據權利要求1所述的一種船舶主機余熱回收和尾氣處理系統，其特征在于:所述的高溫蒸汽管道材質為不銹鋼。
3.—種如權利要求1所述的船舶主機余熱回收和尾氣處理系統的方法，其特征在于:包括以下步驟: A、利用空氣分離機(90)分離空氣制得高濃度氧氣和氮氣，為船舶主機尾氣富氧燃燒及合成氨提供原料氣體； B、船舶主機尾氣在廢氣鍋爐(10)的爐膽(11)內與空氣分離機(90)產生的高濃度氧氣進行富氧燃燒，燃燒之后的尾氣通過熱傳遞的方式對廢氣鍋爐(10)內的水管(12)內的水加熱，并產生高溫水蒸氣； C、廢氣鍋爐(10)產生的高溫水蒸氣驅動汽輪機(20)運轉，汽輪機(20)帶動發電機(30)發電，發電機(30)為用電設備供電； D、廢氣鍋爐(10)中對其水管(12)內水加熱之后的尾氣排向二氧化碳吸收塔(40)，尾氣中的部分二氧化碳在此被捕捉并產生碳酸氫銨； E、將空氣分離機(90)制得的高濃度氮氣及裂解烷烴裝置(80)產生的氫氣作為合成氨的原料氣，并在臥式氨合成塔(70)內進行氨的合成； F、將合成的氨通向水柜(60)，并在此制得質量分數為10%的氨水溶液； G、由水泵(50)將質量分數10%的氨水溶液泵向二氧化碳吸收塔(40)，并通過淋浴噴嘴對尾氣進行淋浴吸收，并回收碳酸氫銨。
全文摘要
本發明公開了一種船舶主機余熱回收和尾氣處理系統及方法，所述的系統包括廢氣鍋爐、汽輪機、發電機、二氧化碳吸收塔、水泵、水柜、臥式氨合成塔、烷烴裂解裝置和空氣分離機，廢氣鍋爐連接汽輪機；廢氣鍋爐還連接二氧化碳吸收塔；二氧化碳吸收塔內安裝有不銹鋼淋浴噴頭；廢氣鍋爐依次與空氣分離機和臥式氨合成塔連接；臥式氨合成塔通過碳鋼管道與烷烴裂解裝置連接；臥式氨合成塔還依次與水柜、水泵和二氧化碳吸收塔連接。本發明基于富氧燃燒和二氧化碳捕捉技術的船舶主機余熱利用與尾氣處理系統，同時考慮物質流和能量流，不僅高效利用船舶主機余熱，提高能量利用效率，而且基于碳捕捉技術，吸收尾氣中二氧化碳，降低碳排放。
文檔編號F01K11/02GK103111172SQ20131001462
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者劉志杰, 楊云, 林成新, 孫德平 申請人:大連海事大學